一种油菜联合收割机的转速闭环控制系统及控制方法技术方案

一种油菜联合收割机的转速闭环控制系统及控制方法，收割机的脱粒滚筒和清选风机分别配设有步进电机、减速器和转速传感器，转速传感器检测脱粒滚筒/清选风机的转速并输入控制器，步进电机‑减速器‑脱粒滚筒/清选风机‑控制器构成两路耦合PID闭环控制，工控机向控制器提供含杂率、喂入量和损失率参数作为参考输入。闭环控制根据参考输入和实际输出在线辨识系统模型参数，根据多变量解耦的自校正PID算法实时计算控制器输出，实现对脱粒滚筒和清选风机的转速闭环控制。本发明专利技术在线辨识油菜联合收割机工作状态数学模型，在此基础上用控制算法寻找控制效果最优参数，降低油菜籽的含杂率和损失率，解决滚筒及风机转速受干扰影响波动较大的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种油菜联合收割机的转速闭环控制系统及控制方法
本专利技术属于机电控制
，涉及油菜收割机的的脱粒滚筒及清选风机的控制，为一种油菜联合收割机的转速闭环控制系统。
技术介绍
现代农业装备智能化，对油菜联合收割机的收获效率提出了更高的要求。其中，损失率是衡量收获效率的重要指标，也是农业装备检测验收的主要指标之一。清选风机的转速是损失率的主要影响因素之一，脱粒滚筒的转速对于油菜籽粒的损失也有一定影响。在发动机油门和负载两者干扰下，滚筒以及风机的转速会发生明显的波动，使得收获速度以及损失率不能达到预期目标。现阶段收获装备控制滚筒、风机转速，多依赖于机械传动装置，缺乏独立、稳定、智能化的控制手段，损失率、含杂率高。并且关于损失率的多种影响因素耦合性较强，难以定量分析各因素耦合关系，因此需要添加一个控制系统，在线辨识油菜联合收割机工作状态数学模型，在此基础上用控制算法寻找控制效果最优参数，降低油菜籽的含杂率和损失率。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是：油菜联合收割机中，在发动机油门和负载两者干扰下，滚筒以及风机的转速会发生明显的波动，影响工作效率，油菜籽收获的含杂率和损失率不能达到预期。本专利技术的技术方案为：一种油菜联合收割机的转速闭环控制系统，收割机的脱粒滚筒和清选风机分别配设有步进电机、减速器和转速传感器，转速传感器检测脱粒滚筒/清选风机的转速并输入控制器，步进电机-减速器-脱粒滚筒/清选风机-控制器构成两路耦合PID闭环控制，控制器连接工控机，工控机向控制器提供作物喂入量、含杂率和损失率参数作为参考输入，控制器输出脱粒滚筒和清选风机对应的转速参数。进一步的，收割机设有疏密度摄像头、含杂率摄像头和损失率检测模块，两个摄像头及损失率检测模块均通过数据传输线与工控机连接，疏密度摄像头设置在收割机上部，用于采集收割机前方图像，工控机通过图像识别处理获得作物的疏密度，并计算得到喂入量；含杂率摄像头安装在收割机粮仓上方采集图像，工控机通过图像识别处理获得作物含杂率；损失率检测模块安装于收割机杂质出口处，用于检测作物损失率。作为优选方式，减速器通过无级调速皮带盘连接脱粒滚筒/清选风机，步进电机安装在无级调速皮带盘外侧，由蓄电池供电，通过方向信号线、PWM信号线与工控机连接，减速器为蜗轮蜗杆减速器，减速器固定在步进电机端头，蜗轮蜗杆减速器与无级调速皮带盘通过链条连接，步进电机转动调节无级调速皮带盘的松紧，改变脱粒滚筒/清选风机的转速。作为优选方式，转速传感器为磁性霍尔转速传感器，安装在滚筒及风机/清选风机转轴顶端，输出方式为NPN型集电极开路输出，通过信号输出线连接到控制器，经过上拉电路形成脉冲信号，通过计算一次采样周期内上升沿的数量来计算转速。本专利技术还提供一种油菜联合收割机的转速闭环控制方法，基于上述油菜联合收割机的转速闭环控制系统，对联合收割机的脱粒滚筒和清选风机的转速进行耦合闭环控制，闭环控制的控制对象为脱粒滚筒转速和清选风机转速，输入为作物喂入量、作物含杂率和作物损失率，输出为脱粒滚筒及清选风机转速，转速转化为步进电机的PWM信号及方向信号反馈给步进电机，实现对脱粒滚筒和清选风机的联动转速闭环控制。作为优选方式，根据多变量解耦的自校正PID方法进行PID闭环控制，得到对脱粒滚筒和清选风机转速的最优控制参数输出。本专利技术提供一种油菜联合收割机滚筒及风机转速闭环控制系统及控制方法，根据参考输入和实际输出在线辨识系统模型参数，根据多变量解耦的自校正PID算法实时计算控制器的输出，调节滚筒及风机转速，实现转速的闭环控制，解决滚筒及风机转速受干扰影响波动较大的问题，减少作物收获过程的损失率。与现有技术相比，本专利技术具有如下改进成果：本专利技术采用两路步进电机的方式，单独控制脱离滚筒和清选风机的转速，避免了两者转速在运行过程中受油门控制，难以根据作业情况实时独立调节的问题。由转速传感器实时监测滚筒及风机的运行转速，结合喂入量、含杂率信息、损失数量信息作为闭环控制模型的输入，根据多变量解耦的自校正PID方法实时计算控制器的最优输出，在油门和负载的双重影响下保持转速的稳定，有效降低收获过程中的损失率。整个过程中智能化程度较高，结构简单、操作方便，具有实际的控制效果。现有对联合收割机的闭环控制技术针对转速闭环或者转矩闭环，输入为当前的转速或转矩期望值，输出为转矩或转速。本专利技术是一种基于整个收获流程的系统闭环，以作物喂入量、含杂率和损失率为输入信息，滚筒转速和风机转速为输出信息的闭环控制系统，现有技术的转速闭环系统和转矩闭环系统可以提高转矩或者转速的稳定性，达到局部最优效果，而本专利技术整体收获流程的闭环控制系统直接以作物喂入量、含杂率和损失率三个最终目标作为输入信息，目的在于寻找全局最优结果。从优化的角度来看，本专利技术的控制系统优化目标是一个依据作物喂入量和含杂率动态变化的转速目标，而非单纯人工对收割机设置的转速或者转矩，具有更好的环境适应性，使得收割机的工作稳定且能自动适应实际作业情况。现有闭环控制系统运用PID算法或者模糊算法，在不同的田间环境下需要经过实验来调整控制器的参数。油菜联合收割机控制系统中的变量在收获过程中耦合关系复杂并且具有较大非线性，实际情况中割台的高度、油菜高度、密度、收割机前进速度等均对喂入量有影响。本专利技术结合运用自校正PID算法可以在线辨识控制系统的数学模型，定量分析各变量之间的耦合关系。在不同地理环境下，为在线调节控制器的参数提供可靠依据。确定油菜从割台开始最终传送到粮仓的传送时间，可以调整自校正PID中的滞后算子确给定滞后信息。本专利技术经由安装于驾驶室上方的和粮仓中的摄像头，通过图像识别算法得到疏密度和含杂率信息。疏密度信息结合油菜高度和割台高度信息及前进速度计算得到的喂入量信息，置信度更高。本专利技术控制系统中，两路步进电机的旋转角度为滚筒及风机转速的主要影响因素，滚筒及风机转速在闭环控制模式下避免了发动机功率的影响。联合收割机的滚筒及风机系统中各变量的耦合性较强，从经验上可知：喂入量变化，需相应调整滚筒和风机转速，然而风机转速过大会增大损失率，转速过小会导致含杂率的上升，滚筒转速过小无法正常完成脱粒，转速过大造成作物损失或损坏，即以损失率与含杂率为综合优化目标时，减小损失率必然导致含杂率的上升，减小含杂率必然导致损失率的上升。滚筒转速及风机转速均影响含杂率、损失率，本专利技术以含杂率、损失率为控制系统的输入信息计算滚筒及风机的转速，因此本专利技术控制系统并不能简单割裂为滚筒及风机两套控制系统，而是一个联合闭环控制系统。传统的PID算法是提取期望值与实际值的误差信息，以减小误差为目标进行控制。误差信息包含当前误差、误差的变化率、误差的累积，离线情况下控制器分别调节比例参数、微分参数、积分参数，达到稳态状态下实际值变化跟踪期望值变化的目的。联合收割机的滚筒及风机系统中，田间环境的变化、作物种类的变化都会影起系统数学模型的变化，液压、皮带等传动系统非线性环节严重，作物在整个收获周期的各环节间有一定时滞，传统的固定参数控制器不能满足控制系统性能要求，需本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种油菜联合收割机的转速闭环控制系统，其特征是收割机的脱粒滚筒和清选风机分别配设有步进电机、减速器和转速传感器，转速传感器检测脱粒滚筒/清选风机的转速并输入控制器，步进电机-减速器-脱粒滚筒/清选风机-控制器构成两路耦合PID闭环控制，控制器连接工控机，工控机向控制器提供作物喂入量、含杂率和损失率参数作为参考输入，控制器输出脱粒滚筒和清选风机对应的转速参数。/n

【技术特征摘要】
1.一种油菜联合收割机的转速闭环控制系统，其特征是收割机的脱粒滚筒和清选风机分别配设有步进电机、减速器和转速传感器，转速传感器检测脱粒滚筒/清选风机的转速并输入控制器，步进电机-减速器-脱粒滚筒/清选风机-控制器构成两路耦合PID闭环控制，控制器连接工控机，工控机向控制器提供作物喂入量、含杂率和损失率参数作为参考输入，控制器输出脱粒滚筒和清选风机对应的转速参数。


2.根据权利要求1所述的一种油菜联合收割机的转速闭环控制系统，其特征是收割机设有疏密度摄像头、含杂率摄像头和损失率检测模块，两个摄像头及损失率检测模块均通过数据传输线与工控机连接，疏密度摄像头设置在收割机上部，用于采集收割机前方图像，工控机通过图像识别处理获得作物的疏密度，并计算得到喂入量；含杂率摄像头安装在收割机粮仓上方采集图像，工控机通过图像识别处理获得作物含杂率；损失率检测模块安装于收割机杂质出口处，用于检测作物损失率。


3.根据权利要求1所述的一种油菜联合收割机的转速闭环控制系统，其特征是减速器通过无级调速皮带盘连接脱粒滚筒/清选风机，步进电机安装在无级调速皮带盘外侧，由蓄电池供电，通过方向信号线、PWM信号线与工控机连接，减速器为蜗轮蜗杆减速器，减速器固定在步进电机端头，蜗轮蜗杆减速器与无级调速...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛博，张舟，朱张青，陈春林，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32