一種聯合收割機作業速度控制系統及方法
2023-10-09 08:25:24
專利名稱：一種聯合收割機作業速度控制系統及方法
技術領域：
本發明涉及農業機械領域，特別是涉及一種聯合收割機作業速度智能控制系統。
背景技術：
聯合收割機可以減少穀物損失量，降低工作強度，提高工作效率，目前國內主要糧 食作物，如玉米、水稻、小麥等的機械化收穫程度已達80%。作物籽粒收穫質量的好壞與聯 合收割機本身的工作狀態、操作水平、作物屬性及田間地貌等有密切相關。大的作業速度 可以提高生產效率，但作業速度太快，會使脫粒滾筒過載，甚至造成堵塞，提高作物脫粒損 失率，增加總損失量。為了將收穫總損失量控制在允許範圍內，機手在操作聯合收割機過程 中，需要密切關注機器工作狀態，但目前只能憑藉個人經驗，依靠視覺和聽覺識別故障，手 動調節作業速度，綜合調整各性能參數，無法滿足大面積收穫作業的需要。因而實現聯合收 割機的自動控制對農業生產有著重要的意義。聯合收割機作業速度自動控制的目的是使脫粒滾筒負荷穩定，保持合理、均勻的 餵入量，使整機損失量不超過允許值。目前，基於餵入量的聯合收割機作業速度自動控制系 統研究較多、應用較廣。現有技術公開的機-液式作業速度控制系統的結構和原理，如圖 1所示傳感器11測量傾斜輸送器鏈條的浮動量，當其超過一定值時，拉絲12拉動分配閥 14，使作業機構的圓盤16的油缸15動作，改變變速器的傳動比，從而使餵入量穩定在設定 值附近。另一種現有技術設計了一種單片機核心的作業自動控制系統，通過檢測餵入主動 軸的扭矩間接測定餵入量，基於餵入量的變化，由單片機發出指令控制液壓油路電磁閥開 閉，進而控制作業無級變速器，實現對收割機作業速度的自動控制。上述現有技術存在以下不足田間地貌環境複雜，收穫作業的震動和起伏較大，如 圖1所示，要求機械感應傳感器的靈敏度應較低，導致感受餵入量變化的能力較差。且傳動 機構和速度調節裝置為機械連接，時滯性較大，不能及時對餵入量變化作出反應。該系統的 速度調節區間較小。第二種現有技術採用了自動化程度較高的控制系統設計，具有一定的實用價值。 但電磁液壓閥控制時間存在間隔，調節精度有限，頻繁啟停易造成電磁閥過熱；且電磁液壓 閥對油路介質潔淨度要求較高，劣質油會嚴重影響系統可靠性和使用壽命。綜合上述兩種現有技術，單純以餵入量作為衡量標準控制作業速度，不能很好的 體現如穀物乾濕度、草谷比、地面狀況等複雜因素影響，控制準確度不高。
發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是如何提高聯合收割機作業速度的控制準確度。( 二 )技術方案為解決上述技術問題，提供一種聯合收割機作業速度控制系統，包括計算單元，用於對接收到的數據進行處理獲得理想作業速度，並根據所述理想作業速度發出控制指令；測控箱，用於採集傳感器組獲取的數據並傳遞給計算單元，以及將計算單元的控 制指令轉化為脈衝控制信號，並輸出給電機驅動器；電機驅動器，用於接收所述脈衝控制信號並控制執行機構依據控制指令工作；傳感器組，用於獲取脫粒滾筒扭矩、脫粒滾筒轉速、發動機轉速、作業速度和無級 變速油缸行程。優選地，所述測控箱包括控制模塊，用於將計算單元的控制指令轉化為脈衝控制信號，並輸出給電機驅動 器；數據採集模塊，用於採集傳感器組的數據，並將所述數據傳送給計算單元。優選地，所述執行機構，包括依次連接的步進電機、轉向器、無級變速油缸和無級 變速圓盤。優選地，所述步進電機與所述轉向器之間通過聯軸器連接。優選地，所述傳感器組包括脫粒滾筒扭矩傳感器、脫粒滾筒轉速傳感器、發動機轉 速傳感器、作業速度傳感器和無級變速油缸行程傳感器，分別用於獲取脫粒滾筒扭矩、脫粒 滾筒轉速、發動機轉速、作業速度和無級變速油缸行程。本發明還提供了一種聯合收割機作業速度控制方法，包括步驟Si，由傳感器組採集聯合收割機的脫粒滾筒扭矩、脫粒滾筒轉速、發動機轉速和作 業速度數據；S2，利用測控箱獲取所述數據；S3，利用計算單元對上述數據進行處理，得到理想作業速度值，並根據所述理想作 業速度值向電機驅動器發出控制指令；S4，電機驅動器接收所述控制指令並控制執行機構依據所述控制指令工作。優選地，當測控箱檢測到的實際作業速度與所述理想作業速度值不符，則計算單 元發出控制指令，步進電機驅動轉向器旋轉，以調整油路方向和油缸內油量。(三)有益效果本系統能夠確定聯合收割機的最佳作業速度，使其自動滿足不同穀物乾濕度、草 谷比、地面狀況及餵入量等收穫質量影響因素的要求。本系統能夠提示機手及時換擋，自動 控制聯合收割機達到並維持最佳作業速度。通過本系統的使用，減少機手操作次數，降低勞 動強度，縮短非最佳作業速度運行時間，提高工作效率，改善收穫質量。
圖1是現有技術的機-液式作業速度控制系統的結構示意圖；圖2是依據本發明實施方式的聯合收割機速度智能控制系統的結構框圖；圖3是依據本發明實施方式的聯合收割機速度智能控制系統的執行機構的結構 框圖；圖4是依據本發明實施方式的聯合收割機速度智能控制系統的結構示意圖。其中，11 傳感器；12 拉絲，13 調節杆，14 分配閥；15 油缸；16 圓盤；21 計算 單元；22 測控箱；23 電機驅動器；24 執行機構；25 傳感器組；221 控制模塊；222 數據採集模塊；241 步進電機；242 轉向器；243 無級變速油缸；244 無級變速圓盤。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施 例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。如圖2所示，本發明提供的聯合收割機作業速度控制系統包括計算單元21，用於 對接收到的數據進行處理並發出以預期作業速度為目標的控制指令；測控箱22，用於採集 傳感器組25獲取的數據並傳遞給計算單元21，以及將計算單元21的控制指令轉化為脈衝 控制信號，並輸出給電機驅動器23 ；電機驅動器23，用於接收所述脈衝控制信號並控制執 行機構M依據控制指令工作；傳感器組25，用於獲取脫粒滾筒扭矩、脫粒滾筒轉速、發動機 轉速、作業速度和無級變速油缸行程。如圖2和圖3所示，測控箱22包括控制模塊221， 用於將計算單元21的控制指令轉化為脈衝控制信號，並輸出給電機驅動器23 ；和數據採集 模塊222，用於採集傳感器組25的數據，並將所述數據傳送給計算單元21。執行機構對，包 括依次連接的步進電機M1、轉向器242、無級變速油缸243和無級變速圓盤M4。步進電機 241與轉向器242之間可以通過聯軸器連接。步進電機241接收來自電機驅動器23的控 制脈衝，電機軸旋轉並帶動轉向器M2。電機每接受一個脈衝旋轉特定角度，即「步距角」， 步距角越小則控制精度越高。轉向器242用於控制油路流動方向和無級變速油缸243的油 量，進而改變無級變速油缸243活塞杆的伸出長度。步進電機241轉動時，帶動轉向器242 內部閥芯與閥套產生相對轉角，當該轉角約為1.5°時，油路開始接通。步進電機241轉過 某一角度不變時，轉向器M2內部閥芯與閥套之間相對轉角變為0°，油路關閉。無級變速 油缸M3內供油量的多少與步進電機Ml的旋轉角度成正比。轉向器M2內部閥芯與閥套 之間相對轉角上限隨轉向器類型不同而有所區別。無級變速圓盤244的傳動比與無級變速 油缸243活塞杆的伸出長度有關，用於實現聯合收割機在某一速度區間的無級變速。伸出 越長則傳動比越小，作業速度越低；伸出越短則傳動比越大，作業速度越高。傳感器組25包 括脫粒滾筒扭矩傳感器、脫粒滾筒轉速傳感器、發動機轉速傳感器、作業速度傳感器和無級 變速油缸行程傳感器，分別用於獲取脫粒滾筒扭矩、脫粒滾筒轉速、發動機轉速、作業速度 和無級變速油缸行程。本發明還提供了一種聯合收割機作業速度控制方法，包括步驟Si，利用測控箱22 獲取由傳感器組25採集的脫粒滾筒扭矩、脫粒滾筒轉速、發動機轉速、作業速度數據；S2， 利用計算單元21對上述數據進行處理，得到理想作業速度值，並根據所述理想作業速度值 向電機驅動器23發出控制指令；S3，電機驅動器23接收所述控制指令並控制執行機構M 依據所述控制指令工作。當測控箱22檢測到的實際作業速度與所述理想作業速度值不符， 則計算單元21發出控制指令，步進電機241驅動轉向器242旋轉，以調整油路方向和油缸 內油量。聯合收割機在收穫某一確定穀物時，首先依據聯合收割機廠家的推薦收穫檔位， 採用手動操作方式，進行正常收穫，同時利用本系統專用測控箱22進行收穫過程信息採 集，包括脫粒滾筒扭矩T、脫粒滾筒轉速ω、發動機轉速ω 和作業速度ν等。然後通過 計算單元21對上述信息進行處理，分析當前的田間狀況和穀物屬性，獲得最佳的脫粒滾筒 功率P。將此時的作業速度設定為作業速度智能控制的理想值，本系統則以本理想值來控制輸出信號，同時通過脫粒滾筒扭矩傳感器、脫粒滾筒轉速傳感器、發動機轉速傳感器等檢測 聯合收割機工作狀態，通過無級變速油缸行程傳感器等對是否達到無級變速油缸M3的活 塞杆伸出上限(或下限)進行判定，通過作業速度傳感器檢測實際作業速度V，再通過計算 機的比較計算後對輸出信號進行調整，實現作業速度的閉環控制；其控制算法採用PID控 制。當實際速度仍低於理想作業速度值，且無級變速油缸243活塞杆伸出長度已接近 下限時，計算單元21發出報警，機手可採用人工幹預的方式，手動換檔至更高檔位。本系統 則自動通過傳感器的反饋改變輸出信號，調整油路方向和油缸內油量，從而儘快接近或達 到理想作業速度值。相反，當實際速度仍高於理想作業速度值，且油缸243活塞杆伸出長度已接近上 限時，計算機單元也會發出報警，機手採用人工幹預方式，手動換檔至較低檔位。本系統自 動通過傳感器的反饋改變輸出信號，調整油路方向和油缸內油量，從而儘快接近或達到理 想作業速度值。本系統採用了影響餵入量和穀物屬性的多參數檢測作為控制依據，包括脫粒滾筒 扭矩T、脫粒滾筒轉速ω、發動機轉速ω 和作業速度ν等，上述參數均能準確獲得。其 中脫粒滾筒功率P =脫粒滾筒扭矩TX脫粒滾筒轉速ω，能夠更全面地反映穀物屬性信息， 該參數處於合適的值域內時，聯合收割機具有良好的收穫質量、較高的收穫效率，較低的能 源消耗率和收穫損失率。由以上實施例可以看出，本發明實施例通過對脫粒滾筒扭矩、脫粒滾筒轉速、發動 機轉速和作業速度等多參數進行準確檢測，分析並確定聯合收割機最佳作業速度，降低幹 溼度、草谷比等穀物屬性、地面狀況及餵入量的影響。利用計算機自動控制聯合收割機作業 速度，反應時間短，控制準確。利用計算機實時監控工作狀態，必要時發出報警，機手可手動 幹預，手動幹預始終具有最高控制權。在原有聯合收割機基礎上添加全液壓轉向器，利用步 進電機驅動全液壓轉向器，實現液壓油路方向和油量的準確控制。改裝簡便，易於實現。本 自動控制系統可有效降低機手勞動強度，提高工作效率，改善收穫質量。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型 也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種聯合收割機作業速度控制系統，其特徵在於，包括計算單元(21)，用於對接收到的數據進行處理獲得理想作業速度，並根據所述理想作 業速度發出控制指令；測控箱(22)，用於採集傳感器組0 獲取的數據並傳遞給計算單元，以及將計算 單元的控制指令轉化為脈衝控制信號，並輸出給電機驅動器03)；電機驅動器(23)，用於接收所述脈衝控制信號並控制執行機構04)依據控制指令工作；傳感器組(25)，用於獲取脫粒滾筒扭矩、脫粒滾筒轉速、發動機轉速、作業速度和無級 變速油缸行程數據。
2.如權利要求1所述的聯合收割機作業速度控制系統，其特徵在於，所述測控箱02) 包括控制模塊021)，用於將計算單元的控制指令轉化為脈衝控制信號，並輸出給電 機驅動器03)；數據採集模塊022)，用於採集傳感器組0 的數據，並將所述數據傳送給計算單元 01)。
3.如權利要求1所述的聯合收割機作業速度控制系統，其特徵在於，所述執行機構 (M)，包括依次連接的步進電機(Ml)、轉向器( 、無級變速油缸( 和無級變速圓盤 (244)。
4.如權利要求3所述的聯合收割機作業速度控制系統，其特徵在於，所述步進電機 (241)與所述轉向器( 之間通過聯軸器連接。
5.如權利要求1所述的聯合收割機作業速度控制系統，其特徵在於，所述傳感器組 (25)包括脫粒滾筒扭矩傳感器、脫粒滾筒轉速傳感器、發動機轉速傳感器、作業速度傳感器 和無級變速油缸行程傳感器，分別用於獲取脫粒滾筒扭矩、脫粒滾筒轉速、發動機轉速、作 業速度和無級變速油缸行程。
6.一種聯合收割機作業速度控制方法，其特徵在於，包括步驟Si，由傳感器組0 採集聯合收割機的脫粒滾筒扭矩、脫粒滾筒轉速、發動機轉速和 作業速度數據；S2，利用測控箱0 獲取所述數據；S3，利用計算單元對上述數據進行處理，得到理想作業速度值，並根據所述理想 作業速度值向電機驅動器發出控制指令；S4,電機驅動器03)接收所述控制指令並控制執行機構04)依據所述控制指令工作。
7.如權利要求6所述的聯合收割機作業速度控制方法，其特徵在於，當測控箱02)檢 測到的實際作業速度與所述理想作業速度值不符，則計算單元發出控制指令，步進電 機(Ml)驅動轉向器042)旋轉，以調整油路方向和油缸內油量。
全文摘要
本發明公開了一種聯合收割機作業速度控制系統及方法。該系統包括計算單元，用於對接收到的數據進行處理並發出以預期作業速度為目標的控制指令；測控箱，用於採集傳感器組獲取的數據並傳遞給計算單元，以及將計算單元的控制指令轉化為脈衝控制信號，並輸出給電機驅動器；電機驅動器，用於接收所述脈衝控制信號並控制執行機構依據控制指令工作；傳感器組，用於獲取脫粒滾筒扭矩、脫粒滾筒轉速、發動機轉速、作業速度和無級變速油缸行程。本系統能夠確定聯合收割機的最佳作業速度，使其自動滿足不同穀物乾濕度、草谷比、地面狀況及餵入量等收穫質量影響因素的要求。
文檔編號A01D41/127GK102077730SQ20101057754
公開日2011年6月1日 申請日期2010年12月2日 優先權日2010年12月2日
發明者康峰, 王書茂, 羅瑞龍 申請人:中國農業大學