聯合收割機負荷反饋自動控制裝置及控制方法

2023-05-17 07:01:46

專利名稱：：聯合收割機負荷反饋自動控制裝置及控制方法
技術領域：
：本發明涉及農業機械領域，特別涉及一種聯合收割機負荷反饋自動控制裝置。
背景技術：
：聯合收割機的收割效率與其作業負荷相關，作業負荷隨餵入量、行駛速度、滾筒轉速、輸糧攪龍轉速等因素而隨機變化，作業負荷的波動直接影響聯合收割機的工作狀態穩定性和收割效率。行駛速度過快會使脫粒滾筒因為餵入量過大而過載，使脫粒滾筒轉速下降而損失量增加，甚至造成脫粒滾筒和輸糧攪龍堵塞，從而產生故障；而行駛速度過慢，負荷偏低，作業效率低下，因此要求在聯合收割機作業時對負荷進行調控。目前，大部分聯合收割機作業時，依靠機手的個人經驗，通過調整行駛速度改變餵入量來調節負荷。這種作業方式對機手駕駛水平要求高，勞動強度大，難以降低故障率，作業速度和作業效率低。也有少量聯合收割機主要是針對脫粒滾筒單地用PID或模糊控制等進行單一控制。隨著現代農業技術的發展，對聯合收割機的控制和收割效率提出了更高的要求，簡單、單一變量的控制很難滿足聯合收割機實際控制的要求，現有聯合收割機上缺乏對負荷全面有效的自動控制裝置。
發明內容本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種聯合收割機負荷反饋自動控制裝置，通過對聯合收割機前進速度的自動調控，滿足聯合收割機負荷調控的要求，提高聯合收割機的工作效率，降低故障率。本發明的另一目是提供該聯合收割機負荷反饋自動控制裝置的控制方法，可靈活、快速、實時地完成負荷反饋自動控制裝置的全部功能。本發明聯合收割機負荷反饋自動控制裝置所採用的技術方案是包括具有自動和手動調速的調速執行機構，調速執行機構與聯合收割機連接，該負荷反饋自動控制裝置包括控制器和傳感系統，且與調速執行機構連接，調速執行機構上的按鈕開關分別連接電源、狀態指示燈和電機驅動器；電機驅動器分別連接控制器和調速執行機構中的電機；控制器分別連接液晶顯示器、聲光報警系統和傳感系統；控制器由單片機及其外圍電路組成；傳感系統由多種傳感器及其調理電路組成。本發明聯合收割機負荷反饋自動控制裝置的控制方法所採用的技術方案是採用如下步驟1)未按下按鈕開關，聯合收割機進入手動控制；按下按鈕開關，接通電機驅動器的電源，聯合收割機進入自動控制；2)傳感系統採集聯合收割機的各種信號，經過調理電路濾波、穩定後輸入到控制器建立多信息融合模糊控制模型；3)控制器根據所建立的多信息融合模糊控制模型選擇相應的控制策略控制電機驅動器工作，電機驅動器驅動電機轉動，帶動聯合收割機中的液壓無極變速系統實現對聯合收割機行駛速度的自動控制。本發明的有益效果是，在聯合收割機現有的液壓無極變速器手動調速機構的基礎上，附加了負荷反饋控制裝置，由傳感系統採集聯合收割機工作狀態信號進入單片機控制器進行多信號融合模糊控制算法及預測控制算法等處理，選擇相應的控制策略，來驅動執行機構工作，從而實現聯合收割機工作負荷的自動控制，同時實時顯示機組工作狀態，遇到故障時及時進行聲光報警；結構簡潔緊湊，功能靈活全面且便於擴展。下面結合附圖和具體實施方式對本發明進一步說明。圖1為聯合收割機的調速執行機構18的結構圖；圖2為聯合收割機負荷反饋控制裝置的結構連接示意圖；圖3為圖2中控制器21的多信息融合模糊控制原理圖；圖4為圖2中控制器21的主程序流程圖5為圖4中控制器21的多信息融合模糊控制算法子程序流程圖。圖中l.手柄蓋；2.按鈕開關；3.手柄；4.移動架；5.螺栓；6.摩擦片；7.墊片；8.螺母；9.拉杆；IO.雙向超越離合器；11.電機；12.液壓無級變速系統；13.連杆；14.擺杆；15.電源；16.狀態指示燈；17.電機驅動器；18.調速執行機構；19.聯合收割機；20.傳感系統；21.控制器；22.液晶顯示器；23.聲光報警系統。具體實施例方式如圖1、2所示，聯合收割機19的調速執行機構18由基於液壓無極變速器的手動調速子機構和自動調速子機構組成。其中，手動調速子機構包括手柄蓋l、手柄3、移動架4、螺栓5、摩擦片6、墊片7、螺母8、拉杆9、擺杆14、液壓無級變速系統12和連杆13。自動調速子機構包括電機11、雙向超越離合器10、擺杆14、液壓無級變速系統12和連杆13。按鈕開關2安裝在手柄3上，手柄3上還配有橡膠手柄蓋1，手柄3與移動架4鉸接，移動架4通過螺栓5、摩擦片6、墊片7、螺母8與支座鉸接，拉杆9分別與移動架4和擺杆14一端鉸接，擺杆14另一端與連杆13鉸接，擺杆14通過雙向超越離合器10與電機11相聯接，雙向超越離合器10與電機11均通過螺栓固定在支座上。在機手操縱聯合收割機作業時，通過扳動手柄3，使移動架4繞其與支座的鉸接中心轉動，通過拉杆9拉動擺杆14繞軸心擺動，從而經連杆13帶動聯合收割機19的液壓無極變速系統12，實現聯合收割機前進速度的手動調整。在擺杆14與電機11間安裝的雙向超越離合器10，可保證當電機11主動運動時，擺杆14也同步轉動，通過電機11驅動擺杆14繞軸心擺動，自動調整聯合收割機19的前進速度；而在機手扳動手柄3使擺杆14主動運動時，電機ll不會隨之運動，從而保證在自動調速狀態下，操縱手柄3手動調速仍然有效，手動和自動調速任意切換且不產生二者的衝突。如圖2,本發明就附加在上述調速執行機構18上，由傳感系統20、控制器21、電機驅動器17、液晶顯示器22和聲光報警系統23組成。其中，調速執行機構18上的按鈕開關2分別連接電源15、狀態指示燈16和電機驅動器17。電機驅動器17分別連接控制器21和調速執行機構18中的電機11。控制器21分別連接液晶顯示器22、聲光報警系統23和傳感系統20。控制器21是由單片機及其外圍電路組成。傳感系統20由測量當前行駛速度、滾筒轉速、輸糧攪龍轉速、餵入量、清選損失、夾帶損失等信號的多種傳感器及其調理電路組成，多種傳感器安裝在聯合收割機19的相應部位。液晶顯示器22實時顯示聯合收割機19的工作狀態；聲光報警系統23是由LED指示燈和蜂鳴器組成。通過傳感系統20對聯合收割機19的負荷進行監測，通過控制器21和電機驅動器17控制電機11的轉動來實現聯合收割機19前進速度的自動調整，同時通過液晶顯示器22顯示機組的工作狀態。本發明除包括上述硬體系統外，還包括軟體系統，軟體系統由信號檢測程序、多信號融合模糊控制算法及電機控制程序等組成。本發明的工作過程是當沒按下手柄3上的按鈕開關2時，狀態指示燈16不亮，聯合收割機19進入手動控制，液晶顯示器22會顯示其工作狀態，遇到故障時，聲光報警系統23會發出聲光報警提醒機手緊急停車，根據報警的指示燈檢查相應部位的故障原因。當按下按鈕開關2時，接通電機驅動器17的電源，狀態指示燈16亮，聯合收割機19進入自動控制狀態，同時液晶顯示器22顯示聯合收割機19的工作狀態。聯合收割機19負荷反饋自動調速時，通過傳感系統20進行聯合收割機19的餵入量、行駛速度、滾筒轉速、輸糧攪龍轉速、清選損失、夾帶損失等各種信息的採集，將採集的信號經過調理電路濾波、穩定後輸入到控制器21進行處理，經過控制器21的控制算法的處理，選擇相應的控制策略控制電機驅動器17工作，電機驅動器17驅動電機11轉動，從而驅動擺杆14擺動，經連杆13帶動聯合收割機19的液壓無極變速系統12，從而達到對聯合收割機19的行駛速度的自動控制。聯合收割機19負荷控制的目的是在不超過最大損失量、脫粒滾筒最大負荷和輸糧攪龍轉速正常的前提條件下，具有最大穩定的前進速度，發揮最佳的工作效率。聯合收割機19在工作過程中是一個非線性時變且有大延時的複雜系統，各部件的性能狀態，以及作物的性質、地面狀況等隨時都在變化，聯合收割機19負荷或總損失量很難與其影響因素之間建立精確的數學模型，這就給傳統控制理論應用帶來很大的困難，模糊控制理論基於專家經驗、規則和自學習功能，根據被控對象測量值及變化量進行推理，使控制目標穩定在預期值附近，而不必要知道被控對象的數學模型，從而為解決聯合收割機19的控制問題提供有效途徑。如圖3所示，本發明將模糊控制技術應用於聯合收割機19的負荷反饋控制系統，聯合收割機19的控制系統是個多輸入控制系統，建立多信息融合模糊控制模型。利用多種傳感器分別測得餵入量、脫粒滾筒轉速、輸糧攪龍轉速、損失量、當前的前進速度等信號並進行預處理後與各自的設定值做比較，建立各自的模糊控制器，也即圖3中的脫粒滾筒轉速模糊控制器、餵入量模糊控制器、輸糧攪龍轉速模糊控制器、損失量模糊控制器；根據其對系統的匹配程度加以不同的權值，以餵入量和滾筒轉速作為主要的輸入控制量，輸糧攪龍轉速和損失量的值作為監測量，經過優化處理和判斷決策來控制聯合收割機的行駛速度c控制器21根據所建立的多信息融合模糊控制模型選擇相應的控制策略控制電機驅動器17工作，基本控制策略是:當聯合收割機19餵入量過大，脫粒滾筒轉速急劇下降時做停機報警處理；當聯合收割機19餵入量增大，滾筒轉速下降到最佳轉速的90%時，做減速觀察調整操作，釆用降低前進速度來減少餵入量，釋放脫粒滾筒的負荷，達到減少故障發生率；當脫粒滾筒和輸糧攪龍未滿負荷工作時，及時增加前進速度，提高工作效率；當餵入量、脫粒滾筒、輸糧攪龍都工作在最佳工作狀態，損失量未超標時控制系統保持當前速度，使機組工作在最佳狀態。其中，前進速度的調整情況由多信息融合模糊控制算法決定。以下以脫粒滾筒轉速模糊控制器的設計為例來說明多個控制器的設計過程。脫粒滾筒轉速控制策略選取二維模糊控制器，輸入量為轉速偏差RE和偏差變化率REC，輸出量為聯合收割機19的行駛速度的調節量M。定義脫粒滾筒轉速偏差RE和脫粒滾筒轉速偏差變化率REC的模糊集為{NL,醒,NS，Z0,PS，PM，PL}，取E、EC的基本論域為[-66],W的基本論域為[O1]，隸屬函數選用trimf型，根據RE和REC採用Mamdani模糊模型建立模糊控制規則如表1所示，經模糊控制的模糊化、模糊推理和反模糊化輸出到控制對象。表ltableseeoriginaldocumentpage7同理，建立二維的餵入量模糊控制器，根據實際精度需要來選取不同的模糊集，餵入量的偏差RE和偏差變化率REC的模糊集為(NL,NS，ZO，PS,PL}，取E、EC的基本論域為[-33]，C/2的基本論域為,根據RE和REC採用Mamdani模糊模型建立模糊控制規則；輸糧攪龍轉速模糊控制器和損失量模糊控制器其偏差RE和偏差變化率REC的模糊集為{NL，NS，Z0，PS,PL}，取E、EC的基本論域為[-33],"和C/4的基本論域為，根據E和EC採用Mamdani模糊模型建立模糊控制規則，根據C/,.對系統的匹配程度加以不同的權值，進入優化處理後選擇相應的控制策略調節聯合收割機的前進速度，實現負荷反饋自動控制。根據以上設計的各個模糊控制器的輸出為[/,.，其對系統的匹配程度加以不同的權重為義,.，系統的總輸出為C/，建立融合模型=J]叫=禍+W+早3+義//4(1)式(1)中^、4為脫粒滾筒模糊控制器的輸出值和匹配權重C/2、^為餵入量模糊控制器的輸出值和匹配權重"3、^為輸糧攪龍模糊控制器的輸出值和匹配權重C/4、^為損失量模糊控制器的輸出值和匹配權重如圖4所示，聯合收割機19的負荷反饋控制器主程序進行系統初始化後，首先調用數據採集子程序、調用液晶顯示子程序且調用判斷報警子程序，進行數據採集、顯示和故障判斷，若有故障則報警，若無故障則判斷調速執行機構18是採用手動還是自動工作方式，如果選擇自動工作方式，則調用多信息融合模糊控制算法子程序，如圖5所示，多信息融合模糊控制算法子程序依序為調用輸入量模糊化子程序、調用規則庫和資料庫、調用模糊推理子程序、調用輸出量反模糊化子程序、調用多信號融合子程序和調用控制策略。然後根據算法結果判斷是否需要調整前進速度，若需要調整前進速度，則調用電機控制子程序對前進速度進行合理調控，從而完成聯合收割機19的負荷反饋自動控制的功能。權利要求1.一種聯合收割機負荷反饋自動控制裝置，包括具有自動和手動調速的調速執行機構(18)，調速執行機構(18)與聯合收割機(19)連接，其特徵在於該負荷反饋自動控制裝置包括控制器(21)和傳感系統(20)，且與調速執行機構(18)連接，調速執行機構(18)上的按鈕開關(2)分別連接電源(15)、狀態指示燈(16)和電機驅動器(17)；電機驅動器(17)分別連接控制器(21)和調速執行機構(18)中的電機(11)；控制器(21)分別連接液晶顯示器(22)、聲光報警系統(23)和傳感系統(20)；控制器(21)由單片機及其外圍電路組成；傳感系統(20)由多種傳感器及其調理電路組成。2、一種權利要求1的控制方法，其特徵在於採用如下步驟1)未按下按鈕開關(2),聯合收割機(19)進入手動控制；按下按鈕開關(2)，接通電機驅動器(17)的電源，聯合收割機(19)進入自動控制；2)傳感系統(20)採集聯合收割機(19)的各種信號，經過調理電路濾波、穩定後輸入到控制器(21)建立多信息融合模糊控制模型；3)控制器(21)根據所建立的多信息融合模糊控制模型選擇相應的控制策略控制電機驅動器(17)工作，電機驅動器(17)驅動電機(11)轉動，帶動聯合收割機(19)中的液壓無極變速系統(12)實現對聯合收割機(19)行駛速度的自動控制。3、根據權利要求2所述的控制方法，其特徵在於建立多信息融合模糊控制模型的步驟為先利用多種傳感器分別測得各種信號並進行預處理後與各自的設定值比較，建立各自的模糊控制器，再根據其對系統的匹配程度加以不同的權值，最後經過優化處理和判斷決策來控制行駛速度。4、根據權利要求2所述的控制方法，其特徵在於所述控制策略選擇方法為當聯合收割機(19)餵入量過大，聯合收割機(19)的脫粒滾筒轉速急劇下降時做停機報警處理；當聯合收割機(19)餵入量增大，聯合收割機(19)的滾筒轉速下降到最佳轉速的90%時，做減速觀察調整操作；當聯合收割機(19)的脫粒滾筒和輸糧攪龍未滿負荷工作時，增加前進速度；當聯合收割機(19)的餵入量、脫粒滾筒、輸糧攪龍都工作在最佳工作狀態，損失量未超標時保持當前速度。全文摘要本發明公開了一種農業機械領域中的聯合收割機負荷反饋調速裝置及控制方法，該負荷反饋自動控制裝置包括控制器和傳感系統，且與具有自動和手動調速的調速執行機構連接，電機驅動器分別連接控制器和電機；控制器分別連接液晶顯示器、聲光報警系統和傳感系統；控制器由單片機及其外圍電路組成；傳感系統多種傳感器及其調理電路組成，由傳感系統採集聯合收割機工作狀態信號進入控制器進行多信號融合模糊控制算法及預測控制算法等處理，選擇相應的控制策略來驅動執行機構工作，從而實現聯合收割機工作負荷的自動控制，同時實時顯示機組工作狀態，遇到故障時及時進行聲光報警；結構簡潔緊湊，功能靈活全面且便於擴展。文檔編號A01D41/127GK101653069SQ20091018359公開日2010年2月24日申請日期2009年9月15日優先權日2009年9月15日發明者劉繼展,李耀明,李萍萍,王新忠,董進泉,進陳,黃治根申請人:江蘇大學