收获机自动对行控制系统的研究范文

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摘要：

以自走式玉米联合收获机为载体，研制一种玉米联合收获机自动对行控制系统。系统采用TMS320F2407、XC3S500E作为核心控制芯片，通过触摸屏设置控制参数，采用PID控制方式进行对行调节。试验结果表明，该系统在PID调节速度环为800、轮向轮偏转角度值为800、收获机在一档高速作业时自动对行的效果最佳。玉米联合收获机自动对行控制系统实现了收获机割道与基准玉米行的自动对行功能，提高了收获机的自动化程度。

关键词：

自动对行；触摸屏；PID控制；玉米联合收获机

玉米收获机在作业过程中，收获机驾驶员需要不时的调整方向盘，保证割台割道对准玉米行，作业过程中不仅驾驶员劳动强度高，且对行准确性易受人为因素影响，难以保证收获作业的质量。本文以福田雷沃生产的4YZ—4C玉米联合收获机为载体，开发专用控制器，构建玉米联合收获机自动对行控制系统，实现玉米收获机对行作业的自动控制，以提高对行作业的效率和质量、降低操作者的工作强度。

1系统结构与工作原理

1．1系统结构如图1所示，玉米联合收获机自动对行控制系统由触发开关、控制器、触摸屏、电液比例换向阀、液压缸、角度传感器等组成。触发开关是对行动作的信号触发元件，成对安装在玉米联合收获机割道内，两个触发开关前端距离15cm左右；角度传感器检测转向轮的偏转角度，安装在收获机转向轮的转向轴上；控制器和触摸屏是控制系统的核心部件，安装在驾驶室内，方便驾驶员操作。

1．2工作原理玉米收获机安装有触发开关的割道称为对行割道，对行割道所对应的玉米行称为基准玉米行，自动对行控制系统对行动作的成败就是看对行割道是否偏出基准玉米行。启动自动对行控制系统，若玉米秸秆没有碰触到割道两侧的触发开关，自动对行控制系统不动作。收获机对行割道与基准玉米行发生偏离时（未偏出），触发开关与玉米秸秆碰触，触发信号反馈给控制器，控制器随即控制电液比例换向阀［1］，使收获机后部的转向轮向与被触发的触发开关相反的方向转动，角度传感器将检测到的转向轮偏转角度信号反馈到控制器［2］；当转向轮偏转角度达到设定值后，控制器控制电液比例换向阀使转向轮回正；当转向轮回正到设定的中位值时，电液比例换向阀停止动作，控制系统完成一次自动对行动作。

2控制系统设计

2．1硬件设计1）控制器。根据控制要求，开发的自动对行专用控制器，该控制器为0～＋24V宽电压供电，采用TMS320F2407、XC3S500E作为核心控制芯片，算法执行速度快，芯片频率可达250MHZ。控制器包括DSP控制单元、串口通信单元、CAN通信单元、电平转换单元、传感器信号处理单元、模拟量输出单元等单元模块。CAN通信单元实现与触摸屏的实时通讯［3］。模拟量输出模块控制电磁比例换向阀阀芯位移的大小，实现对收获机转向轮转向角度的精确控制。控制器响应速度快，满足系统对实时性的要求。控制器结构框图如图2所示。2）角度传感器。本控制系统对角度传感器的要求：适应农业生产的工作环境，密封性、防护性好；要有较快的响应；满足通用性，能宽电压供电。根据这些要求我们选用了HoneyWell角位移传感器。该传感器测量范围为－45°～＋45°，传感器在0．5～4．5V之间线性输出。3）触摸屏。本系统使用的触摸屏为＋6V～＋42V宽电压供电，搭载迪文DGUS系统，并且集成了单路模拟CVBS格式视频输入，带有数字视频与音频播放功能。控制系统的控制参数和动作状态可以通过触摸屏设置和显示。触摸屏设置界面图如图3所示。4）触发开关。本控制系统对触发开关的要求：密封性、防护性要好；要有较快的响应。根据这些要求选用了欧姆龙WLNJ－55限位开关作为触发开关，为了防止收获机作业过程中杂草缠绕在触发开关上，对限位开关的触发杆进行了相应的改造。

2．2软件设计本系统的控制程序采用LabVIEW编写，控制程序流程图如图4所示。安装控制系统的玉米联合收获机为后轮转向，割台偏转方向与轮胎转向调节的方向相反。控制系统要求每次对行动作完成后收获机转向轮的方向必须与车体行驶方向一致，这就要求转向轮在割台对行完成后必须回正。收获机转向轮的偏转与回正是自动对行控制系统的控制关键。控制器调节比例换向阀，通过转向液压缸控制转向轮的偏转及回正，选取收获机静止回正状态下转向轮角度中位值为A，设定（A－Δh，A）为左偏转动作区间，（A，A＋Δh）为右偏转动作区间，Δh为转向轮偏转角度值。由于机械结构误差及轮胎与地面之间的摩擦等因素影响，转向轮回正时不容易定位在一个固定值，为此，自动对行控制系统转向轮偏转和回正调节过程采用离散PID控制方式。

3试验研究

根据玉米收获机驾驶员的经验，玉米收获机对行时在不同作业速度下要调整不同的转向轮转向角度和不同的转向轮转动速度。这要求自动对行控制系统中收获机作业速度、转向轮偏转角度、转向轮转动速度这三个参数要相互匹配。因此，自动对行控制系统要实现自动对行调节需要设定的两个主要参数是：PID调节速度环p；轮向轮偏转角度值Δh。要设定这两个参数，需要选取合适的参数值，并且要对参数取值的匹配性进行试验验证。

3．1PID调节速度环p与转向轮偏转角度Δh选取根据4YZ—4C收获机的机械特性及收获机驾驶员收获作业时的操作经验，Δh值的取值范围为500～1000。通过LabVIEW仿真，p值的取值范围为700～1200，PID仿真程序如图6所示。选取PID调节速度环p和转向轮偏转角度值Δh取值范围内的值进行匹配性验证，具体方法是在收获机静止状态下，通过使能对行触发开关，使转向轮执行偏转和回正动作，若p和Δh两个参数值相匹配则转向轮回正时无振荡。在这种情况下若转向轮完成偏转和回正动作的时间越少则说明p和Δh两个参数值的匹配性越好。试验中每个数据测量5次取平均值，以转向轮完成偏转和回正动作的时间t（s）和转向轮回正时在中位值位置振荡的次数n为衡量参数，试验数据如表1所示。从表1可以看出：PID调节速度环p不变时，转向轮偏转角度值Δh越大，转向轮回正时的振荡次数n越少，转向轮完成偏转和回正动作的时间t越长；转向轮偏转角度值Δh不变时，PID调节速度环p越大，转向轮回正时的振荡次数n越多，转向轮完成偏转和回正动作的时间t越短；振荡次数n越多，转向轮完成偏转和回正动作的时间t越长。试验数据表明，转向轮偏转角度越大越不容易发生超调，但需要较长的调整时间；PID调节速度环越大转向轮转向动作越迅速，但容易发生超调，转向轮回正时容易在中位值位置产生振荡。当转向轮回正时的振荡次数小于2、转向轮完成偏转和回正动作的时间小于2s时，可以判定自动控制系统调节效果良好。根据试验结果，自动对行控制程序中PID调节速度环p可以选用800、900、1000、1100四个数值，转向轮偏转角度值Δh可以选用700、800、900、1000四个数值。选取的数值在收获机田间作业时是否合适还需要通过田间试验来验证。

3．2收获机作业速度v的选取4YZ—4C玉米收获机有三个档位，其中三档为行驶档位（v＝15km／h），工作档位为一档高速（v＝5．5km／h）、二档低速（v＝6．5km／h）和二档中速（v＝7．5km／h）。选用三个工作档位分别进行试验。3．3试验分析收获机在不同作业速度下需要不同的p和Δh值与之相匹配，为了得到自动对行控制系统在4YZ―4C收获机上的最佳工作参数，需要在不同工作速度下对试验选取的参数值进行验证。试验中以100m距离内收获机对行割道偏出基准玉米行的次数N为检验标准，以3次试验结果的平均值作为试验数据。表2为自动对行控制系统田间试验数据。从表2可以看出：1）收获机作业速度v和转向轮偏转角度值Δh不变，PID调节速度环p越大则对行割道偏出基准玉米行的次数N越多。原因是p值越大，转向轮回正时振荡次数增多，对行调节的时间变长，导致对行动作还未完成时对行割道已偏出基准玉米行。2）收获机作业速度v和PID调节速度环p不变，转向轮偏转角度值Δh大于700时，对行割道偏出基准玉米行的次数N随着Δh值的增大而增多。原因是Δh越大，转向轮偏转和回正动作需要的时间越长，同时，Δh变大，收获机割台偏转的角度也变大，割台偏转的角度过大容易使对行割道偏出基准玉米行。转向轮偏转角度值Δh等于700时，虽然转向轮偏转角度较小，但转向轮回正时容易出现振荡，对行调节的时间变长，导致对行割道偏出基准玉米行的次数增多。3）PID调节速度环p和转向轮偏转角度值Δh不变，收获机作业速度v越快则对行割道偏出基准玉米行的次数N越多。原因是收获机作业速度越快，要求完成对行调节动作的时间越短，若在这段时间内对行动作无法完成，对行割道就容易偏出基准玉米行。通过试验可以看出，4YZ―4C玉米收获机安装自动对行控制系统后，收获机一档高速作业，控制程序参数设定为p＝800、Δh＝800时，自动对行效果最好。在兼顾对行效果和收获机作业效率的情况下，可以选用p＝800、Δh＝800、二档低速作业状态。

4结束语

通过试验，本文设计的玉米收获机自动对行控制系统在PID调节速度环为800，轮向轮偏转角度值为800，收获机在一档高速作业状态下自动对行效果最佳。该系统具有稳定性好、控制灵活、扩展性好等特点。本文设计的玉米收获机自动对行控制系统只在一台玉米收获机上进行了试验，通过程序优化和建立控制参数数据库，相信该控制系统能够在不同类型玉米收获机上得到推广和应用，届时玉米收获机对行操作将通过自动对行控制系统完成，这将大大降低操作者的劳动强度，提高玉米收获作业的质量和效率。

作者：陈刚 李青龙 孙宜田 孙永佳 沈景新 何青海 单位：山东省农业机械科学研究院