甘蔗收获机辊筒防堵塞电液控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及单片机控制技术和液压系统控制，是一种实现自适应控制的电液控制系统。
技术背景
截至2018年，我国的甘蔗种植面积已经达到1405.8千公顷，但是我国的甘蔗收获机机械化程度低，甘蔗倒伏和弯曲问题突出，目前投入使用的甘蔗收获机普遍存在物流通道堵塞的问题，这些问题严重影响了甘蔗收割效率和收割质量。
发明内容
本发明通过扭矩传感器，转速传感器分别测量各辊筒扭矩和转速以及收获机前进速度信号数据，把测量信号输入到单片机控制器，单片机控制器运行控制程序进行分析判断在一段时间内各辊筒的平均扭矩和平均转速的变化情况，并输出指令控制信号，该指令信号用于控制液压系统和车速调节系统，使得各辊筒的转速与收获机前进速度都处于一个合适的范围值之内，以此达到控制各滚筒转速和甘蔗喂入量的目标。
本发明通过如下技术方案解决上述技术问题:一种甘蔗收获机辊筒防堵塞电液控制系统，包括硬件和控制系统，其特征在于，所述硬件包括单向定量液压马达、输入滚筒组、剥叶辊筒组、支撑板、滚筒轴、转速传感器、扭矩传感器和联轴器，具体结构和连接关系为：
所述输入滚筒组主要包括上端输入辊筒和下端输入滚筒，剥叶辊筒组主要包括上端剥叶辊筒和下端剥叶滚筒，断尾辊筒组主要包括上端断尾辊筒和下端断尾辊筒，三个相同的单向定量液压马达分别与上端输入辊筒、上端剥叶辊筒和上端断尾辊筒相连接；三个相同的扭矩传感器两端分别与联轴器相连，联轴器另一端分别与单向定量液压马达和辊筒轴连接，转速传感器固定在支撑板上测量辊筒轴的转速。上端输入辊筒和下端输入滚筒通过模数和齿数相同的齿轮啮合传，上端剥叶辊筒和下端剥叶滚筒通过模数和齿数相同的齿轮啮合传动，上端断尾辊筒和下端断尾滚筒通过模数和齿数相同的齿轮啮合传动。
电液控制系统由单片机控制器、液压系统组成和反馈测量仪器组成闭环控制系统，扭矩传感器、转速传感器和车速传感器作为电液控制系统的信号反馈测量仪器，传感器测量的信号经过数据转换模块生成单片机控制器能够识别的电信号，单片机控制器内部存储能够调节各滚筒转速和前进速度的程序和数据，单片机控制器输出的信号经过比例放大器放大信号后输入到三位四通电液比例流量阀中控制流量阀的开度。液压系统部分包括单向定量液压马达和三位四通电液比例流量阀，液压马达的两个端口A、B分别与电液比例流量阀的端口C和D相连，比例阀的另外两个液压端口E、F分别与液压油路和液压油箱相连。
如表1各项参数的定义所示，此表中的参数除了辊筒扭矩平均值和转速平均值属于实时测量的数据外，其他参数都代表一个定值，是在单片机控制器的程序存储器内提前设置好的数据信息，是为了单片机控制器计算分析传感器测量的数据，对比表中数据而做出判断并输出控制指令的参数依据，表中以符号参数表征是为了能够更清楚地描述电液控制系统的控制方法而定义的参数。
所述的甘蔗收获机辊筒防堵塞电液控制系统的控制方法，包括如下步骤：
(1)在单片机控制器的程序存储器内写入甘蔗收获机各辊筒的作业控制程序，设定若干个辊筒扭矩等级，相邻的两个扭矩等级的扭矩差值为T。
(2)在单片机控制器的程序存储器内提前设定各辊筒的最佳初始转速和转速调节值为N的程序控制指令。
(3)在单片机控制器的程序存储器内设定若干个整车前进速度等级程序控制指令，相邻的两个速度等级的差值为V，设定甘蔗收获机的初始前进速度VQ。
(4)当输入辊筒扭矩平均值TS每增大一个扭矩等级值T，即TS+T，且在对应时间段的辊筒转速N’S降低一个转速等级N时，单片机控制器输出提高输入辊筒转速的控制指令，通过控制指令来提高电液比例流量阀的流量输出，提高液压马达的转速，进而提高输入辊筒转速，使得辊筒转速达到N’S+N，否则保持当前输入辊筒的转速N’S。如果输入辊筒扭矩平均值TS的增大的值小于一个扭矩等级值T，则保持当前输入辊筒的转速N’S和提高前进速度至VQ+V。当输入辊筒的扭矩大于或等于辊筒扭矩极大值，且辊筒转速小于或等于极小值时，需要降低甘蔗收获机前进速度，使前进速度降低一个等级，即降低至VQ-V，防止由于输入辊筒处的甘蔗流量过大而造成整个物流通道的堵塞。
(5)当剥叶滚筒处的扭矩平均值TB增大一个扭矩等级T，即TB+T且对应时间段的辊筒转速NB降低一个转速差值N时，单片机控制器输出提高剥叶辊筒转速的控制指令，通过控制指令来提高电液比例流量阀的流量输出，提高液压马达的转速，进而提高剥叶辊筒转速，使得辊筒转速达到N’B+N，否则保持当前输入辊筒的转速NB，防止由于剥叶辊筒处的甘蔗流量过大而造成物流通道堵塞。
(6)当断尾滚筒处的扭矩平均值TD增大一个扭矩等级T，即TD+T，且对应时间段的辊筒转速N’D降低一个转速差值N时，单片机控制器输出提高断尾辊筒转速的控制指令，通过控制指令来提高电液比例流量阀的流量输出，提高液压马达的转速，进而提高断尾辊筒的转速，使得辊筒转速达到N’D+N，否则保持当前输入辊筒的转速ND，防止由于断尾辊筒处的甘蔗流量过大而造成物流通道堵塞。
(7)当液压马达的流量达到最大值时，辊筒转速会达到调节最大极限值NMax，这时辊筒扭矩会随着甘蔗喂入量的增加而继续增大，但是辊筒转速则会逐渐降低，为了保证剥叶辊筒及其后端的物流通道不发生堵塞，则在剥叶辊筒或断尾辊筒中的一个辊筒机构已达到调速最大极限值NMax时，单片机控制器输出控制指令保证输入辊筒的转速不再随着输入辊筒扭矩的增大而增加，而是保持当前输入辊筒的转速。
(8)当剥叶辊筒和断尾辊筒转速达到调节极限无法调节时，剥叶辊筒和断尾辊筒的扭矩会随着甘蔗喂入量的增加而增大，当剥叶辊筒或断尾辊筒的扭矩达到极大值TMax，转速达到极小值NMin时，需要降低收获机前进速度至VQ-V，降低甘蔗喂入量。
所述的开关电源采用24V的开关电源，开关电源为整个电控系统提供工作电源。
所述的辊筒扭矩传感器采用应变片扭矩传感器，转速传感器采用霍尔转速传感器。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明通过扭矩传感器，转速传感器分别测量各辊筒扭矩和转速信号数据，单片机控制器分析判断在一段时间内各辊筒的平均扭矩和平均转速的变化情况，输出能够调节辊筒处于合适转速和甘蔗喂入量的指令信号，指令信号传入电液比例流量阀控制单向定量液压马达的流量以控制辊筒转速，或者输出的指令信号控制甘蔗收获机的前进速度，以此调节甘蔗切割量和喂入量，从而调节辊筒受到甘蔗的挤压力，调节辊筒扭矩，使得各辊筒的转速与收获机前进速度都处于一个合适的范围值之内，达到防止物流通道堵塞的目标。
附图说明
图1是本发明甘蔗收获机各辊筒的结构主视图。
图2是本发明甘蔗收获机各辊筒的结构俯视图。
图3是本发明甘蔗收获机各辊筒的结构侧视图。
图4是本发明甘蔗收获机辊筒防堵塞电液控制系统的工作原理示意图。
图5是本发明甘蔗收获机辊筒防堵塞电液控制系统的系统控制框图。
图6是基于单片机控制的车速和输入辊筒速度调节结构框图。
图7是基于单片机控制的车速和剥叶辊筒速度调节结构框图。
图8是基于单片机控制的车速和断尾辊筒速度调节结构框图。
图中标记为：单向定量液压马达1、输入辊筒齿轮2、支撑板3、滚筒轴4、转速传感器5、上端输入辊筒6、下端输入滚筒7、上端剥叶辊筒8、下端剥叶滚筒9、上端断尾辊筒10、下端断尾辊筒11、联轴器12、扭矩传感器13、剥叶辊筒齿轮14、断尾辊筒齿轮15。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作一步说明。
首先需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1至图3所示，本发明所述的甘蔗收获机辊筒防堵塞电液控制系统及控制方法，硬件包括单向定量液压马达1、输入辊筒齿轮2、支撑板3、滚筒轴4、转速传感器5、上端输入辊筒6、下端输入滚筒7、上端剥叶辊筒8、下端剥叶滚筒9、上端断尾辊筒10、下端断尾辊筒11、联轴器12、扭矩传感器13、剥叶辊筒齿轮组14和断尾辊筒齿轮15。具体结构和连接关系为：
单向定量液压马达是液压系统的执行器，用于驱动各辊筒转动，每个滚筒组包括上端辊筒轴、上端辊筒、下端辊筒和下端辊筒轴，上下端辊筒之间的最小间隙为10mm，输入滚筒组包括上端输入辊筒轴432、上端输入辊筒6、下端输入滚筒7和下端输入辊筒轴431，剥叶辊筒组包括上端剥叶辊筒轴422、上端剥叶辊筒8、下端剥叶滚筒9和下端剥叶滚筒轴421，断尾辊筒组包括上端断尾滚筒轴411、上端断尾辊筒10、下端断尾辊筒11和下端断尾辊筒轴4。
本发明所述的扭矩传感器13、131和132都是型号相同的应变片扭矩传感器，扭矩传感器都是测量上端辊筒轴的扭矩；本发明所述的包括转速传感器5在内的3个转速传感器都是型号相同的霍尔转速传感器，三个转速传感器分别测量下端输入辊筒轴、下端剥叶辊筒轴和下端断尾滚筒轴的转速，转速传感器安装固定在支撑板3上，位于下端辊筒轴的上方，安装位置如图1所示；本发明所述的6个联轴器是型号相同的刚性联轴器。
单向定量液压马达1与联轴器122相连，联轴器122与扭矩传感器132的一端相连，扭矩传感器132的另一端与另一个相同型号联轴器相连，该联轴器与上端输入辊筒轴432相连，上端输入滚筒轴432与上端输入辊筒6相连；单向定量液压马达101与联轴器121相连，联轴器121与扭矩传感器131的一端相连，扭矩传感器131的另一端与另一个相同型号联轴器相连，该联轴器与上端剥叶辊筒轴422相连，上端剥叶滚筒轴422与上端剥叶辊筒8相连；单向定量液压马达102与联轴器12相连，联轴器12与扭矩传感器13的一端相连，扭矩传感器13的另一端与另一个相同型号联轴器相连，该联轴器与上端断尾辊筒轴411相连，上端断尾辊筒轴411与上端断尾辊筒10相连接。单向定量液压马达与各辊筒轴相连接，并通过滚筒轴传递液压马达的动力到各滚筒。
上端输入辊筒6和下端输入滚筒7通过模数和齿数相同的输入辊筒齿轮2和齿轮201啮合传动。上端剥叶辊筒8和下端剥叶滚筒9通过模数和齿数相同的剥叶辊筒齿轮14和齿轮1401啮合传动。上端断尾辊筒10和下端断尾滚筒11通过模数和齿数相同的断尾辊筒齿轮15和齿轮1501啮合传动。支撑板3用于安装三个滚筒组以及其他部件。
电液控制系统主要由单片机控制器、液压系统组成和反馈测量仪器组成闭环控制系统，扭矩传感器、转速传感器和车速传感器作为电液控制系统的信号反馈测量仪器，传感器测量的信号经过数据转换模块生成单片机控制器能够识别的信号源，单片机控制器内部存储能够调节各滚筒转速和前进速度的程序。单片机控制器输出的信号经过比例放大器放大信号后输入到三位四通电液比例流量阀中控制流量阀的开度。液压系统部分包括单向定量液压马达和三位四通电液比例流量阀，液压马达的两个端口A、B分别与电液比例流量阀的端口C和D相连，比例阀的另外两个液压端口E、F分别与液压油路和液压油箱相连。开关电源采用24V的开关电液。如图4甘蔗收获机物流通道防堵电液控制系统的工作原理示意和图5甘蔗收获机物流通道防堵电液控制系统的系统控制框图所示。
如表1各项参数的定义所示，此表中的参数除了辊筒扭矩平均值和转速平均值属于实时测量的数据外，其他参数都代表一个定值，是在单片机控制器的程序存储器内提前设置好的数据信息，是为了单片机控制器计算分析传感器测量的数据，对比表中数据而做出判断并输出控制指令的参数依据，表中以符号参数表征是为了能够更清楚地描述电液控制系统的控制方法而定义的参数。
本发明所述的甘蔗收获机剥叶辊筒防堵塞电液控制系统的控制方法，包括如下步骤：
(1)在单片机控制器的程序存储器内写入甘蔗收获机各辊筒的作业控制程序，设定若干个辊筒扭矩等级，相邻的两个扭矩等级的扭矩差值为T。
(2)在单片机控制器的程序存储器内提前设定各辊筒的最佳初始转速和转速调节值为N的程序控制指令。
(3)在单片机控制器的程序存储器内设定若干个整车前进速度等级程序控制指令，相邻的两个速度等级的差值为V。设定甘蔗收获机的初始前进速度VQ。
(4)当输入辊筒扭矩平均值TS每增大一个扭矩等级值T，即TS+T，且在对应时间段的辊筒转速N’S降低一个转速等级N时，单片机控制器输出提高输入辊筒转速的控制指令，通过控制指令来提高电液比例流量阀的流量输出，提高液压马达的转速，进而提高输入辊筒转速，使得辊筒转速达到N’S+N，否则保持当前输入辊筒的转速N’S。如果输入辊筒扭矩平均值TS的增大值小于一个扭矩等级值T，则保持当前输入辊筒的转速N’S和提高前进速度至VQ+V。当输入辊筒的扭矩大于或等于辊筒扭矩极大值TSMax，且辊筒转速小于或等于极小值NSMin时，需要降低甘蔗收获机前进速度，使前进速度降低一个等级，即降低至VQ-V，防止由于输入辊筒处的甘蔗流量过大而造成整个物流通道的堵塞。如图6所示，基于单片机控制的车速和输入辊筒速度调节结构框图。
(5)当剥叶滚筒处的扭矩平均值TB增大一个扭矩等级T，即TB+T，且对应时间段的辊筒转速N’B降低一个转速差值N时，单片机控制器输出提高剥叶辊筒转速的控制指令，通过控制指令来提高电液比例流量阀的流量输出，提高液压马达的转速，进而提高剥叶辊筒转速，使得辊筒转速达到N’B+N，否则保持当前输入辊筒的转速NB，防止由于剥叶辊筒处的甘蔗流量过大而造成物流通道堵塞。如图7所示，基于单片机控制的车速和剥叶辊筒速度调节结构框图。
(6)当断尾滚筒处的扭矩平均值TD增大一个扭矩等级T，即TD+T，且对应时间段的辊筒转速ND降低一个转速差值N时，单片机控制器输出提高剥叶辊筒和断尾辊筒转速的控制指令，通过控制指令来提高电液比例流量阀的流量输出，提高液压马达的转速，进而提高断尾辊筒的转速，使得辊筒转速达到N’D+N，否则保持当前输入辊筒的转速ND，防止由于断尾辊筒处的甘蔗流量过大而造成物流通道堵塞。如图8所示，基于单片机控制的车速和断尾辊筒速度调节结构框图。
(7)当液压马达的流量达到最大值时，辊筒转速会达到调节最大极限值NMax，这时辊筒扭矩会随着甘蔗喂入量的增加而继续增大，但是辊筒转速则会逐渐降低，为了保证剥叶辊筒及其后端的物流通道不发生堵塞，则在剥叶辊筒或断尾辊筒中的一个辊筒机构已达到调速最大极限值NMax时，单片机控制器输出控制指令保证输入辊筒的转速不再随着输入辊筒扭矩的增大而增加，而是保持当前输入辊筒的转速。
(8)当剥叶辊筒(或断尾辊筒)转速达到调节极限无法调节时，剥叶辊筒(或断尾辊筒)的扭矩会随着甘蔗喂入量的增加而增大，当剥叶辊筒(或断尾辊筒)的扭矩达到极大值TMax，转速达到极小值NMin时，需要降低收获机前进速度至VQ-V，降低甘蔗喂入量。如图7和图8所示。
通过上述连接方式、设定方式从而实现甘蔗收获机各滚筒防堵塞的自动控制。
以上所述的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
表1各项参数的定义
