马铃薯联合收获机雍土堵塞监测和薯土分离监测调控装置以及监测调控方法

本发明属于农机装备领域，特别涉及马铃薯联合收获机雍土堵塞监测和薯土分离监测调控装置以及监测调控方法。

背景技术：

1、我国马铃薯种植范围广面积大，目前已成为世界马铃薯第一大生产国，因此对马铃薯联合收获机的需求也日益增大，研制高效适用的马铃薯联合收获机，对于提高马铃薯收获效率、降低人工劳动强度具有重要意义。目前我国现有的马铃薯联合收获机在田间工作过程中，尤其是在黏重土壤条件下，前几级薯土输送分离装置极易发生雍土堵塞，一旦发生雍土堵塞势必会造成停机影响收获效率，其次若不能及时发现雍土堵塞甚至会造成机器因负荷过大而损坏，因此迫切需要一套设备可以对马铃薯联合收获机输送分离装置雍土堵塞进行监测，及时发出预警。第二，马铃薯联合收获机在工作过程中，每一级薯土输送分离装置的土壤分离率应保持在一个合适的范围内，若土壤分离率过高，则会增大马铃薯在后续输送分离过程中的机械损伤，若土壤分离率过低，则会导致马铃薯洁净率低。而现有马铃薯联合收获机尚没有对土壤分离率进行监测的装置，更无法对薯土分离过程进行实时调控。

2、中国发明专利cn 1066106 a公开了一种马铃薯收获机薯土分离调节装置，其工作原理为：液压马达的驱动偏心轮转动，并通过连杆带动摇臂绕着轴往复摆动，进而带动胶轮架也绕着轴往复摆动，安装在胶轮架的6个胶轮交替将上方承托着马铃薯及其土壤、杂草和秧蔓从分离筛顶起，从而使分离筛在移动过程中产生抖动而将薯土分离。通过改变液压马达的轴转速调节薯土分离装置的振动频率；通过改变销轴在摇臂的直臂和曲臂的不同圆孔的铰接位置实现振幅的调节。该发明虽然能实现薯土分离装置振动频率和振幅的调节，但振幅的调节需要人工手动调节，操作繁琐，且不能实现连续调节。

技术实现思路

1、针对现有马铃薯联合收获机在田间工作过程中，尤其是在黏重土壤条件下，马铃薯联合收获机薯土输送分离装置发生雍土堵塞时无法及时预警的问题和无法对薯土分离效果进行评估以及自动调控的问题，本发明提供了马铃薯联合收获机雍土堵塞监测和薯土分离监测调控装置以及监测调控方法。

2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

3、一种马铃薯联合收获机雍土堵塞监测和薯土分离监测调控装置，包括设置在第一薯土分离输送装置上的杆条碎土器、雍土堵塞监测装置、设置在第二薯土分离输送装置上的薯土分离监测调控装置；

4、所述杆条碎土器设置在第一薯土分离输送装置的第一杆条输送链输送入料口上方、且与输送方向垂直，所述杆条碎土器为圆周方向均匀设置有多根长杆的圆筒结构，杆条碎土器两端通过轴承座支撑在第一薯土分离输送装置两侧侧壁上，且杆条碎土器一端伸出轴承座与马达连接，且杆条碎土器旋向与第一杆条输送链旋向相反；

5、所述雍土堵塞监测装置包括对射激光传感器模组一、对射激光传感器模组二、超声波传感器、堵塞警报系统，对射激光传感器模组一和对射激光传感器模组二设置在第一薯土分离输送装置侧面，且按照输送方向依次设置，用于检测薯土厚度；对射激光传感器模组一靠近杆条碎土器设置且位于杆条碎土器下游，对射激光传感器模组二靠近第一杆条输送链出料口设置；超声波传感器设置在第一薯土分离输送装置内第一杆条输送链上方，且位于对射激光传感器模组一和对射激光传感器模组二之间；堵塞警报系统根据对射激光传感器模组一、对射激光传感器模组二和超声波传感器的检测结果与设定值对比，作出预警提醒和报警提醒；

6、薯土分离监测调控装置包括激振器、激振器驱动装置、矩形光纤传感器模组、模糊pid控制系统，所述激振器设置在第二薯土分离输送装置上的第二杆条输送链的下方，且由激振器驱动装置驱动；所述矩形光纤传感器模组位于第二杆条输送链下方两侧，且沿输送方向从第二杆条输送链输送入口延伸至输送出口，用于检测土壤透筛量；模糊pid控制系统与矩形光纤传感器模组、激振器驱动装置连接，根据矩形光纤传感器模组检测的土壤透筛量与设定值对比，控制激振器驱动装置进而驱动激振器对第二杆条输送链的振动频率和振动幅度进行调控，调节土壤透筛量至设定值。

7、进一步的，杆条碎土器的旋转线速度比第一杆条输送链的传输线速度高。

8、进一步的，杆条碎土器两端通过浮动调节装置与第一薯土分离输送装置两侧侧壁连接，所述浮动调节装置是通过弹性结构实现杆条碎土器的高度自动调节。

9、进一步的，浮动调节装置包括支架、压缩弹簧、压板、调节螺母、立柱、调节螺栓和支撑板，支撑板固定在第一薯土分离输送装置侧壁上，支撑板上固定有两个立柱，支架套接在两个立柱上实现沿立柱上下移动，两组压缩弹簧套接在两个立柱上且设置在支架上方，压板两端套接在立柱上且对压缩弹簧进行限位，压板上方通过调节螺母与立柱螺纹连接实现限位，支撑板下方螺纹连接有调节螺栓，调节螺栓一端伸出支撑板并对支架下方进行限位；轴承座固定在支架上，第一薯土分离输送装置侧壁上设置有供杆条碎土器的旋转轴上下移动的槽；马达固定在一侧的支架上。

10、进一步的，杆条碎土器后方还设置有定刀片，定刀片为单面刃结构，刀刃朝向第一杆条输送链，定刀片与杆条碎土器之间留有间隙，且间隙可调节。

11、进一步的，激振器驱动装置为固定在第二薯土分离输送装置上的电动推杆，激振器包括摆杆、转轴、圆柱滚子、摆臂，转轴两端通过轴承座设置在第二薯土分离输送装置上，转轴两侧固定有垂直于转轴的摆杆，摆杆端部安装有承托第二杆条输送链的圆柱滚子，转轴一端延伸出轴承座固定有垂直于转轴的摆臂，摆臂与电动推杆一端铰接，电动推杆另一端固定在第二薯土分离输送装置侧面。

12、进一步的，对射激光传感器模组一、对射激光传感器模组二最底部的激光发射器、激光接收器距离第一杆条输送链表面距离为50～100mm，每对激光发射器、激光接收器在竖直方向上的间隔距离为10mm；所述超声波传感器距离第一杆条输送链顶部300～500mm，声波发射角在12°～15°。

13、进一步的，矩形光纤传感器模组包含若干对光发射器和光强接收器；光发射器和光强接收器分别设置在第二薯土分离输送装置的两侧且每对光发射器、光强接收器在水平和竖直方向上对齐，光发射器和光强接收器分别通过第二螺钉固定在矩形光纤传感器模组的第二保护壳中，在第二保护壳的光线发射区和接收区设置有有机玻璃，矩形光纤传感器模组距离第二杆条输送链底部150～250mm。

14、薯土输送分离装置雍土堵塞监测及薯土分离监测调控方法，包括以下步骤：

15、s1.设定初始值：

16、系统初始化后，将系统调试至最佳状态进行试收获，系统记录对射激光传感器模组一检测薯土厚度h1、对射激光传感器模组二检测薯土厚度h2、超声波传感器检测超声波传感器到薯土上表面距离h3、矩形光纤传感器模组检测土壤透筛量v，并计算输送入料口和出料口薯土厚度的差值s＝h1-h2，计算试收获平稳段的输送入料口和出料口薯土厚度的差值s、超声波传感器到薯土上表面距离h3的均值μs、标准差σs、矩形光纤传感器模组检测土壤透筛量的均值μv，设置输送入料口和出料口薯土厚度的差值的设定值s设为μs-2σs、超声波传感器到薯土上表面距离的设定值为h3设为和，土壤透筛量的设定值v设为μv，或者：

17、根据经验设置输送入料口和出料口薯土厚度的差值的设定值s设、超声波传感器到薯土上表面距离h3设和土壤透筛量的设定值v设；

18、s2.在收获过程中，实时采集对射激光传感器模组一、对射激光传感器模组二、超声波传感器检测值h1实、h2实，获得实测的输送入料口和出料口薯土厚度的差值s实＝h1实-h2实，超声波传感器到薯土上表面距离h3实，并与设定值s设、h3设进行比较；当s实低于s设、且h3实高于h3设，则堵塞警报系统发出预警，驾驶员降低机器前进速度或降低挖掘铲挖掘深度来减少喂入量；当s实和h3实均分别低于s设、h3设时，判定已经发生了堵塞，则堵塞警报系统发出堵塞报警提示，此时需清理堵塞；

19、薯土分离监测调控装置中，矩形光纤传感器模组实时采集土壤透筛量v实，模糊pid控制器计算测得的实际土壤透筛量检测值v实与设定值v设的偏差e以及偏差的变化率ec，偏差e以及偏差的变化率ec作为模糊控制器的输入量，模糊控制器将偏差e以及偏差的变化率ec模糊化后，根据模糊控制规则调整pid控制器比例单元kp、积分单元ki和微分单元kd的修正参数最后解模糊化得到精确值，pid控制器根据下式修正参数计算出比例单元kp、积分单元ki和微分单元kd，

20、

21、其中，kp0、ki0、kd0分别表示pid控制器比例单元、积分单元和微分单元的初始参数，αp、αi、αd分别比例单元、积分单元和微分单元的修正系数，再将比例单元kp、积分单元ki和微分单元kd通过线性组合构成控制量，并将控制量信号转化为模拟量，调节电动推杆往复运动的频率和行程，进而控制激振器对第二杆条输送链的振动频率和振动幅度，调节土壤透筛量至设定值v设。

22、进一步的，解模糊化采用重心法，其表达式为：

23、

24、xi是修正参数模糊集合中的一个数据点，μn(xi)是数据点xi对应的隶属度；各变量的隶属函数选用三角形隶属函数；

25、矩形光纤传感器模组检测的土壤透筛量实际检测值v实的偏差为e{-60，60}，偏差变化率ec{-30，30}，pid控制器的修正参数的基本论域为各参数的离散论域均取{-3，-2，-1，0，1，2，3}，各变量的模糊子集均取{nb，nm，ns，zo，ps，nm，pb}。

26、本发明的有益效果是：

27、本发明中对射激光传感器模组一、对射激光传感器模组二可以对一级薯土输送分离装置的薯土混合物厚度进行监测，超声波传感器可监测超声波传感器到薯土上表面距离，通过与设定值比较，当判定一级薯土输送分离装置存在雍土堵塞的风险，堵塞警报系统可发出预警，通过降低机器前进速度或降低挖掘铲挖掘深度来减少喂入量，以避免造成雍土堵塞影响收获效率；或当判定已经发生了堵塞，则堵塞警报系统发出堵塞报警提示，此时应停机检查并清理堵塞。

28、本发明中矩形光纤传感器模组可以对各级薯土输送分离装置的土壤透筛量进行监测，并将检测值与设定值进行比较，当检测值与设定值不相同时，则通过模糊pid控制系统，调节电动推杆往复运动的频率和行程，进而控制激振器对第二杆条输送链的振动频率和振动幅度，调节土壤透筛量至设定值，以保证薯土分离效果。

29、本发明中杆条碎土器可将大的土块破碎，同时使薯土混合物上表面更加平整，使薯土混合物在第一杆条输送链上分布更均匀，同时可拨送物料；浮动调节装置可根据喂入量自适应调整杆条碎土器与第一杆条输送链距离，使杆条碎土器始终与薯土混合物上表面接触，提高大土块破碎效果和薯土混合物上表面平整效果，还可通过拧动调节螺栓调节杆条碎土器的初始位置，通过调节螺母调节杆条碎土器的最大喂入量；定刀片可随杆条碎土器一起上下移动，可将茎蔓枝叶切开，防止杆条碎土器旋转时茎蔓枝叶缠绕住杆条碎土器，另外还可通过定刀片两侧的螺母进行调节定刀片的位置，进而调节定刀片与杆条碎土器之间间距，调整至合适间距，以保证实现最佳切割效果。