联合收获机综合监测控制系统研究

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联合收获机综合监测控制系统研究

0 引言

近年来,世界收获机械装备技术正迅速地吸收和应用电子信息科技发展的成果.这与农业面对世

界市场竞争的压力以及集约化、现代化对大型、复杂、高效、节能和环保型农业机械化技术日

益提高的要求密切相关.从发展的角度来看,联合收获机的应用规模、收获性能及自动化程度已

成为现代化农业的一个重要衡量指标.

性能良好的收获机,应在不超过允许损失量的前提下发挥最大的收获效率.收获质量的好坏与收

获机本身的工作状态、操作水平、作物性质及地面形貌等密切相关.随着联合收获机日益向大型

化、技术化、智能化、高速化发展,驾驶员用耳朵很难听到收获机各部位的运转异响及负荷变化

情况,这就迫切需要研究相应的故障监测手段与自动控制方法,对联合收获机各性能参数进行综

合调整.因此,实现联合收获机综合监测控制对推进我国农机化发展及实现农业生产现代化有着

重要的意义.

1 联合收获机工作过程

以目前广为使用的新疆 3 联合收获机为例( 见图 1) ,其工作过程如下:

拨禾轮将作物拨向切割器,切割器将作物割下后,由拨禾轮拨倒在割台上; 割台搅龙将割下的作物

推集到割台中部,并由割台搅龙上的伸缩扒指将作物转向送入倾斜输送器; 然后,由倾斜输送器的

输送链耙把作物喂入切流滚筒、轴流滚筒进行脱粒分离.脱粒分离后的大部分谷粒连同颖壳、杂

穗和碎稿经凹板的栅格筛孔落到抖动板上.当经过抖动板尾部的筛条时,谷粒和颖壳等先从筛条

缝中落下,进入上筛,而短碎茎秆则被筛条托着,进一步被分离.谷粒和颖壳由抖动板落到上筛和下

筛的过程中,受到风机的气流吹散作用,轻的颖壳和碎秆被吹出机外,干净的谷粒落入籽粒升运器

底搅龙,并由谷粒升运器输送进入粮箱; 未脱净的杂余、断穗通过下筛后部的筛孔落入复脱器底

搅龙,并经复脱器二次脱粒后再抛送回到抖动板上再次清选.

2 总体趋势

由联合收获机工作过程可以看出,收获过程需要多个工作部件的相互配合,其工作状态直接影响

收获质量的优劣.联合收获机监测系统就是对系统工况参数、谷物损失、喂入量、行驶速度、割

茬高度及滚筒负荷等进行在线测量.建立监测系统的主要目的有:

①降低故障率,提高收获质量; ②为自动控制系统的建立打下基础; ③降低驾驶员疲劳度.

2. 1 国外总体趋势

自20 世纪90 年代以来,现代联合收获机广泛采用各种电子仪表监视装置以及电器、液压控制和

液压驱动等先进技术,以提高机器的作业质量并使其高效、安全、可靠工作,这是国外联合收获

机发展的一个重要特点. 如New Holland、Deere 等公司的收获机上安装了电子信息、电子驾驶

操纵等系统.CASE 公司、Massey Fergusoh 公司也都在这方面取得了一定的研究成果.

其中,Deere 公司的60 系列收获机已应用 Green-Star 系统,配备了相关传感器与控制系统实现了

喂入量自动控制及自动绘制产量图、粮食水分图、地形等高图等功能. 其新推出的S 系列收获

机以提高性能和生产力为前提,增加如下功能: 在液压挠性割台配置割台高度传感器,自动调节割

台高度及割刀在地面的重力; ProDrive 行走速度系统用按钮替代换挡杆,仅设置收获与转场两个

模式,并可实现动力换挡自动变速; AutoTrac RowSense 系统配置对行传感器,实现自动对行,可收

获倒伏玉米; 在驾驶室增加反吐与粮仓自动开合按钮,实现自动反吐与粮仓自动开合.通过这些系

统的精准控制,Deere S 系列联合收获机即使在多变的收获条件下也能有效地增大喂入量、提高

效率,并降低油耗及收获损失[1],为当今收获机自动监测控制应用的典范.

2. 2 国内总体趋势

目前,国内对联合收获机自动控制系统已经开始进行研究,但仅仅停留在实验室阶段,得到实际应

用的为监测系统.监测对象主要为脱粒滚筒转速、行走速度、发动机工况等,如监视轴流滚筒转

速、复脱器转速及籽粒升运器轴转速.其虽然具有转速故障报警功能,但不能实现在线调整报警

限值,这使其使用范围受到较大限制.如果能在其基础上加上报警限制在线输入、转速故障自动

控制功能,将提高其实用性.

由此可见,国内对联合收获机自动控制的研究停留在系统参数的监测水平上,还未涉及到系统联

合收获机系统工况的自动调整控制.各参数基本上是各自独立处理,彼此之间联系不密切.如何利

用先进的控制理论与技术,将多个参数综合起来进行联合收获机作业过程的综合监测,将是我国

联合收获机智能监测技术研究的发展趋势.

3 监测系统

3. 1 谷物损失监测

谷物损失率是联合收获机的重要收获参数,鉴于收获环境复杂,谷物损失检测比较困难.国外在几

十年前就努力于谷物损失传感器监测研究,现在已有成型的产品, 如CASE、NewhollandTR98 损

失监测单元,但只是显示谷物损失率的变化,不测定具体的损失率.

江苏大学的唐忠、李耀明等对夹带损失进行分析,并设计了传感器进行测量[2 ~3].我国一些监测

公司对谷物损失也进行了深入的研究,在割台上安装传感器计算面积,进而计算单位面积的谷物

损失量; 但目前都处于研究阶段,还没有推广应用.

研究表明,喂入量是影响谷物损失的主要因素,且在一定条件下,随着喂入量的线性增长,谷物损失

成指数规律增长[4].由于影响谷物损失的原因很多,稳定的喂入量并不能获得稳定的谷物损失,这

也就意味着,对喂入量的控制并不能直接表明谷物损失也在控制之中.所以,如果将损失纳入控制

系统,控制效果会更好,这也是联合收获机控制系统一直在研究的问题.

3. 2 产量监测

联合收获机智能在线测产系统是精细农业的重要组成部分,目前世界上许多科学院校和农业设备

制造企业都在研制和开发应用于不同作物的产量监测系统,其中国外一部分测产系统已成功投入

商品化生产.其代表产品有: Deer 的GreenStar 系统,Micro -Trak 的Grain - Trak 系统,Ag Leader 公

司的PFadvan-tage 系统,AGCO 的Field Star 系统,CASE IH 的AFS 系统等[5].其中,Micro - Trak

的测产系统能够显示产量、车速、面积、每小时收割面积等, 存储卡的数据可以导入PC 机进行

复杂数据处理[6].

目前国内还没有商品化的测产系统,只有一些国内院校和研究所进行了一些探索性工作研究."北

京小汤山精准农业示范工程"引进测产系统等先进技术,进行试验研究.上海"精准农业技术有限

公司"开发的水稻联合收获机配套电子测产系统取得了一定成绩.2000 年,中国科学院与上海交通

大学合作对"谷物联合收获机测产系统"进行了大量研究. 中国农业大学1998 年成立了"精细农业

研究中心",2002 年成立由汪懋华牵头的"现代精细农业系统集成研究教育部重点开放试验室"对

测产系统与产量分布图进行了研究,整个系统还处于试验阶段[7].

可见,国内机构普遍采用国外类似机构进行改进,国产化研究目前技术还不成熟,价格高,离实际应

用尚有一段时间要走.

3. 3 喂入量监测

喂入量是联合收获机的主要设计参数和性能参数.收割过程中割台喂入是短暂、时变的,喂入量

很难直接测得,通常采用间接方法表示.目前,通常采用喂入相对平稳的倾斜输送器和脱粒滚筒来

反映喂入量的大小.

利用倾斜输送器来反映喂入量时可检测喂入辊扭矩与转速、底板的压力来反映喂入量变化:

Bruce AlanCoers,Karl Ludwig 与Staiert Richard W 3 人中前者与后两者分别利用测倾斜输送器喂

入辊负荷与转速来检测喂入量的变化[8 -10].陈进利用喂入主动轴扭矩来实时反应倾斜输送器喂

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联合收获机综合监测控制系统研究0引言近年来,世界收获机械装备技术正迅速地吸收和应用电子信息科技发展的成果.这与农业面对世界市场竞争的压力以及集约化、现代化对大型、复杂、高效、节能和环保型农业机械化技术日益提高的要求密切相关.从发展的角度来看,联合收获机的应用规模、收获性能及自动化程度已成为现代化农业的一个重要衡量指标.性能良好的收获机,应在不超过允许损失量的前提下发挥最大的收获效率.收获质量的好坏与收获机本身的工作状态、操作水平、作物性质及地面形貌等密切相关.随着联合收获机日益向大型化、技术化、智能化、高速化发展,驾驶员用耳朵很难听到收获机各部位的运转异响及负荷变化情况,这就迫切需要研究相应的...

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