王 淼,伍志丹,黃 鶯

(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 柳州 545616)

0 引言

近年來,隨著社會(huì)發(fā)展和時(shí)代變遷,我國(guó)從事農(nóng)業(yè)的人口數(shù)量大幅減少,可用的土地資源也日益萎縮,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的形勢(shì)極為嚴(yán)峻。目前,我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式開始從小規(guī)模分散經(jīng)營(yíng)向種植大戶集中經(jīng)營(yíng)轉(zhuǎn)變,為農(nóng)業(yè)機(jī)械的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了條件。我國(guó)對(duì)各種農(nóng)業(yè)機(jī)械上研究相比發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚,但是發(fā)展迅速,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化率得到了顯著的提升,一些主要糧食作物已實(shí)現(xiàn)了全程機(jī)械化生產(chǎn)。因此,在現(xiàn)有基礎(chǔ)上,吸收新型技術(shù)提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的整體性能和適應(yīng)性,對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

拖拉機(jī)是數(shù)量最多且通用性最好的農(nóng)業(yè)機(jī)械,可以獨(dú)自用于物資的運(yùn)輸,也能作為農(nóng)業(yè)機(jī)械的牽引動(dòng)力。在很多相關(guān)的研究中,拖拉機(jī)都是各種新型農(nóng)機(jī)技術(shù)的測(cè)試平臺(tái),以驗(yàn)證新型技術(shù)方法的實(shí)用性。土地耕作是拖拉機(jī)的一項(xiàng)重要作業(yè)內(nèi)容,耕作質(zhì)量主要用耕深來反映。耕作深度對(duì)農(nóng)作物的根系生長(zhǎng)和產(chǎn)量有決定性的影響,耕作太深會(huì)破壞大田的土壤結(jié)構(gòu),耕作太淺又會(huì)減弱根系對(duì)養(yǎng)分的吸收。因此,需要在滿足作物正常生長(zhǎng)的基礎(chǔ)上選擇合適的耕作深度,才能達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益[1]。拖拉機(jī)行進(jìn)過程中會(huì)受到地勢(shì)起伏和土壤不均勻的影響,導(dǎo)致耕作深度發(fā)生變化,甚至偏離設(shè)定值較大的范圍。耕深變化降低了拖拉機(jī)的作業(yè)質(zhì)量,增加油耗和農(nóng)機(jī)器具的磨損,是耕作面臨的主要問題[2]。

傳統(tǒng)的耕深控制方法主要為力調(diào)節(jié)、位調(diào)節(jié)和高度調(diào)節(jié),但是高度調(diào)節(jié)使用相對(duì)較少。力調(diào)節(jié)是根據(jù)犁入土越深則拖拉機(jī)所受阻力越大的原理,改變拖拉機(jī)的附著性能,使耕深和輸出功率保持穩(wěn)定;但是,當(dāng)土壤結(jié)構(gòu)不均勻時(shí),相同耕深下的阻力也不同,這就需要通過位調(diào)節(jié)來進(jìn)行彌補(bǔ)[3]。位調(diào)節(jié)是將位移傳感器安裝在拖拉機(jī)的作業(yè)部件上監(jiān)測(cè)耕深,與設(shè)定值比較后根據(jù)結(jié)果進(jìn)行反饋調(diào)節(jié),使耕深迅速恢復(fù)到合適的區(qū)間內(nèi)[4-5]。此外,吳國(guó)楨等對(duì)基于液壓伺服系統(tǒng)的耕深位控制進(jìn)行了研究,闡明了該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和適應(yīng)性[6]。杜巧連等和商高高等分別測(cè)試了電液耕深控制方法在位控制和力控制中的效果,發(fā)現(xiàn)該方法的控制精確度高,穩(wěn)定性好,具有很大的應(yīng)用價(jià)值[7-8]。李博等為了適應(yīng)山地和丘陵地區(qū)小面積田塊的耕作需求,設(shè)計(jì)了一個(gè)微耕機(jī)的耕深自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng),能夠有效地控制和穩(wěn)定耕深,提高了小型耕作機(jī)械的性能[9]。

目前的拖拉機(jī)耕深控制方法大多為液壓式或電液混合式,具有控制準(zhǔn)確和可靠性高的優(yōu)點(diǎn),但由于采用了閉環(huán)控制和液壓傳動(dòng),控制的實(shí)時(shí)性無法增強(qiáng),對(duì)耕深的調(diào)節(jié)存在一定的滯后,影響了機(jī)械的智能化水平。針對(duì)當(dāng)前我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀,引入電力控制系統(tǒng)可以較好地解決上述的問題。電力控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定的電力運(yùn)行狀態(tài),可以協(xié)調(diào)不同設(shè)備的動(dòng)作和響應(yīng)時(shí)間,實(shí)現(xiàn)對(duì)控制過程的優(yōu)化[10]。在工業(yè)領(lǐng)域,電力控制系統(tǒng)與監(jiān)控軟件結(jié)合,引領(lǐng)了工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[11]。張曉莉等提出基于步進(jìn)電機(jī)的控制算法,提高了冶金電力控制的準(zhǔn)確性[12]。符曉芬和奚秀芳的研究表明:與傳統(tǒng)的方式相比,電力系統(tǒng)在拖拉機(jī)的驅(qū)動(dòng)效能、位置確定和轉(zhuǎn)角控制方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)[13-14]。

目前,電力控制系統(tǒng)已經(jīng)開始應(yīng)用到拖拉機(jī)上,但是還缺少耕深控制相關(guān)的研究和報(bào)導(dǎo)。為此,以電力控制系統(tǒng)為核心,對(duì)拖拉機(jī)的耕深進(jìn)行控制,以期提高耕深控制的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械平臺(tái)

農(nóng)機(jī)平臺(tái)為東方紅LX604型拖拉機(jī),該型拖拉機(jī)的前后輪距分別是165cm和210cm,離地高度35cm,額定輸出功率45kW,行駛速度為2.0～33.5km/h,能為各種作業(yè)機(jī)械提供牽引動(dòng)力。用于耕作的犁為東方紅1L-425鏵式懸掛犁組,由拖拉機(jī)牽引,工作幅寬110cm,耕作深度在12～20cm之間。

耕作深度采用位調(diào)節(jié)和力調(diào)節(jié)共同控制,由米郎KTC型位移傳感器測(cè)定懸掛犁提升臂的位移方向和距離,瑞爾特T302型拉壓傳感器測(cè)定懸掛犁組受到的土壤阻力。拖拉機(jī)的導(dǎo)向輪上安裝JLl8A3型霍爾傳感器用于測(cè)量拖拉機(jī)的行駛速度,3種傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)AD6673型轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給電力控制系統(tǒng);電力控制系統(tǒng)接收傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),將分析結(jié)果與設(shè)定的耕深數(shù)據(jù)比較,確定耕深的修正量后發(fā)出指令;指令經(jīng)過伺服放大器后到達(dá)步進(jìn)電機(jī),電機(jī)按照控制指令正反轉(zhuǎn)動(dòng);分配室內(nèi)的油液在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下重新分配,改變犁體提升臂的位置,以達(dá)到調(diào)節(jié)耕深的目的。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片為東芝TA8435型,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性好,具有二相驅(qū)動(dòng)的功能。作業(yè)前,根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定相應(yīng)的耕深,當(dāng)?shù)貏?shì)起伏或土壤濕度、硬度出現(xiàn)變化導(dǎo)致拖拉機(jī)行進(jìn)的阻力不均勻時(shí),電力控制系統(tǒng)則自動(dòng)設(shè)定電機(jī)速度調(diào)節(jié)耕作深度。農(nóng)機(jī)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 電力控制系統(tǒng)

電力控制系統(tǒng)由拖拉機(jī)的發(fā)電機(jī)提供電源,根據(jù)參數(shù)要求選擇無刷直流電機(jī)作為動(dòng)力源部件,電力的變換電路為全橋式逆變器。系統(tǒng)的主控單元為微芯PIC18F23K型芯片,運(yùn)行速度快,能耗低,內(nèi)部集成了增強(qiáng)型CCP模塊和用于通信的USART模塊。芯片具有模糊控制算法理論和PID自動(dòng)調(diào)節(jié)功能,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)耕深的自動(dòng)控制。系統(tǒng)采集犁體提升臂的位移信號(hào)和力信號(hào),結(jié)合拖拉機(jī)的行駛速度,以模糊算法基于知識(shí)推理庫確定耕深的調(diào)整量和響應(yīng)時(shí)間,形成閉環(huán)調(diào)節(jié)模式,具有較好的適應(yīng)性。系統(tǒng)中安裝顯示屏,用于反映傳感器采集的數(shù)據(jù)信息、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和耕深控制情況。電力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 農(nóng)機(jī)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

圖2 電力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

電力控制系統(tǒng)的軟件參考奚秀芳的研究進(jìn)行設(shè)計(jì),建立行駛速度、提升臂位移和拉壓力等監(jiān)測(cè)參數(shù)與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系模型,以便精確獲得耕深的控制量。核心芯片在計(jì)算耕深調(diào)整量的過程中引入了傳感器采集到的速度、位移、拉壓力等自變量,因此對(duì)性能指標(biāo)的迭代收斂具有良好的效果,實(shí)現(xiàn)電力控制系統(tǒng)對(duì)耕深的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。

3 耕深控制流程

耕深控制系統(tǒng)啟動(dòng)后,首先進(jìn)行初始化,然后傳感器采集數(shù)據(jù)。位移傳感器安裝在拖拉機(jī)上,通過杠桿結(jié)構(gòu)與反映耕深的連桿連接,隨著連桿的位移產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào)。位移傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)與耕深成正比,通過負(fù)反饋與給定信號(hào)形成閉環(huán)控制模型。拉壓傳感器安裝在犁組的應(yīng)變片上,采集上拉桿的受力信號(hào)。拉壓傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)與犁耕阻力成正比,通過例反饋與給定信號(hào)形成第二反饋回路。

核心芯片將反饋的耕深數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較,若實(shí)際耕深在設(shè)定的范圍內(nèi),則繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè);若實(shí)際耕深超出設(shè)定的范圍,則進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)耕深的調(diào)節(jié)以位調(diào)節(jié)為主,以力調(diào)節(jié)為輔,使耕深回歸到設(shè)定的范圍內(nèi)。當(dāng)實(shí)際耕深大于設(shè)定值時(shí),步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng),反之則反向轉(zhuǎn)動(dòng)。在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,液壓油流進(jìn)或流出分配室的油缸,從而帶動(dòng)犁體提升臂的升降,最終達(dá)到控制耕深的效果。耕深自動(dòng)控制流程如圖3所示。

圖3 耕深自動(dòng)控制的流程

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了檢測(cè)電力控制系統(tǒng)對(duì)拖拉機(jī)耕作深度的控制效果,在本單位的試驗(yàn)基地中進(jìn)行作業(yè)。試驗(yàn)田塊為旱地,形狀較為規(guī)則,地勢(shì)略有起伏,選擇田塊中100m長(zhǎng)的地段,用拖拉機(jī)耕作。拖拉機(jī)設(shè)置4個(gè)耕作速度分別為3.0 、3.3、3.6、4.0km/h,設(shè)置兩個(gè)耕作深度分別為14cm和18cm,共8個(gè)耕作條件。在每個(gè)耕作地段上均勻選擇10個(gè)點(diǎn),記錄顯示屏上的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)耕深,并測(cè)量實(shí)際耕深,分析與設(shè)定值之間的差異。

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)對(duì)耕深控制的準(zhǔn)確性

續(xù)表1

當(dāng)耕深分別設(shè)置為14cm和18cm時(shí),不同速度下的實(shí)際耕深在13.8～14.3cm和17.7～18.3cm之間,偏離設(shè)置值很小。系統(tǒng)對(duì)耕深的監(jiān)測(cè)也很準(zhǔn)確,最大偏差僅為0.4cm。因此,電力控制系統(tǒng)對(duì)耕深具有很好的控制效果。

5 結(jié)論

在東方紅LX604型拖拉機(jī)上安裝電力控制系統(tǒng),對(duì)牽引的鏵式懸掛犁組耕深進(jìn)行控制。系統(tǒng)以微芯PIC18F23K型芯片為核心,接收傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),分析結(jié)果與設(shè)定的耕深數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,確定耕深的修正量。對(duì)耕深的調(diào)節(jié)以位調(diào)節(jié)為主、力調(diào)節(jié)為輔,步進(jìn)電機(jī)按照控制指令轉(zhuǎn)動(dòng)。分配室內(nèi)的油液在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下重新分配,改變犁體提升臂的位置,以達(dá)到調(diào)節(jié)耕深的效果。在不同的試驗(yàn)條件下,實(shí)際耕深偏離設(shè)置值很小,系統(tǒng)對(duì)耕深的監(jiān)測(cè)也很準(zhǔn)確,表明電力控制系統(tǒng)可以用來提高耕深控制的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。