0 引言
近年來,世界收獲機械裝備技術正迅速地吸收和應用電子信息科技發展的成果.這與農業面對世界市場競爭的壓力以及集約化、現代化對大型、復雜、高效、節能和環保型農業機械化技術日益提高的要求密切相關.從發展的角度來看,聯合收獲機的應用規模、收獲性能及自動化程度已成為現代化農業的一個重要衡量指標.
性能良好的收獲機,應在不超過允許損失量的前提下發揮最大的收獲效率.收獲質量的好壞與收獲機本身的工作狀態、操作水平、作物性質及地面形貌等密切相關.隨著聯合收獲機日益向大型化、技術化、智能化、高速化發展,駕駛員用耳朵很難聽到收獲機各部位的運轉異響及負荷變化情況,這就迫切需要研究相應的故障監測手段與自動控制方法,對聯合收獲機各性能參數進行綜合調整.因此,實現聯合收獲機綜合監測控制對推進我國農機化發展及實現農業生產現代化有著重要的意義.
1 聯合收獲機工作過程
以目前廣為使用的新疆 3 聯合收獲機為例\\( 見圖1\\) ,其工作過程如下:
撥禾輪將作物撥向切割器,切割器將作物割下后,由撥禾輪撥倒在割臺上; 割臺攪龍將割下的作物推集到割臺中部,并由割臺攪龍上的伸縮扒指將作物轉向送入傾斜輸送器; 然后,由傾斜輸送器的輸送鏈耙把作物喂入切流滾筒、軸流滾筒進行脫粒分離.脫粒分離后的大部分谷粒連同穎殼、雜穗和碎稿經凹板的柵格篩孔落到抖動板上.當經過抖動板尾部的篩條時,谷粒和穎殼等先從篩條縫中落下,進入上篩,而短碎莖稈則被篩條托著,進一步被分離.谷粒和穎殼由抖動板落到上篩和下篩的過程中,受到風機的氣流吹散作用,輕的穎殼和碎稈被吹出機外,干凈的谷粒落入籽粒升運器底攪龍,并由谷粒升運器輸送進入糧箱; 未脫凈的雜余、斷穗通過下篩后部的篩孔落入復脫器底攪龍,并經復脫器二次脫粒后再拋送回到抖動板上再次清選.
2 總體趨勢
由聯合收獲機工作過程可以看出,收獲過程需要多個工作部件的相互配合,其工作狀態直接影響收獲質量的優劣.聯合收獲機監測系統就是對系統工況參數、谷物損失、喂入量、行駛速度、割茬高度及滾筒負荷等進行在線測量.建立監測系統的主要目的有:
①降低故障率,提高收獲質量; ②為自動控制系統的建立打下基礎; ③降低駕駛員疲勞度.
2. 1 國外總體趨勢
自 20 世紀 90 年代以來,現代聯合收獲機廣泛采用各種電子儀表監視裝置以及電器、液壓控制和液壓驅動等先進技術,以提高機器的作業質量并使其高效、安全、可靠工作,這是國外聯合收獲機發展的一個重要特點.如 New Holland、Deere 等公司的收獲機上安裝了電子信息、電子駕駛操縱等系統.CASE 公司、Massey Fergusoh 公司也都在這方面取得了一定的研究成果.
其中,Deere 公司的 60 系列收獲機已應用 Green-Star 系統,配備了相關傳感器與控制系統實現了喂入量自動控制及自動繪制產量圖、糧食水分圖、地形等高圖等功能.其新推出的 S 系列收獲機以提高性能和生產力為前提,增加如下功能: 在液壓撓性割臺配置割臺高度傳感器,自動調節割臺高度及割刀在地面的重力; ProDrive 行走速度系統用按鈕替代換擋桿,僅設置收獲與轉場兩個模式,并可實現動力換擋自動變速; AutoTrac RowSense 系統配置對行傳感器,實現自動對行,可收獲倒伏玉米; 在駕駛室增加反吐與糧倉自動開合按鈕,實現自動反吐與糧倉自動開合.通過這些系統的精準控制,Deere S 系列聯合收獲機即使在多變的收獲條件下也能有效地增大喂入量、提高效率,并降低油耗及收獲損失[1],為當今收獲機自動監測控制應用的典范.
2. 2 國內總體趨勢
目前,國內對聯合收獲機自動控制系統已經開始進行研究,但僅僅停留在實驗室階段,得到實際應用的為監測系統.監測對象主要為脫粒滾筒轉速、行走速度、發動機工況等,如監視軸流滾筒轉速、復脫器轉速及籽粒升運器軸轉速.其雖然具有轉速故障報警功能,但不能實現在線調整報警限值,這使其使用范圍受到較大限制.如果能在其基礎上加上報警限制在線輸入、轉速故障自動控制功能,將提高其實用性.
由此可見,國內對聯合收獲機自動控制的研究停留在系統參數的監測水平上,還未涉及到系統聯合收獲機系統工況的自動調整控制.各參數基本上是各自獨立處理,彼此之間聯系不密切.如何利用先進的控制理論與技術,將多個參數綜合起來進行聯合收獲機作業過程的綜合監測,將是我國聯合收獲機智能監測技術研究的發展趨勢.
3 監測系統
3. 1 谷物損失監測
谷物損失率是聯合收獲機的重要收獲參數,鑒于收獲環境復雜,谷物損失檢測比較困難.國外在幾十年前就努力于谷物損失傳感器監測研究,現在已有成型的產品,如 CASE、NewhollandTR98 損失監測單元,但只是顯示谷物損失率的變化,不測定具體的損失率.
江蘇大學的唐忠、李耀明等對夾帶損失進行分析,并設計了傳感器進行測量[2 ~3].我國一些監測公司對谷物損失也進行了深入的研究,在割臺上安裝傳感器計算面積,進而計算單位面積的谷物損失量; 但目前都處于研究階段,還沒有推廣應用.
研究表明,喂入量是影響谷物損失的主要因素,且在一定條件下,隨著喂入量的線性增長,谷物損失成指數規律增長[4].由于影響谷物損失的原因很多,穩定的喂入量并不能獲得穩定的谷物損失,這也就意味著,對喂入量的控制并不能直接表明谷物損失也在控制之中.所以,如果將損失納入控制系統,控制效果會更好,這也是聯合收獲機控制系統一直在研究的問題.
3. 2 產量監測
聯合收獲機智能在線測產系統是精細農業的重要組成部分,目前世界上許多科學院校和農業設備制造企業都在研制和開發應用于不同作物的產量監測系統,其中國外一部分測產系統已成功投入商品化生產.其代表產品有: Deer 的 GreenStar 系統,Micro -Trak 的 Grain - Trak 系統,Ag Leader 公司的 PFadvan-tage 系統,AGCO 的 Field Star 系統,CASE IH 的 AFS系統等[5].其中,Micro - Trak 的測產系統能夠顯示產量、車速、面積、每小時收割面積等,存儲卡的數據可以導入 PC 機進行復雜數據處理[6].
目前國內還沒有商品化的測產系統,只有一些國內院校和研究所進行了一些探索性工作研究."北京小湯山精準農業示范工程"引進測產系統等先進技術,進行試驗研究.上海"精準農業技術有限公司"開發的水稻聯合收獲機配套電子測產系統取得了一定成績.2000 年,中國科學院與上海交通大學合作對"谷物聯合收獲機測產系統"進行了大量研究.中國農業大學 1998 年成立了"精細農業研究中心",2002年成立由汪懋華牽頭的"現代精細農業系統集成研究教育部重點開放試驗室"對測產系統與產量分布圖進行了研究,整個系統還處于試驗階段[7].
可見,國內機構普遍采用國外類似機構進行改進,國產化研究目前技術還不成熟,價格高,離實際應用尚有一段時間要走.
3. 3 喂入量監測
喂入量是聯合收獲機的主要設計參數和性能參數.收割過程中割臺喂入是短暫、時變的,喂入量很難直接測得,通常采用間接方法表示.目前,通常采用喂入相對平穩的傾斜輸送器和脫粒滾筒來反映喂入量的大小.
利用傾斜輸送器來反映喂入量時可檢測喂入輥扭矩與轉速、底板的壓力來反映喂入量變化: Bruce AlanCoers,Karl Ludwig 與 Staiert Richard W 3 人中前者與后兩者分別利用測傾斜輸送器喂入輥負荷與轉速來檢測喂入量的變化[8 -10].陳進利用喂入主動軸扭矩來實時反應傾斜輸送器喂入量,并通過 DF -1. 5 型試驗臺建立了喂入量和喂入主動軸扭矩間的回歸關系方程[11].介戰采用谷物對傾斜輸送器地板的壓力來監測喂入量[12].
利用脫粒滾筒來反映喂入量時可采用脫粒滾筒扭矩和轉速來反映喂入量: Budzich T 設計不同的扭矩測量結構,測量滾筒負荷,建立喂入量模型并對喂入量進行控制[13].Randolph G 等在變速機構設計惰輪,利用電位計監測惰輪的位移從而監測傾斜輸送器與脫粒滾筒負荷變化,建立喂入量控制系統[14].張任成采用滾筒轉速建立脫粒滾筒功耗模型[15],拉開了利用脫粒滾筒轉速建立喂入量控制系統的序幕[16 -17].陳度等研究脫粒滾筒扭矩傳感器,利用脫粒滾筒扭矩檢測喂入量,建立了喂入量與谷物損失模型[18].秦云利用脫粒滾筒負荷建立了行走速度控制系統[19].唐忠等建立試驗臺,利用扭矩傳感器測量脫粒滾筒扭矩,建立喂入量模型[20].
由以上分析可知,在喂入量模型研究初期,研究人員希望盡可能及時檢測到喂入量變化,即采用傾斜輸送器喂入輥轉速或者扭矩來測量喂入量.隨著研究發現,脫粒系統是比較平穩的,反映喂入量相對及時,利于喂入量模型的建立,近年來大部分研究者利用脫粒滾筒轉速或扭矩來建立喂入量模型.目前,國內加強了對脫粒滾筒扭矩與喂入量之間的模型研究.
4 控制系統發展現狀
聯合收獲機自動控制的目的是發揮其最大收獲效益,即在不超過各部件額定負荷與允許損失量的前提下,獲得穩定的最大喂入量,讓聯合收獲機始終工作在最佳狀態.其中,喂入量自動控制是聯合收獲機自動控制的核心.當喂入量降低時,破碎率上升,破碎的谷物被吹出機外,增加損失; 喂入量增加時,會使清選和分離系統超負荷工作,增加夾帶與清選損失.研究表明[4],在一定的條件下,隨著喂入量的增加,谷物損失成比例增長; 當喂入量達到臨界狀態時,稍微增加,就會造成很大的谷物損失率,甚至引起機具故障.
喂入量自動控制可獲得穩定的最大喂入量,降低谷物損失率及機械故障率,提高收獲效益,降低駕駛員勞動強度.
影響喂入量的主要因素有: 谷物密度、割茬高度、割幅寬度和行走速度.其中,谷物密度由作物長勢決定.收割時,一般都希望滿割幅工作,割茬高度一旦調定也很少變化.通過改變行走速度來控制喂入量能彌補由于谷物密度、割幅寬度、割茬高度帶來的差異,只要能實時監測到收獲機實際喂入量,就能實現對喂入量的自動控制.
喂入量自動控制一直是國外研究主要組成部分[23 -25].在喂入量調整方面,Deer 60 到 S 系列收獲機通過監測谷物損失、滾筒負荷、發動機負荷,按照預定的控制算法來計算實時最佳的前進速度,進而通過靜液壓自動控制系統來調整整機前進速度,達到優化收獲機喂入量,使整機工作在較大喂入量、較小谷物損失的最佳工作狀態.據報道,通過這套喂入量自動控制套件的使用,收獲機的工作效率提高 20%[25].
在喂入量自動控制方面,國內收獲機專家也取得了突破性進展,主要是利用脫粒滾筒的轉速或者扭矩通過一定控制方式建立了喂入量自動控制系統[16 -22],不過都處在實驗室階段,還沒有得到實際應用.
5 發展趨勢
由以上監測系統和控制系統的分析可知,聯合收獲機各工作部件工作參數的監測單元多為基于 8、16、32 位處理器,且具有獨立處理信息與控制功能的微機智能監測節點.這就需要構筑聯合收獲機機內數據通信鏈路,將直接影響整機工作質量、相互之間又密切相關的量集中在一個基于高端處理器的嵌入式系統中進行綜合監測,即現場總線技術.CAN 總線技術代表了自動控制技術的發展方向,是目前國外最普及和實時性最高的現場總線,在歐洲大中型農業機械的內部電子監視與控制系統中也得到了一定的應用.
聯合收獲機機電一體化的發展迅速跟蹤了電子信息科技的進步,其監控系統迅速趨向智能化,由單元控制發展到分布式控制,由單機作業系統向與管理決策系統集成的方向發展.
國內對于變量作業機械的設計以及控制終端的研究都只處于起步階段,需要不斷地跟蹤學習、消化吸收國外的先進技術,自主開發適合在本國使用的農業機械裝備,將先進的電子信息技術、現場總線技術、網絡技術等應用到農業中去.不管是在國外還是在國內,在農業機械裝備上集成各智能化電子控制單元,使用 CAN 總線通信技術并且采用國際標準的農業總線通信協議,使接口通用化、標準化,從而總體實現智能控制將是未來農業機械裝備技術的發展趨勢.
6 結論
1\\) 國內監控系統與國外差距較大,目前國內僅僅處在監測水平,控制系統還沒有得到實際應用.
2\\) 將監測系統與控制系統結合,進行綜合監控,最大限度實現操作方便、增大喂入量、提高效率、降低油耗及收獲損失是聯合收獲機自動控制發展方向.
3\\) 將 CAN 總線技術應用在聯合收獲機上,使監控系統由單元控制發展到分布式控制,由單機作業系統向與管理決策系統集成的方向發展,并最終實現智能控制.
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