本发明属于农业机械领域，提供了一种联合收获机切割器切割频率自动调节装置及自动调节方法。
背景技术：
随着控制技术的快速发展，通过对联合收获机进行结构改造和控制升级，能够有效提升作业效率和自动化进程。切割器是联合收获机收获谷物的必须组件之一，切割器频率过快容易造成谷物茎杆重复切割，频率过低又容易造成漏割。因此，开发出能够自动调整切割器频率的装置具有重要意义。
专利公开号为cn103039184a公开了高速收割机液压马达驱动切割器，通过安装液压马达固定在安装底座上，液压马达旋转带动连杆运动，连杆带动刀片往复运动实施切割作业。专利公开号为cn204539989u公开了联合收割机双层切割器，通过在联合收割机上层切割器下方安装下层切割器，实现对漏割谷物的二次切割，清除残留谷物。专利公开号为cn107211642a公开了收割机往复式切割器减震装置，通过安装垫块和阻尼橡胶垫，减小收割机切割器往复切割的震动惯性力，有效降低了切割器的故障率。综上所述，国内外研究人员对联合收获机切割器的结构及减震等优化进行了很多的研究，对切割器频率控制方面的研究，目前尚未在公开文献中查询到相关内容。
联合收获机切割器的作用是随着机器行进往复切割，使得切割后的谷物由拨禾轮拨入割台搅龙输送器，并进行后续的脱粒、清选和集粮处理。目前联合收获机切割器的控制还没有实现可调节控制，仍停留在额定工作频率下工作，当机器作业速度发生变化时，切割器难以调整造成对谷物的切割质量不理想。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提供一种联合收获机切割器切割频率自动调节装置及自动控制方法，采用如下技术方案：
一种联合收获机切割器切割频率自动调节装置，包括：收获机作业状态感知模块、控制模块以及执行模块；所述收获机作业状态感知模块与所述控制模块的输入相连，所述执行模块与所述控制模块的输出相连；所述控制模块根据所述收获机作业状态感知模块所感知的信息，动态输出随感知的信息变化的控制信号；所述执行模块根据该控制信号动态地调节切割器的切割频率。
进一步地，所述收获机作业状态感知模块感知的信息包括：收获机作业速度和曲柄转速。
进一步地，所述控制模块将收获机作业状态感知模块所感知的收获机作业速度通过建立的模型先后计算得到切割频率目标值和曲柄转速目标值，再结合感知的曲柄转速实际值由控制算法计算出控制量给执行机构，执行机构驱动曲柄以曲柄转速目标值的转速进行转动，进而带动切割器以切割频率目标值进行切割。
进一步地，所述控制模块采用的控制算法为模糊pid算法。
进一步地，所述控制模块的模糊pid算法是将控制偏差e和偏差变化率ec为输入语言变量，以模糊pid控制器的三个参数kp、ki、kd为过程调节参数，计算线性组合
进一步地，所述控制模块的模糊pid算法在收获机作业速度为(0.5,2.0)m/s区间、曲柄半径为(0.035,0.045)m区间时，模糊化量化域大小设为{-30、-20、-10、0、10、20、30}，控制器调节过程的三个参数kp、ki、kd的模糊化量化域大小设为{-3、-2、-1、0、1、2、3}，语言变量的模糊子集设为{nb、nm、ns、zo、ps、pm、pb}。
进一步地，所述控制模块的模糊pid算法的输入输出的隶属函数采用三角形函数。
进一步地，所述执行模块包括依次相连的放大器、比例电磁阀和液压马达；所述放大器连接所述控制模块的输出端，所述液压马达连接曲柄；所述放大器对控制模块输出的控制信号放大，放大后的控制信号控制比例电磁阀的开度，比例电磁阀的开度控制液压马达转速。
进一步地，所述收获机作业状态感知模块采用霍尔传感器。
进一步地，所述控制模块采用arm开发板。
进一步地，还包括信号采集及调理模块，所述信号采集及调理模块对收获机作业状态感知模块感知的信息进行滤波、消噪以及转换为与控制模块匹配的电压后送给控制模块输入端。
进一步地，还包括触摸屏显示模块，所述触摸屏上设置开关、模式选择、调节按键以及数据显示和时钟显示。
根据上述装置，本发明提出了一种联合收获机切割器切割频率的自动调节方法，包括如下步骤：
s1：联合收获机田间作业过程中，利用传感器实时检测作业速度和曲柄转速；
s2：控制器根据作业速度和曲柄转速信息，实时输出切割器切割频率相应的控制信号，该控制信号作用于切割器的执行机构，通过执行机构调节曲柄转速完成切割频率的自动调节。
进一步地，所述s2的实现包括：
s2.2.1：传感器检测的作业速度信号vm经模型表达式计算后得到切割器的目标切割频率f，进而得到曲柄转速的目标值n，目标值n与曲柄转速当前采样值n′构成控制偏差e，控制偏差e的变化速率为偏差变化率ec，将偏差e和偏差变化率ec为输入语言变量，以模糊pid控制器的三个参数kp、ki、kd为过程调节参数，线性组合计算输出控制信号。
进一步地，所述s2的实现还包括：
s2.2.2：针对作业速度在(0.5,2.0)m/s之间、曲柄半径在(0.035,0.045)m之间时，以曲柄半径0.04m为例，由模型表达式计算切割器切割频率范围为(3.125,12.5)hz，曲柄转速调节范围为(187.5,750)r/min，转速误差e和误差变化率ec的模糊化量化域大小设为{-30、-20、-10、0、10、20、30}，控制器调节过程的三个参数kp、ki、kd的模糊化量化域大小设为{-3、-2、-1、0、1、2、3}，语言变量的模糊子集设为{nb、nm、ns、zo、ps、pm、pb}分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，输入输出的隶属函数采用三角形函数；
s2.2.3：建立模糊控制规则表，根据模糊控制理论和实际操作经验将设定好的规则语言离线编辑，写入到控制器进行存储，模糊规则表如下：
s2.2.4：模糊推理与解模糊化，控制器根据转速误差e和误差变化率ec对应模糊控制规则表，查找输出模糊pid控制的三个调节参数kp、ki、kd值；
s2.2.5：去模糊化，模糊pid输出的控制信号表达式如下：
式中，t为系统采样时间，kp、ki、kd为模糊pid控制器的比例、积分、微分调节系数，其线性组合构成控制量的输出，对切割器切割频率进行自动控制。
进一步地，所述s2的实现还包括建模的方法：
s2.1.1：设f为切割器切割频率，n为曲柄转速，切割器往复运动一次频率记为1次，曲柄转动一周切割器往复运动一次，则有：
s2.1.2：设vp为切割器横向运动的平均速度，s为割刀行程，t为切割器完成一个行程s所需时间，r为曲柄圆周运动半径，曲柄转动一周时切割器动作一个来回行程，则有
s2.1.3：设联合收获机作业速度为vm，那么切割器在完成一个行程s的时间t内收获机前进位移即切割器进距，用h表示，则：
s2.1.4：由s2.1.2的式子和s2.1.3的式子确定切割器平均速度与作业速度的比值λ如下：
取λ＝1为优化量值，带入
vp＝vm
s2.1.5：由式子
整理得到：
即为建立的切割器切割频率随作业速度变化的数学模型表达式。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的一种联合收获机切割器自动调节装置及自动控制方法，装置为作业人员提供手动和自动两种操作模式，并且所设计的切割器自动控制方法能够根据联合收获机作业速度变化进行切割器切割频率自动控制，在对收获机机械部件不改造的同时，能有效避免出现重割和漏割现象，降低含杂率和损失率，减小了作业人员的劳动强度，提升了其智能化程度。
2、本发明加快了联合收获机产品自动化进程，能够对切割器切割频率进行调节，手动和自动调节模式相结合，充分发挥作业人员的主观性，为联合收获机智能化操控技术提供技术支撑。
3、自动模式下，根据联合收获机作业速度进行切割器切割频率匹配并输出控制，采用智能控制算法中的模糊pid控制算法实现切割器频率的自动调整，减小切割器切割过程中的重割和漏割情况，降低含杂率和损失率，减轻作业人员的劳动负荷。
附图说明
图1是联合收获机切割器结构示意图。
图2是联合收获机切割器切割过程运动轨迹示意图。
图3是联合收获机切割器切割频率自动调节装置总体方案图。
图4是联合收获机切割器切割频率自动调节装置主程序流程图。
图5是联合收获机切割器切割频率自动调节装置自动控制子程序。
图6是联合收获机切割器切割频率自动调节装置显示界面。
图中标记说明：1-切割器主架，2-切割器连杆轴座，3-曲柄连杆，4-液压马达底座，5-液压马达。
具体实施方式
本发明提出了一种联合收获机切割器切割频率自动调节装置，包括arm控制器模块、传感器模块、信号采集及调理模块和执行模块；所述传感器模块与信号采集及调理模块相连，所述信号采集及调理模块与arm控制器相连；所述传感器模块、信号采集及调理模块与arm控制器输入端相连，所述执行模块与arm控制器输出端相连。
所述传感器模块将检测的信息经信号采集及调理模块处理后传送给arm控制模块，所述arm控制器模块一方面根据传感器模块检测信息计算得到实际的联合收获机作业速度和曲柄转速，另一方面由数学模型根据采集并计算得到的作业速度信号计算得到曲柄转速理论目标值，由模糊pid控制算法输出控制量到执行机构，由执行机构驱动曲柄以理论目标值转速进行转动，进而带动切割器以目标频率进行切割。
所述传感器模块用于实时检测联合收获机作业速度和曲柄转速，为具有检测极性磁钢能力的霍尔传感器；
所述执行模块包括放大器、比例电磁阀和液压马达。所述arm控制器输出端连接放大器，放大器与电磁比例阀相连，比例电磁阀开度大小控制液压马达转速，液压马达带动曲柄机构做圆周运动，曲柄机构转动一圈切割器动作一个来回，对联合收获机切割器切割频率进行控制。
所述arm控制器模块是s3c2440型号开发板。
所述信号采集及调理模块，对输入信号滤波处理、信号消噪和转换电压至3.3v供arm控制器采集处理。
所述联合收获机切割器切割频率自动调节装置还包括触摸屏显示模块，触摸屏上面设置开关、模式选择、调节按键和数据显示及时钟显示功能。
所述的联合收获机切割器切割频率的自动调节方法，包括以下步骤：
s1：联合收获机田间作业过程中，利用传感器模块实时检测作业速度和曲柄转速信号；
s2：信号采集及调理模块进行传感器模块检测的信号进行预处理，主要有信号滤波处理、信号消噪、和电压放大等，目的是消除干扰影响和对传感器输出电压转换供arm控制器识别。
s3：经信号采集及调理模块处理的传感器信号作为送入arm控制器的输入信号，arm控制器实时输出切割器切割频率相应的控制信号作用于切割器切割频率的执行机构完成切割频率的实时调节。
上述s3中，所述的切割器切割频率的调节包括：
s3.1：切割器切割频率的建模；
s3.2：利用切割器切割频率的建模结果以及控制算法实现切割频率自动调节。
进一步，所述s3.1中切割器切割频率的建模方法如下：
s3.1.1：设f为切割器切割频率，单位(hz)，n为曲柄转速，单位(r/min)，切割器往复运动一次频率记为1次，而曲柄转动一周切割器往复运动一次，则有：
s3.1.2：设vp为切割器横向运动的平均速度，单位(m/s)，s为割刀行程，单位(m)，t为切割器完成一个行程s所需时间，单位(s)，r为曲柄圆周运动半径(m)，曲柄转动一周时切割器动作一个来回行程，即有
s3.1.3：设联合收获机作业速度为vm，单位(m/s)，那么切割器在完成一个行程s的时间t内收获机前进位移即切割器进距，用h表示，单位为(m)，有如下关系：
s3.1.4：由(2)和(3)确定切割器平均速度与作业速度的比值λ如下：
当λ取值较大时，重割比较严重，切割后的谷物含杂率增大；λ取值较小时，漏割比较严重切割后的谷物损失率增大。最优的切割是使得漏割较少并且重割也较少，本发明取λ＝1为优化量值(图2为λ＝1时切割器切割图)，带入(4)式，可以得到
vp＝vm(5)
s3.1.5：由(1)、(2)、(5)式可以得到
进一步：
即，建立的切割器切割频率随作业速度变化的数学模型表达式。
进一步，上述s3.2中所述的切割器切割频率自动调节方法是利用模糊pid控制算法进行处理，具体处理过程如下：
s3.2.1：霍尔传感器检测的作业速度信号vm经模型(7)计算后得到切割器的目标切割频率f，进而得到曲柄转速的目标值n，目标值n与曲柄转速当前采样值n′构成控制偏差e，控制偏差e的变化速率为偏差变化率ec，将偏差e和偏差变化率ec为输入语言变量，以模糊pid控制器的三个参数kp、ki、kd为过程调节参数，线性组合计算输出控制量。
s3.2.2：联合收获机收获时，作业速度通常在(0.5,2.0)m/s区间，不同联合收获机曲柄半径不同，通常在(0.035,0.045)m之间，本发明以0.04m为例，由数学模型公式(7)计算可以得到，切割器切割频率范围为(3.125,12.5)hz，曲柄转速调节范围为(187.5,750)r/min，转速误差e和误差变化率ec的模糊化量化域大小设为{-30、-20、-10、0、10、20、30}，控制器调节过程的三个参数kp、ki、kd的模糊化量化域大小设为{-3、-2、-1、0、1、2、3}，语言变量的模糊子集设为{nb、nm、ns、zo、ps、pm、pb}分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，输入输出的隶属函数采用三角形函数。
s3.2.3：建立模糊控制规则表，根据模糊控制理论和实际操作经验将设定好的规则语言在matlab软件中离线编辑，写入到arm控制器的数据模块进行存储，模糊控制规则表如下：
s3.2.4：模糊推理与解模糊化。控制器根据转速误差e和误差变化率ec对应模糊控制规则表，查找输出模糊pid控制的三个调节参数kp、ki、kd值。
s3.2.5：去模糊化。模糊pid控制公式如下：
式中，t为系统采样时间，kp、ki、kd为模糊pid控制器的比例、积分、微分调节系数，其线性组合构成控制量的输出，对切割器切割频率进行自动调节。
本发明提供一种联合收获机切割器切割频率自动调节装置，克服了现有的应用于联合收获机上的切割器固定频率切割，对于不同作业速度匹配不同的切割频率，降低固定切割频率切割后造成的含杂率和损失率。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，为曲柄机构带动切割器运动示意图，1为切割器主架，2为切割器连杆轴座，3为曲柄连杆，4为液压马达底座，5为液压马达。液压马达工作带动曲柄连杆做圆周运动带动切割器往复动作。
如图2所示，为切割器复合运动轨迹切割图，不同切割器尺寸参数不同，图中用参数d1和d2表示，图为λ＝1切割器的运动轨迹，此时复割较少，且漏割也比较少。
如图3所示，一种联合收获机切割器切割频率自动调节装置包括arm控制器模块、传感器模块、信号采集及调理模块和执行模块。所述传感器模块、信号采集及调理模块与arm控制器输入端相连，所述执行模块与arm控制器输出端相连。所述arm控制器模块一方面根据传感器模块检测信息计算联合收获机作业速度和切割器频率，另一方面由数学模型根据采集的作业速度信号计算得到曲柄转速理论值，由模糊pid控制算法输出控制量到执行机构；所述传感器模块为具有检测极性磁钢能力的霍尔传感器；所述传感器模块将检测信息传送给arm控制模块；所述信号采集及调理模块与arm控制器相连；所述传感器模块与信号采集及调理模块相连；所述执行模块包括放大器、比例电磁阀和液压马达。所述arm控制器输出端连接放大器，放大器与电磁比例阀相连，比例电磁阀开度大小控制液压马达转速，液压马达带动曲柄机构做圆周运动，曲柄机构转动一圈切割器动作一个来回，对联合收获机切割器切割频率进行控制。
如图4所示，本发明提供一种联合收获机切割器切割频率自动调节装置程序设计流程，调节装置设置手动和自动可切换模式，并进行相应程序设计。开机初始化后，程序开始采集信号处理并送如触摸屏显示器显示，显示界面设置模式切换开关，并进行手动/自动程序调用。在手动模式时，切割器以额定频率工作，切割频率不随收获机的作业速度变化。
如图5所示为切割器切割频率自动控制程序流程，系统实时采集作业速度信号进行理论计算得到曲柄转速的理论输出值，然后计算曲柄转速与当前转速偏差及偏差变化率，查找模糊控制规则表获取调节过程的三个参数kp、ki、kd的值，其线性组合计算得到最终输出控制量，模糊控制规则表如下：
如图6所示为联合收获机切割器切割频率自动调节装置的显示界面。显示界面有时间、作业速度、切割器频率、开关按键、模式选择按键和手动调节加减按键等。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。