自适应调节耕作刀具运行高低的控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及农业机械控制技术领域，尤其涉及一种自适应调节耕作刀具运行高低的控制系统及其控制方法。

背景技术：

当前，针对国内农业林地等大面积需要除草及松土的土地，主要依靠旋耕机等靠人力操作的机械完成工作。其需要专业的人员进行操作，且受人力成本和人力疲劳程度等的影响，致使当前为了除草和节约成本，大量的农药被使用。且在除草和松土设备人为运行时，其工作刀具的运行高低对运行效果具有很大影响。在刀具工作时，不同的土质结构需要人为操作刀具的高低，以达到保护刀具和最大效率的达到耕作要求的目的。如：当土质结构中混合有石头等杂质时，刀具的运行高度不能与纯土质结构时相同，如果相同，将使得车辆的运行油耗增加，且刀具容易受石头等土质结构的影响而造成损坏。当由于土质结构使得刀具的运行高度被自动调整时，需要相应的调整机车的运行速度，以达到节能、保护机车和提高机车效率的目的。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种自适应调节耕作刀具运行高低的控制系统及其控制方法，利用检测信号初步判断出土质结构，利用该结构自适应调节刀具运行时的工作高度和机车运行时的运行速度，解决现有技术中农耕机械智能化程度低、耗能大、耕作效果差的技术问题。

本发明的技术方案为：

自适应调节耕作刀具运行高低的控制系统，包括机车速度控制系统、刀架高低调节系统和土质结构判断系统；所述的机车速度控制系统包括与机车行进电机连接的变频器或调速器，变频器或调速器可控制行进电机的转动方向及转速；所述的刀架高低调节系统包括与可调刀架连接的气缸或油缸，气缸或油缸与调节阀连接，调节阀可驱动气缸或油缸进而控制刀架的高低位置；所述的土质结构判断系统包括安装在气缸或油缸上的压力传感器、安装在行进电机上的电流传感器和速度传感器、安装在耕作车辆上的陀螺仪、安装在刀架上的刀架高低位置传感器和与所述调节阀及行进电机连接的pid控制器。

刀具运行高低的控制方法如下：

1）.建立数据库，所述数据库包括四组数据l1、l2、c0、l3；其中，

l1为在土质结构、刀具深度、运行速度相同条件下，耕作车辆在不同坡度时与坡度为零时压力传感器读取的压力值比；

l2为坡度、土质结构和刀具深度相同条件下，耕作车辆在不同速度时与速度为80r/min时压力传感器读取的压力值比；

c0为坡度为零、速度为80r/min、刀具深度h0条件下，耕作车辆在不同土质结构下电流传感器读取的电流值比；h0为刀架齿深入地面3/4的位置时，刀架下降高度值；

l3为耕作车辆在实际不同土质结构运行状态下与在实验理想土质结构运行状态下电流传感器读取的电流值比；

2）.给刀架高度设定初始值h0.

3）.陀螺仪计算耕作车辆所在位置的坡度信息，查找数据库，找到相应坡度的压力比l1和l2，根据耕作车辆电流传感器测量到的电流值c1和转速传感器的测量到的转速值w0，将c1/（l1*l2）与数据库里面的c0比较，利用就近原则，选择相应的l3值；

4）.根据给定压力p1，结合的压力比l1、l2和电流比l3，获得带有坡度信息的给定压力p2，p2=p1*l1*l2*l3，再将该给定压力p2与压力传感器反馈压力p0相比较，利用pid控制器输出刀架的控制高度信号，驱动气缸或油缸对刀架进行上抬或下降动作；给定压力p1为实验理想土质结构、坡度为零、速度为80r/min、刀具深度为h0时压力传感器读取的压力值；给定压力p2具有一个上限值，该上限值不能大于实验阶段测量到的刀架长期稳定工作能够承受的稳定压力值。

机车速度的控制方法如下：

1）.给耕作车辆前进时的行进速度一个初始给定速度w1；

2）.陀螺仪计算耕作车辆所在位置的坡度值ß，坡度值ß用-100%~100%的连续百分值表示，规定坡度为0时ß为0，上升坡度为90度时ß为100%，下降坡度为90度时ß为-100%；计算耕作车辆需要的给定速度w2，当耕作车辆在上升坡度时，w2=w1-w1*ß*a，当耕作车辆在下降坡度时，w2=w1，其中，a为在具体坡度下电流传感器测量到的电流与坡度信息的系数，该值根据前期实验耕作车辆在不同坡度、在相同土质结构和刀具深度时，与坡度为零而土质结构、刀具深度、运行速度相同时的电流比；

3）.w2与反馈速度w0相比较，通过pid控制器调整输出电流，该输出电流与电流传感器测量的反馈电流相比较求差，该差值通过pi控制器产生的转速信号给变频器或调速器来控制机车的运行速度。

所述的坡度比ß小于30%时，变频器或者调速器进行行进电机的调速控制，如果ß值大于30%时，变频器或者调速器进行行进电机的转向控制。

本发明具有以下优点：

1.本发明的智能化系统应用于农耕机械上可以显著提升农耕机械的耕作效果、提高耕作效率、减小耕作作业对人力经验和熟练水平的要求、减少农药的使用量；

2.本发明的控制方法可以在提升耕作效率的同时最大程度的保护耕作刀齿的安全，刀齿通过和机车设备运行速度的自适应配合提高了农耕机械整体的运行效率。

附图说明

图1是本发明控制系统的整体示意框图；

图2是本发明刀架高低调节系统的原理示意图；

图3是本发明机车速度控制系统的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

自适应调节耕作刀具运行高低的控制系统，包括机车速度控制系统、刀架高低调节系统和土质结构判断系统；所述的机车速度控制系统包括与机车行进电机连接的变频器或调速器，变频器或调速器可控制行进电机的转动方向及转速；所述的刀架高低调节系统包括与可调刀架连接的气缸或油缸，气缸或油缸与调节阀连接，调节阀可驱动气缸或油缸进而控制刀架的高低位置；所述的土质结构判断系统包括安装在气缸或油缸上的压力传感器、安装在行进电机上的电流传感器和速度传感器、安装在耕作车辆上的陀螺仪、安装在刀架上的刀架高低位置传感器和与所述调节阀及行进电机连接的pid控制器。

刀具运行高低的控制方法如下：

1）.建立数据库，所述数据库包括四组数据l1、l2、c0、l3；其中，

l1为在土质结构、刀具深度、运行速度相同条件下，耕作车辆在不同坡度时与坡度为零时压力传感器读取的压力值比；

l2为坡度、土质结构和刀具深度相同条件下，耕作车辆在不同速度时与速度为80r/min时压力传感器读取的压力值比；

c0为坡度为零、速度为80r/min、刀具深度h0条件下，耕作车辆在不同土质结构下电流传感器读取的电流值比；h0为刀架齿深入地面3/4的位置时，刀架下降高度值；

l3为耕作车辆在实际不同土质结构运行状态下与在实验理想土质结构运行状态下电流传感器读取的电流值比；

2）.给刀架高度设定初始值h0.

3）.陀螺仪计算耕作车辆所在位置的坡度信息，查找数据库，找到相应坡度的压力比l1和l2，根据耕作车辆电流传感器测量到的电流值c1和转速传感器的测量到的转速值w0，将c1/（l1*l2）与数据库里面的c0比较，利用就近原则，选择相应的l3值；

4）.根据给定压力p1，结合的压力比l1、l2和电流比l3，获得带有坡度信息的给定压力p2，p2=p1*l1*l2*l3，再将该给定压力p2与压力传感器反馈压力p0相比较，利用pid控制器输出刀架的控制高度信号，驱动气缸或油缸对刀架进行上抬或下降动作；给定压力p1为实验理想土质结构、坡度为零、速度为80r/min、刀具深度为h0时压力传感器读取的压力值；给定压力p2具有一个上限值，该上限值不能大于实验阶段测量到的刀架长期稳定工作能够承受的稳定压力值。

机车速度的控制方法如下：

1）.给耕作车辆前进时的行进速度一个初始给定速度w1；

2）.陀螺仪计算耕作车辆所在位置的坡度值ß，坡度值ß用-100%~100%的连续百分值表示，规定坡度为0时ß为0，上升坡度为90度时ß为100%，下降坡度为90度时ß为-100%；计算耕作车辆需要的给定速度w2，当耕作车辆在上升坡度时，w2=w1-w1*ß*a，当耕作车辆在下降坡度时，w2=w1，其中，a为在具体坡度下电流传感器测量到的电流与坡度信息的系数，该值根据前期实验耕作车辆在不同坡度、在相同土质结构和刀具深度时，与坡度为零而土质结构、刀具深度、运行速度相同时的电流比；

3）.w2与反馈速度w0相比较，通过pid控制器调整输出电流，该输出电流与电流传感器测量的反馈电流相比较求差，该差值通过pi控制器产生的转速信号给变频器或调速器来控制机车的运行速度。

所述的坡度比ß小于30%时，变频器或者调速器进行行进电机的调速控制，如果ß值大于30%时，变频器或者调速器进行行进电机的转向控制。

下面通过实施例对本发明进行进一步的说明：

该机车的刀具运行高低调整和速度调整运行过程为：

第一步：给定刀架高度设定一个初始值h0和给耕作机车前进时的行进速度一个初始给定速度w1；使机车前进和刀架运行。

第二步：获得电流传感器的电流信号、陀螺仪的坡度信号、速度传感器的速度信号值，利用数据库中的信息与获得的三个信号值相比较，根据上面介绍的方法，选择对应的土质不同时的电流比l3值，坡度不同时的电流比β值，速度不同时的压力比l2，坡度不同时的压力比l1。

第三步：给定刀架一个运行时的压力值p1，利用p2=p1*l1*l2*l3，计算实际需要给定的压力信号p2，再将该压力信号与压力传感器的反馈压力相比较，从而获得控制调节阀开度的控制信号，最后驱动刀架运行。

第四步：当为上坡时，计算实际需要的给定速度值w2，w2=w1-w1*ß*a。当为下坡时，w2=w1。将w2与速度反馈相比较，获得差值，经过pi控制，获得机车前进时变频器或者调速器运行的速度给定值。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。