联合收割机液压伺服系统

1、Xx大学题目名称： 联合收割机电液比例控制系统的设计 学 院： 机械工程学院 专业年级： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 班级学号： 指导教师： 二零一四 年 十 月 零 二十四 日摘要基于嵌入式技术提出了一种电液比例控制应用在联合收割机割台高度控制系统中的方案，介绍了联合收割机电液比例控制系统的原理。硬件方面以S3C2440 为控制芯片，以超声波传感器为测距传感器，以电液比例方向阀为控制阀，设计了割台高度电液比例控制系统; 软件方面在Linux-2.6.28 内核的基础上进行了驱动的开发及算法的移植，并采用Qt /Embedded 工具库完成上层人机交换界面，最终通过触摸屏动态显示割台高度

2、。采用此系统可使联合收割机在工作过程中实现全程监控其割台的变化情况的目的，提高其自动化程度ABSTRACTBased on embedded technology is put forward a kind of electro-hydraulic proportional control applied in the control system of the combine harvester cutting platform height.Combine harvester is introduced the principle of electro-hydraulic proporti

3、onal control system. Hardware based on S3C2440 control chip to ultrasonic sensors for distance measurement sensor , in electrohydraulic proportional direction valve as the control valve, designed the cutting height of electro-hydraulic proportional control system;Software in Linux - 2. 6. 28 kernel

4、driver development and algorithm on the basis of the transplant, and the use of Qt/Embedded tools library complete upper man-machine interface, exchange in the end by the touch screen.Cut a highly dynamic display. Using this system can make the combine harvester is realized in the working process of

5、 the whole, the purpose of monitoring the changes of the improve the degree of automation.目 录第一章 绪论11.1 选题意义11.2联合收割机现状1 1.3课题研究内容2第二章联合收割机电液比例控制系统2第三章控制系统的硬件设计23.1超声波测距模块33.2 ARM 测控平台33.3比例控制放大器3第四章控制系统的硬件设计44.1系统软件流程图44.2系统控制框图5第五章联合收割机输送装置的工作原理和参数计算55.1输送装置的分类及功用55.2输送装置的工作原理和主要参数计算方法6参考文献7第一章 绪论

6、1.1选题意义我国是一个农业大国，稻麦为主要的粮食作物，联合收割机的广泛使用，减少了谷物损失量，提高了劳动效率。随着联合收割机日益向大型化、高速化发展，用人的听力和视力去识别故障将变得越来越困难，这就迫切需要研究相应的自动控制方法1。传统的联合收割机割台是利用机械仿形机构或人工方法控制液压阀门操纵液压缸来调整工作高度的，割台高度自动控制系统就是在此基础上再增设传感机构、电磁阀门和电气控制系统来实现的。因此，本文选用超声波传感器作为测距传感器，同时选用电液比例方向阀作为主控制阀，但是传统的电液比例控制系统一般多采用8 位或16 位的单片机作为控制器，使用单任务顺序机制，系统的实时性、安全可靠性较

7、差，运算处理和资源管理能力都很有限，所以本文选用S3C2440 作为控制器，Linux 作为操作系统设计了联合收割机割台高度自动控制系统，提高了系统的稳定性、可靠性和实时响应能力。1.2联合收割机现状水稻是我国主要粮食作物之一，种植面积近2600万hm2，产量近16亿吨，约占世界水稻种植面积的21，产量占世界总产量的34。我国水稻主产区在南方，南方多丘陵、梯田，地区的季节性、作业环境差异也大，这对水稻联合收割机的适应性和可靠性提出了更高的要求。此外，土地分散经营使得机械收获效率低，这都在一定程度上制约了水稻联合收割机的发展。随着农村城市化的进程，越来越多的耕地被占用，粮食的总产量在逐年减少。一

8、些农学专家为了解决我国粮食问题正在研究超级杂交稻，亩产在700千克以上的杂交水稻已经问世，并逐步在大面积推广。超级杂交稻最高亩产可望达到900千克。截至2004年底，超级稻新品种在四川、福建、湖南、安徽、辽宁、浙江等水稻主产区已累计推广1000万hm2。从今年起，我国将在广东、福建、湖南、湖北、江西、江苏、浙江、安徽、四川、重庆、吉林、辽宁等12个省市率先启动实施超级稻示范推广项目，力争今年超级稻推广面积达到400万hm2。超级杂交稻与现有水稻的特性差别很大，单产高、长势密、茎秆粗、秆青叶茂、含水率高。收获这种水稻，对现有全喂入和半喂入机型在技术是一个严峻的挑战，现有推广使用的联合收割机都不适

9、应超级稻的收获，脱粒装置处理容量与高产大流量不匹配，秆青叶茂的作物在大流量的条件下分离更加困难。如何解决这种高产超级稻的收获问题已引起收获机械专家们的注意，也已成为科技领导部门重视和关注的问题。有些收获机械专家认为，割前脱粒(梳脱式)机型由于作业时茎秆不进入机器中，可以减少机具对物料的处理量、降低损失、减少功耗、提高工作效率，是解决超级稻收获的理想机具之一我国地形复杂，水稻种植的农艺、作物品种、土壤情况、水文条件相差较大，单一的水稻收获机械不可能适用所有的水稻收获，加上自然条件和经济因素的影响，多品种、多机型将成为近一段时期内水稻收获机械的发展特点。在工业发达国家，水稻收获机械已经有了长足的发

10、展，除了具有传统的基本功能外，自动化控制秸秆堆放处理、自动打包等技术也在水稻联合收割机上得到了应用，这也必将成为我国水稻联合收割机发展的主要方向。13 课题研究内容1)联合收割机电液比例控制系统2)控制系统的硬件设计3)系统的软件设计第二章联合收割机电液比例控制系统联合收割机割台的液压提升机构具有割台完成提升、保持和下降等功能，一般采用手动操作换向阀来完成。系统由液压系统及控制系统组成4，5，液压部分包括电液比例方向阀、溢流阀、液压泵及液压缸; 控制部分包括超声波传感器、ARM 控制器、比例放大器组成。割台高度电液比例控制系统简图如图1 所示。从图1 中可看出，割台的升降是通过超声波传感器实时

11、检测出割台的离地高度，并将检测到的信号输入ARM 处理控制比例阀，从而控制液压缸的动作。由于液压缸的出口就是比例阀，比例阀输入电流的大小决定了其输出流量的大小，也决定了液压缸出口阻力的大小，从而也就决定了割台升降的高度。当进入比例阀的电流量增大，使比例阀的开度增加，进入液压缸的压力油增多，控制割台上升; 反之，当进入比例阀的电流减少，使比例阀的开度减小，进入液压缸的压力油减少，控制割台下降，从而实现控制割台的升降。第三章控制系统的硬件设计控制系统硬件主要由ARM 测控平台、超声波传感器、比例控制放大器、电液比例方向阀和执行机构组成5。系统硬件框图如图2 所示。3.1超声波测距模块 传感器采用国

12、产T /R40 超声波传感器。电路由超声波产生部分、超声波驱动部分、超声波接收部分和温度补偿部分组成。超声波测距模块采用STC 单片机作为处理器，驱动器采用MAX232CSE 芯片，电压比较器采用LP311。该模块具有温度补偿和软件校正，并提供RS232 和3 个IO 口控制和输出数据两种工作模式。本文采用的是前者，将模块上的GND 口接DB9孔的5脚、PCW 口接DB9 孔的2 脚、PCR 口接DB9 孔的3 脚，做好这样的串口线就能通过RS232 接口直接与ARM 控制板的串口相连，就能方便地测试该模块发送和接收距离的数值，测量精度很高。3.2 ARM 测控平台要使ARM 运行起来，首先要

13、设计ARM 正常工作所需的最基本的外围电路。本文的ARM 测控平台工作示意图如图3 所示。ARM 测控平台是整个割台高度自动控制系统的重要组成部分，是联系高度信号采集和上位机控制中心的枢纽。系统控制流程是ARM 将超声波传感器测量到的信号经放大、整形和比较电路和A/D 转换得到实际测量高度，与预先设定的高度数值进行比较，当测量高度比设定高度高时，ARM 输出控制信号经比例控制放大器控制电液比例阀，驱动液压缸动作; 当测量高度比设定高度低时，原理相同。经过此自动控制过程，使收割机的割台高度稳定在设定数值，或是设定数值周围，这样就可满足用户的不同要求，减小收割的损失。33比例控制放大器比例控制放大

14、器是电液比例控制系统的重要组成部分，它必须与比例阀电机械转换器相匹配，并具有各种附加电子线路或校正网络，可以实现控制信号的生成、信号处理、前置放大、功率放大、测量放大和反馈校正等功能，以改善电液控制元件或系统的稳态和动态特性。其组成主要包括: 滤波电路、稳压器、4 路输入信号预调电路、输入信号选择电路、差动信号输入电路、2 路脉宽脉宽调制输出电路、斜坡发生器和函数发生器等。由于需要由独立的电控装置( ARM) 提供控制电压，必须自此接口输入控制电压，所以采用0 10 V差动信号输入。将位移传感器和液压缸活塞杆机械并联，当液压缸运行时其行程即与位移传感器的行程一致，并设液压缸整个行程的位移为S。

15、位移传感器所反馈的电压信号经模拟量通道输入，读取信号电压值，并进行数字滤波处理。当液压缸处于行程始端( 活塞杆完全收回状态) 时，记此时的位移传感器的信号电压为VS。当液压缸处于行程末端( 活塞杆完全伸出状态) 时，记此时的位移传感器的信号电压为VE。第四章控制系统的硬件设计41系统软件流程图系统的主程序流程图如图4 所示，程序具体功能包括: 系统的初始化、调用超声波测距模块、显示当前割台高度值、存储割台高度、检查当前割台高度是否在所设定的范围之内，调用PID 控制子程序驱动液压比例阀动作，使得液压缸做出相应调整。42系统控制框图根据控制系统原理及该整个系统的控制要求，可得自动控制系统的基本控

16、制框图如图5 所示。系统采用PID 算法实现。图中u0( t) 是设定的割台高度值，这个值可以直接从上位机的串口输入。u( t) 是超声波测距模块所测的高度值。e( t) 是高度设定值与测量值之差。ARM处理器执行完PID 控制算法程序之后，输出增量值给比例放大器，经放大器放大i 倍后驱动电液比例阀动作，控制比例阀的进油和出油，再通过控制液压缸进油量Q，来控制割台的升降量y第五章 联合收割机输送装置的工作原理和参数计算  谷物收获机械中的输送装置作为收割流程中的中间过渡环节，在收获机械上应用比较广泛，它所起的作用已经逐渐受到人们的关注，本文主要从输送装置的工作类型和原理上并

17、结合在收获机械的实际应用作一个简要的叙述。  5.1 输送装置的分类及功用   谷物联合收割机收获流程比较复杂，在收获过程中谷物以多种形式存在，比如谷粒、茎杆，颖糠、杂余等物质统称为物料，在完成某个环节后，它们由谷物联合收割机中的特定的装置输送到下一个工作部件，这种特定装置被定义为输送装置。输送装置主要有螺旋式输送器、刮板式输送器和抛扬器等三种，它们由于结构上的差异被应用于收割机不同部分的输送。5.2 输送装置的工作原理和主要参数计算方法螺旋式输送器主要用来输送谷粒和杂余，也可以运送茎秆等，其特点为结构简单，能够实现水平、倾斜和垂直方向的输送，

18、应用的比较广泛。比如联合收割机中的粮食搅龙和杂余搅龙以及粮箱里的均布搅龙等均为水平推运搅龙，卸粮筒里的搅龙为倾斜方向的搅龙。当螺旋式输送器以角速度旋转时，O点处的物料的运动速度V0和物料螺旋页面的滑动形成的相对速度AB，合成速度为OB(Vn)。考虑到物料与螺旋叶片之间有摩擦力的存在，合成后的速度应当较原速度偏转一摩擦角，而形成螺旋叶片作用下的绝对速度vf，在Z轴的分量为Vz，在圆周方向分量为Vt    Vz=Vfcos(+)    Vf=Vn/cos, Vn=V0sin   

19、Vz=V0(sin/cos)cos(+)   而V0=R=Sn/60tg    Vz=(Sn/60)cos2(1-ftg)   式中f, -钢铁与谷物的摩擦系数和摩擦角。   当1-ftg0时，Vz0，物料将不能作轴向运动，即tg1/tg或者90°-，因为在螺旋叶片处对应的最大，所以应当以此处进行计算。   对式中的Vz求导可得，并且令dvz/d=0,得出轴向速度最大时的螺旋角为：   

20、|v2=max|=/4-/2   谷粒与杂余螺旋推运器的螺旋外径D是由生产率决定的，在脱粒机和联合收割机上D=75-250mm，在现代化的大型联合收割机上螺旋输送器的D可达到350mm，螺距S=(0.75-1.2)D,但是应当符合螺旋角的要求。叶片与底壳间隙=8-10mm，螺旋输送器的轴径d=(0.02-0.03)L,螺旋叶片厚度为1.5-3mm，转速n=60-400r/min   2、生产率与功率耗用：螺旋式输送器的生产率由转速、螺距、螺旋的横断面积以及充满系数决定。公式及参数如下：   Q=(D+2)2-d2/4.60.S.n.C(t/h)    参考文献1 张认成，桑正中，张际先 联合收割机自动控制研究现状与展望J，江