陸 洲，李江華

(1.包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子商務(wù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014035；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，呼和浩特 010051)

?

基于Delphi可視化編程的旋耕埋草機(jī)功耗檢測(cè)研究

陸 洲1，李江華2

(1.包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子商務(wù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014035；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，呼和浩特 010051)

旋耕埋草機(jī)在作業(yè)過(guò)程中受到的阻力較大，尤其是在土壤粘重的地區(qū)作業(yè)，其功耗問(wèn)題是制約該機(jī)發(fā)展的重要因素。針對(duì)高茬秸稈還田旋耕埋草機(jī)實(shí)際功耗大小不清楚、刀輥?zhàn)鳂I(yè)時(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)與功耗的關(guān)系不明確等問(wèn)題，根據(jù)功耗檢測(cè)的基本原理，采用Delphi可視化編程軟件，設(shè)計(jì)了一種新的旋耕埋草機(jī)功耗檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由4個(gè)模塊組成，包括設(shè)計(jì)采集模塊、傳感器模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和Delphi可視化顯示模塊。將該系統(tǒng)安裝在旋耕埋草機(jī)上，對(duì)其性能進(jìn)行了檢測(cè)，并得到了轉(zhuǎn)速、力矩和功耗等檢測(cè)結(jié)果。該檢測(cè)結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)處理可以在Delphi開(kāi)發(fā)的界面上進(jìn)行可視化顯示，為旋耕埋草機(jī)動(dòng)力分配和節(jié)能降耗的研究提供了可借鑒的數(shù)據(jù)參考。

旋耕埋草機(jī)；功耗檢測(cè)；Delphi界面；可視化

0 引言

秸稈的機(jī)械化還田有利于培肥地力、改良土壤，是現(xiàn)代化生態(tài)農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。高茬秸稈旋耕埋草機(jī)是重要的土壤耕作機(jī)械，同輪式拖拉機(jī)配套使用，耕作1遍即可完成秸稈的破碎、秸稈掩埋、旋耕碎土、田地平整等多種作業(yè)項(xiàng)目，使用范圍廣，作業(yè)效率高，操作簡(jiǎn)便，可以節(jié)省勞動(dòng)力成本，縮短作業(yè)周期。旋耕埋草機(jī)的核心部件是刀輥，其功率消耗是影響旋耕埋草機(jī)作業(yè)性能的重要參數(shù)，直接影響到整機(jī)的作業(yè)性能。因此，只有設(shè)計(jì)合理并且配套的刀輥，才能降低旋耕埋草機(jī)的功耗，對(duì)于旋耕埋草機(jī)功耗的測(cè)試對(duì)刀輥數(shù)據(jù)優(yōu)化、整機(jī)動(dòng)力分配和節(jié)能降耗具有重要的意義。

1 旋耕埋草裝置和功耗測(cè)試Delphi可視化編程

秸稈的機(jī)械化還田可以將收獲后的殘留作物切碎直接翻入土中，從而使其腐爛作為土壤的底肥。該方法省去了砍、捆、運(yùn)、鍘、樞、翻、送、撒等一系列復(fù)雜的作業(yè)工序，降低了成本，實(shí)現(xiàn)了施肥方式的重大變革。秸稈的機(jī)械化還田使用最多的裝置是旋耕埋草裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 旋耕埋草裝置

工作時(shí)，刀輥可以將作物破碎，并埋入土中。該裝置在作業(yè)時(shí)由于受到阻力較大，其功耗較高。由于全球能源危機(jī)，農(nóng)業(yè)機(jī)械功耗越來(lái)越受到關(guān)注，旋耕裝置如果在土壤粘重的地方作業(yè)，其作業(yè)功耗很難被農(nóng)戶(hù)所接受，因此對(duì)旋耕裝置的功耗進(jìn)行測(cè)試和優(yōu)化，具有重要意義。本次設(shè)計(jì)的功耗測(cè)試框架如圖2所示。

圖2 旋耕裝置功耗測(cè)試基本框架

旋耕裝置功耗測(cè)試系統(tǒng)共分為4個(gè)模塊，包括旋耕埋草機(jī)、傳感器、數(shù)據(jù)采集和調(diào)試模塊及虛擬儀器可視化分析模塊。旋耕埋草機(jī)負(fù)責(zé)提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境，傳感器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理，數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集和調(diào)試模塊進(jìn)行分析，最后將這些功能統(tǒng)一集成到Delphi可視化界面上，可以方便地通過(guò)按鈕進(jìn)行操作。其軟件設(shè)計(jì)框架如圖3所示。

圖3 軟件部分設(shè)計(jì)框架

在進(jìn)行功耗測(cè)試時(shí)，首先在Delphi界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后開(kāi)始數(shù)據(jù)采集并將信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)保存，將采集的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析.將分析結(jié)果可視化顯示在Delphi界面，并將結(jié)果保存。為了提高數(shù)據(jù)分析的精度，對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行灰色預(yù)測(cè)分析，將分析結(jié)果顯示和保存后便可以退出系統(tǒng)。

2 旋耕埋草機(jī)功耗檢測(cè)灰色預(yù)測(cè)模型

灰色系統(tǒng)是對(duì)數(shù)據(jù)模糊或者不確定的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)的一種模型。該模型可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)輸出外來(lái)數(shù)據(jù)，利用它可以有效地對(duì)旋耕埋草機(jī)的功耗模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。灰色預(yù)測(cè)模型使用最多的是GM(1,2)模型，它的離散型灰色預(yù)測(cè)模型為

x(k+1)=[(2-Ta)-(1-Ta)z-1]x(k)+

TbΔu(k)

(1)

其中，z-1表示滯后算子；x(k)和x(k+1)表示功耗檢測(cè)數(shù)據(jù)的當(dāng)前實(shí)際輸出和下一個(gè)時(shí)刻的輸出；a和b表示需要預(yù)測(cè)時(shí)的參數(shù)，被稱(chēng)作發(fā)展系數(shù)和灰色作用系數(shù)；T表示采樣周期；u(k)表示控制函數(shù)。這種模型預(yù)測(cè)一般都會(huì)存在誤差，當(dāng)GM模型的精度不高時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)偏差，把因預(yù)測(cè)精度造成的誤差稱(chēng)作預(yù)測(cè)誤差。灰色預(yù)測(cè)系統(tǒng)一般使用3種方法來(lái)檢驗(yàn)誤差，即殘差、關(guān)聯(lián)度、后驗(yàn)差，本次研究取平均誤差為

(2)

E=(1-q)[xr(k+1)-x(k+1)]+

q[xr(k)-x(k)]

(3)

其中，xr(k+1)-x(k+1)和xr(k)-x(k)分別表示預(yù)測(cè)的偏差值和輸出的偏差值，期望值可以取為

xr(k+1)=rxr(k)+(1-r)w

(4)

其中，w為被預(yù)測(cè)對(duì)象輸出的設(shè)定值，0

J=λ1{(1-q)[x(k+1)-xr(k+1)]+

q[x(k)-xr(k)]}2+λ2[Δu(k)]2

(5)

其中，λ1和λ2分別為綜合偏差的控制增量權(quán)系數(shù)。

將公式(1)帶入公式(5)，可得

(6)

(7)

于是最優(yōu)控制量為

u(k)=u(k-1)+Δu(k)

(8)

綜合上述，對(duì)旋耕埋草機(jī)功耗數(shù)據(jù)處理的灰色預(yù)測(cè)模型算法的步驟如下：

1)估計(jì)旋耕埋草機(jī)功耗數(shù)據(jù)模型的參數(shù)，并根據(jù)公式(1)建立灰色預(yù)測(cè)模型；

2)通過(guò)式(2)進(jìn)行計(jì)算；

3)通過(guò)式(4)進(jìn)行計(jì)算；

4)通過(guò)式(7)和式(8)進(jìn)行計(jì)算；

5)返回1)。

通過(guò)以上步驟，便可以通過(guò)對(duì)旋耕埋草機(jī)功耗數(shù)據(jù)的采集，預(yù)測(cè)功耗。利用功耗模型，可以對(duì)旋耕埋草機(jī)的裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低其功耗。

3 可視化界面開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)測(cè)試

為了檢測(cè)旋耕埋草機(jī)功耗，專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了Delphi可視化界面，并采用田間試驗(yàn)的方式，對(duì)旋耕埋草裝置的功耗進(jìn)行測(cè)試。本次試驗(yàn)將旋耕埋草裝置安裝在了普通的免耕播種機(jī)上，如圖4所示。

圖4 免耕播種機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行播種之前，首先需要進(jìn)行旋耕埋草操作，由于秸稈茬較高，因此功率消耗較高。旋耕埋草裝置的作業(yè)過(guò)程如圖5所示。

圖5 旋耕埋草刀輥?zhàn)鳂I(yè)

為了提高功耗檢測(cè)的精確性，利用可視化編程的方式，將灰色預(yù)測(cè)模型引入到旋耕埋草機(jī)的功耗檢測(cè)界面中。在進(jìn)行旋耕埋草機(jī)功耗測(cè)試軟件可視化界面開(kāi)發(fā)時(shí)，為了使界面具有很好的可操作性，本研究采用Delphi軟件進(jìn)行窗口的可視化開(kāi)發(fā)，其界面如圖6所示。

圖6 Delphi軟件可視化窗口界面

通過(guò)Delphi軟件可視化窗口界面(見(jiàn)圖7)的開(kāi)發(fā)，在進(jìn)行旋耕麥草機(jī)功耗檢測(cè)時(shí)，可以很好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)可視化交流，使用戶(hù)不必具備專(zhuān)業(yè)的電腦知識(shí)便可以對(duì)軟件進(jìn)行相關(guān)的操作，在操作時(shí)，只需要操試實(shí)驗(yàn)。

圖7 旋耕埋草機(jī)功耗測(cè)試Delphi界面

在界面中注冊(cè)好用戶(hù)名和密碼后，便可以通過(guò)輸入用戶(hù)名和密碼的方式登錄到Delphi界面，利用Delphi還可以輸出動(dòng)態(tài)曲線，如圖8所示。

在應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)，利用類(lèi)的Create方法創(chuàng)建對(duì)象的方式被稱(chēng)為動(dòng)態(tài)創(chuàng)建方式，創(chuàng)建的對(duì)象被稱(chēng)為動(dòng)態(tài)對(duì)象?？梢岳迷摴δ軐?duì)旋耕埋草機(jī)的功耗曲線進(jìn)行繪制，旋耕埋草機(jī)通過(guò)功耗測(cè)試得到了如表1所示的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

圖8 動(dòng)態(tài)曲線輸出

測(cè)試次數(shù)轉(zhuǎn)速/r·min-1轉(zhuǎn)矩/N·m功耗/kW1156．219．30．382187．521．20．423156．818．50．374176．317．60．355166．116．20．336154．515．30．317149．314．80．288158．715．20．34

將功耗測(cè)試設(shè)備調(diào)試完畢后，根據(jù)調(diào)整拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)速，得到了8組不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功耗數(shù)據(jù)。為了繼續(xù)研究轉(zhuǎn)速和功耗的關(guān)系，功耗轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)關(guān)系的測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 功耗轉(zhuǎn)速曲線

通過(guò)測(cè)試得到的功率范圍在0.35～1.25kW之間，通過(guò)控制油門(mén)手柄，還可以獲得逐級(jí)增大的轉(zhuǎn)速。所以，在田間試驗(yàn)時(shí)可以根據(jù)刀輥?zhàn)鳂I(yè)時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)速情況，得到近似的刀輥轉(zhuǎn)速因素所需要的水平值，為旋耕埋草裝置的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)性指導(dǎo)。

4 結(jié)語(yǔ)

為了對(duì)旋耕埋草機(jī)的功耗問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種新的基于Delphi可視化界面的功耗檢測(cè)系統(tǒng)，并分別設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集模塊、傳感器模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和Delphi可視化顯示模塊，從而解決了旋耕埋草機(jī)作業(yè)過(guò)程中實(shí)際功耗大小不清楚、刀輥?zhàn)鳂I(yè)時(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)與功耗的關(guān)系不明確等問(wèn)題。將該系統(tǒng)安裝在旋耕埋草機(jī)上，對(duì)其性能進(jìn)行了檢測(cè)，并在Delphi可視化界面上對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了顯示。由于時(shí)間和篇幅限制，沒(méi)有對(duì)旋耕埋草機(jī)優(yōu)化后的模型進(jìn)行詳細(xì)分析，在后續(xù)的研究中，可以采用正交實(shí)驗(yàn)的方法，研究不同優(yōu)化組合形式下旋耕埋草機(jī)的作業(yè)性能，從而提出可以推廣的旋耕埋草機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

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Research on Power Detection of Rotary Tillage and Grass Machine Based on Delphi Visual Programming

Lu Zhou1, Li Jianghua2

(1.School of Electronic Commerce, Baotou Light Industry Vocational Technical College, Baotou 014035, China; 2.College of Information Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China)

It is an important factor to restrict the development of the machine Rotary tillage and grass machine in working process by greater resistance, especially in heavy clay soil area and the power consumption. Aiming at the problems of high stubble rotary tillage buried grass machine and actual power consumption value is not clear, operation knife Kun motion parameters and the power consumption of the relationship is not clear, according to the basic principle of power consumption detection by Delphi visual programming software, it designed a new rotary submerged grass machine power detection system.The system consists of four modules,including the design of acquisition module,sensor module,data analysis module and Delphi visual display module. After the system installed on the rotary buried grass machine, its performance were detected, and the detection results of speed, torque and power. Through data processing in Delphi interface display, the detection results shows that a rotary buried grass maneuvering force distribution and energy saving research, which provides useful reference data.

rotary tillage and grass machine; power detection; Delphi interface; visualization

2016-05-05

內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(NJZY16476)

陸 洲 (1981-)，男，內(nèi)蒙古包頭人，副教授，碩士，(E-mail)lz_nmg@sina.com。

李江華(1972-)，男，太原人，副教授，博士。

S222.3

A

1003-188X(2017)08-0048-05