一种联合收获机清选损失率自适应控制装置及自适应控制方法

摘要

本发明涉及一种联合收获机清选损失率自适应控制装置及自适应控制方法，包括回程板，清选筛，杂余收集搅龙，籽粒收集搅龙，清选籽粒损失监测传感器，清选离心风机，在线监测与控制系统，多风道清选装置作业状态在线监测与控制系统实时采集籽粒清选损失率、清选离心风机下出风口分风板I、分风板II倾角、风机转速、风机进风口开度的作业参数，实时输出相应的控制信号作用于多风道清选装置的清选风机下出风口分风板I、分风板II倾角调节机构、风机转速调节机构和离心风机进风口开度调节机构的驱动装置上，并完成多风道清选装置工作参数的实时调节，以使多风道清选装置的籽粒清选损失率分布在合理的范围内，大大提高了整机的无故障工作时间。

说明书

技术领域

本发明属于联合收获机清选装置设计及自适应控制领域，具体涉及一种联合收获机清选损失率自适应控制装置与方法。

背景技术

清选装置是联合收获机的“消化系统”，是影响整机作业质量、效率和适应性的核心工作部件。我国市场上保有量最大的水稻联合收获机大多采用传统的风筛式清选装置（单风道离心风机+双层振动筛），单风道离心风机用于产生清选气流，利用脱出物中各组分（包括籽粒、短茎秆、颖壳和少量轻杂余等）漂浮特性的不同，配合双层振动编织筛或鱼鳞筛，共同完成籽粒与茎秆、杂余等的分离清选。研究表明，传统风筛式清选装置目前已成为制约大喂入量水稻联合收获机发展的最主要瓶颈，其具体表现为：高产超级稻含水率高，脱出物各组分漂浮速度交错、一次气流清选吹托分层困难；高产超级稻脱出物清选时喂入量大，籽粒难以快速透筛，严重制约了清选装置的作业性能和效率，传统清选装置不能适应作物品种不断更新、单产迅速提高的要求。

国际著名的John Deere、CASE、New Holland、CLAAS等欧美农机跨国公司近年来研发的988 STS（John Deere）、2388（CASE）、CR980（New Holland）和TUCANO 470（CLAAS）等大型联合收获机产品，具有喂入量大、作业效率高、智能化程度高等特点，但这些机型主要用于收获小麦、大豆、油菜等旱作物，一般采用轮式底盘，割幅6～10米，自重8～10吨，无法适应我国水稻特性、南方超级稻主产区的10-15亩田块尺寸和深泥角作业环境。此外，其清选装置采用双风机（或大直径双风道风机）、预清选抖动板、回程输送板、多层清选筛等组合结构，几何尺寸庞大，无法应用到我国水稻联合收割机上。日韩等国的半喂入联合收获机受自身结构限制，无法实现大型化，作业效率和收获适应性无法大幅提高，已逐步退出我国水稻收获机械的主流市场。更重要的是，虽然欧美等发达国家生产大型联合收割机产品，但关于其高性能清选装置的试验数据、设计理论与方法属于各公司的核心机密，不会对外公开。总之，国外也没有相关的理论与方法可用来指导我国大喂入量水稻联合收获机清选装置的设计，同时因为作业对象本身特性的差异，使得我们也无法借用国外产品的设计经验。

另外，由于联合收获机作业对象差异显著、作业工况千变万化、作业环境异常复杂均对清选装置的性能造成了显著影响，传统清选装置部分结构与运动参数只能通过手工方式、依照经验进行有级调节，无法根据作业对象和环境的变化，自动调整清选装置的作业状态参数来保证作业性能，其收获适应性较差。在保障清选性能的条件下，工作参数可根据作业条件进行自适应调整是清选技术发展的必然趋势。纵观国外先进联合收获机，电子信息技术在其上得到了广泛运用，联合收获机能根据作业过程中的作业质量自动调整各种工作参数，在提高生产效率的同时，将故障率控制在一定范围内，同时大大提高了整机的无故障工作时间。与欧美跨国公司先进的联合收获机相比，我国谷物联合收获机大都仅安装有堵塞、粮箱满等少量报警装置，普遍缺乏工作参数与作业性能监测、工作参数电动/自动调节等智能化监控装置，使得机器作业性能不稳定，作业效率依赖机手的熟练程度，且操纵强度大，堵塞故障频发，其无故障工作时间不到国外机型的五分之一，无法适应满足我国水稻规模化生产及稻油（麦）轮作区抢收抢种等作业要求。近年来，国内外学者在联合收获机智能化技术方面开展了大量的研究工作，但大多数研究仅是针对单一工作参数和作业性能参数的监测或预测模型的研究，没有根据监测到的当前作业参数值对相关部件进行反馈控制而且对多作业参数融合控制的研究也相对较少。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了一种多风道清选装置及多风道清选装置自适应清选方法。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的：一种联合收获机清选损失率自适应控制装置，包括回程板，清选筛，杂余收集搅龙，籽粒收集搅龙，清选籽粒损失监测传感器和清选离心风机，清选籽粒损失监测传感器位于清选筛筛框的尾部，回程板位于振动筛上侧，杂余收集搅龙位于振动筛尾部下侧，籽粒收集搅龙与清选离心风机底部齐平，籽粒收集搅龙与储粮箱相连，清选离心风机位于振动筛下侧，清选离心风机的前侧与振动筛的前侧平齐；还包括在线监测与控制系统，所述在线监测与控制系统的输入端与所述清选籽粒损失监测传感器相连，所述在线监测与控制系统的输出端与所述清选离心风机相连，用来控制所述清选离心风机的进风量和进风方向。

上述方案中，所述的清选离心风机包括风机进风口开度调节机构，风机叶片驱动机构，蜗壳，下出风口，分风板                                               及第一角度调节机构，分风板及第二角度调节机构，上出风口在上振动筛下部，下出风口处设有分风板和分风板，分风板延长线过上振动筛中心，分风板延长线与下振动筛尾部相交，所述风机进风口开度调节机构、所述风机叶片驱动机构、所述第一角度调节机构及所述第二角度调节机构分别于所述在线监测与控制系统的输出端连接。

上述方案中，所述风机叶片驱动机构由液压马达，液压马达安装板，联轴器（502-3），风机叶片，风机轴，轴承座组成；风机叶片均布安装在风机轴上，风机轴通过两端的轴承座安装在机架上，液压马达安装板通过螺栓连接到机架上，液压马达安装在液压马达安装板上，并使液压马达输出轴的中心线与风机轴的中心线重合，用联轴器把风机轴（502-5)与液压马达的伸出轴相连；液压马达的通过信号线与在线监测与控制系统相连，在在线监测与控制系统的控制下实现清选离心风机转速的调节。

上述方案中，所述风机进风口开度调节机构包括直流电动推杆，半月形遮风板上连接孔，半月形遮风板，半月形遮风板下连接孔；直流电动推杆安装在上出风口侧壁上，半月形遮风板的一端通过半月形遮风板上连接孔与直流电动推杆的伸出轴上的杆端关节轴承相连，半月形遮风板的另一端通过半月形遮风板下连接孔与风机下出风口的外壁活动连接；直流电动推杆通过信号线与在线监测与控制系统相连，在线监测与控制系统通过控制直流电动推杆伸出轴的运动实现推动半月形遮风板绕着半月形遮风板下连接孔转动来控制风机进风口风量。

上述方案中，所述第一角度调节机构由吊耳，步进电动机，旋转杆，分风板，滑道，吊耳，步进电动机支撑架，风机机壁组成；步进电动机通过步进电动机支撑架安装在机壁上，旋转杆的一端安装在步进电动机的输出轴上，吊耳固定在步进电动机的输出轴上；在风机机壁上开出圆弧形滑道，旋转杆的另一端经过圆弧形滑道与吊耳相连，步进电动机通过信号线与在线监测与控制系统相连，步进电动机在在线监测与控制系统的控制下实现正向或反向转动，进而带动分风板转动，实现分风板角度的调节。

上述方案中，所述第二角度调节机构由吊耳I，步进电动机，旋转杆，分风板，滑道，吊耳II，步进电动机支撑架，风机机壁组成；步进电动机通过步进电动机支撑架安装在机壁上，旋转杆的一端安装在步进电动机的输出轴上，吊耳I固定在步进电动机的输出轴上；在风机机壁上开出圆弧形滑道，旋转杆的另一端经过圆弧形滑道与吊耳II相连，步进电动机通过信号线与在线监测与控制系统相连，步进电动机在在线监测与控制系统的控制下实现正向或反向转动，进而带动分风板转动，实现分风板角度的调节。

本发明还提供了一种利用联合收获机清选损失率自适应控制装置进行自适应控制的方法，包括以下步骤：

S1：联合收获机工作过程中，实时获取清选离心风的下出风口分风板I倾角、下出风口分风板II倾角、风机转速、风机进风口开度这4个工作参数，以及籽粒清选损失率这一1个性能参数来表征多风道清选装置的作业状态；

S2：对各监测数据进行异常数据替代、缺失数据补齐、数据消噪等预处理，以消除随机、不确定性因素对后续数据分析的影响；

S3：将清选离心风的下出风口分风板I倾角、下出风口分风板II倾角、风机转速、风机进风口开度这4个工作参数时间序列视为关联变量，基于监测数据预处理，以预测有效度作为预测精度的评估准则，应用贝叶斯网络推理提取清选装置性能参数时间序列强关联变量，通过混沌相空间重构方法确定多变量清选装置性能参数时间序列样本重构维数并结合灰色关联聚类分析方法和高斯过程回归模型，动态确定清选装置性能参数时间序列样本最佳重构维数；

S4：应用希尔伯特—黄变换（HHT）分析方法，通过经验模态分解（EMD）将清选装置性能参数的时间序列分解成不同瞬时频率固有模态函数（IMF）分量的叠加，依据清选装置性能参数时间序列的瞬时特征建立清选装置性能参数自适应预测模型；

S5：以清选装置性能参数自适应预测模型的预测值为样本输入，以变量拟合残差作为样本输出，通过多元核支持向量回归机（MSVR）对清选装置性能参数自适应预测模型的的拟合残差进行回归分析，进一步对预测值进行修正；

S6：多风道清选装置作业状态在线监测与控制系统, 以通过多元核支持向量回归机（MSVR）模型修正后的清选装置性能指标参数预测值为输入变量，应用模糊控制理论，实时输出相应的控制信号作用于多风道清选装置清选离心风（5) 的下出风口分风板I倾角、下出风口分风板II倾角、风机转速、风机进风口开度调节机构上并完成多风道清选装置各工作参数的实时调节，以使多风道清选装置的性能参数（籽粒清选损失率）分布在合理的范围内。

本发明的有益效果：（1）本专利针对制约中国大喂入量水稻联合收获机核心工作部件——清选装置的作业性能、效率和收获适应性的技术瓶颈，提出了一种新型多风道清选装置及多风道清选装置自适应清选方法，应用本专利技术的清选装置能根据作业过程中的作业质量自动调整各种工作参数，在提高生产效率的同时，将故障率控制在一定范围内，同时大大提高了整机的无故障工作时间。（2）另外，本专利提出的多风道清选装置及自适应清选方法可用于水稻、小麦、油菜、大豆等其他作物清选装置中，将在很大程度上推动我国收获机械行业的技术进步，为我国粮食安全提供理论、技术和装备保障。

附图说明

图1是联合收获机多风道清选装置主视图。

图2是联合收获机多风道清选装置清选筛主视图。

图3是清选筛驱动装置结构示意图。

图4是多风道清选风机主视图。

图5是清选离心风机驱动装置左视图。

图6是清选风机进风口开度调节机构主视图。

图7是分风板角度调节机构主视图。

图8是分风板主视图。

图9是分风板角度调节机构左视图。

图10是分风板II结构主视图。

图11是分风板II角度调节机构主视图。

图12是分风板II角度调节机构左视图。

图中：1-回程板，2-清选筛，3-杂余收集搅龙，4-籽粒收集搅龙，5-清选离心风机；201-上抖动板，202-下抖动板，203-鱼鳞筛片，204-上振动筛，205-鱼鳞筛片开度调节装置， 206-锯齿形尾筛，207-清选籽粒损失监测传感器，208-下振动筛驱动轴，209-下振动筛，2010-弧形导风板，2011-上抖动板驱动轴承，2012进风口， 2013-下振动筛驱动液压马达，2014-联轴器；501-风机进风口开度调节机构，502-风机叶片及驱动机构，503-蜗壳，504-下出风口，505-分风板I及角度调节机构，506-分风板II角度调节机构，507-上出风口；501-1-直流电动推杆，501-2-半月形遮风板上连接孔，501-3-半月形遮风板，501-4-半月形遮风板下连接孔，502-1-液压马达，502-2-液压马达安装板，502-3-联轴器，502-4-风机叶片，502-5-风机轴，502-6-轴承座；505-1-吊耳I，505-2-步进电动机，505-3旋转杆，505-4-分风板，505-5-滑道，505-6吊耳II，505-7步进电动机支撑架，505-8清选风机机壁；506-1-吊耳I，506-2-步进电动机，506-3-旋转杆，506-4-分风板，506-5-滑道，506-7-吊耳II，506-8-步进电动机支撑架，506-9-清选风机机壁，7 在线监测与控制系统。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，多风道清选装置由回程板1，清选筛2，杂余收集搅龙3，籽粒收集搅龙4，清选离心风机5组成；回程板1位于振动筛2上侧，杂余收集搅龙3位于振动筛2尾部下侧，籽粒收集搅龙4位于在振动筛2下侧1/4位置处，籽粒收集搅龙4与清选离心风机5底部齐平，籽粒收集搅龙4与储粮箱相连，清选离心风机5位于振动筛2下侧，清选离心风机5的前侧与振动筛2的前侧平齐。籽粒清选装置长度为2.0m~2.5m，宽度为1.2m~1.5m，高度为0.6m~0.8m；回程板的长度为0.8~1.5m，宽度1.0~1.5mm。

如图2,3所示，清选筛2包括上抖动板201，下抖动板202，鱼鳞筛片203，上振动筛204，鱼鳞筛片开度调节机构205，锯齿形尾筛206，清选籽粒损失监测传感器207，下振动筛驱动轴208，下振动筛209，弧形导风板2010，上抖动板驱动轴承2011，进风口2012；上抖动板201位于上振动筛204上前侧，鱼鳞筛片203位于上振动筛204前部，锯齿形尾筛206位于上振动筛204尾部，鱼鳞筛片开度调节机构205位于上振动筛204与下振动筛209之间，鱼鳞筛片开度调节机构205的动力驱动机构安装在的清选筛2筛框尾部；弧形导风板2010位于上振动筛204的下部，弧形导风板2010的后部与下振动筛209的前部相连，弧形导风板2010的前部与上振动筛204的前部在水平方向上平齐。进风口2012位于上抖动板201与上振动204之间，在上振动筛204的正前方，进风口2012的延长线与上振动筛204平行；上抖动板驱动轴承2011与上抖动板201相连，下振动筛驱动链轮208位于清选筛2筛框的后部外侧，并与下振动筛209相连；下振动筛驱动液压马达2013安装在清选筛2筛框的后部外侧并固定在清选室外的机架上，下振动筛驱动轴208通过联轴器2014与下振动筛驱动液压马达2013相连；清选籽粒损失监测传感器207位于清选筛2筛框的尾部，下振动筛209采用编织筛结构；清选筛2长度为2.0m~2.5m，宽度为1.2m~1.5m，高度为0.6m~0.8m；抖动板801距上振动筛204 0.050m~0.10m，抖动板201尾部与上振动筛204重叠0.5m~0.8m，上振动筛204位于下振动筛209上侧0.10m~0.15m，上振动筛204和下振动筛209的外侧宽度为1.2m~1.5m。

如图4所示,，清选离心风机5包括风机进风口开度调节机构501，风机叶片及驱动机构502，蜗壳503，下出风口504，分风板I及角度调节机构505，分风板II角度调节机构506，上出风口507，上出风口507在振动筛下出风口504处有分风板I505和分风板II506，分风板I505延长线过上振动筛204中心，分风板II506延长线与下振动筛209尾部相交；

如图5所示，风机叶片及驱动机构由液压马达502-1，液压马达安装板502-2，联轴器502-3，风机叶片502-4，风机轴502-5，轴承座502-6组成；风机叶片502-4均布安装在风机轴502-5上，风机轴502-5通过两端的轴承座502-6安装在机架上，液压马达安装板502-2通过螺栓连接到机架上，液压马达502-1安装在液压马达安装板502-2上，并使液压马达502-1输出轴的中心线与风机轴502-5的中心线重合，用联轴器502-3把风机轴502-5与液压马达502-1的伸出轴相连。液压马达502-1的控制器通过信号线与多风道自适应清选装置作业状态在线监测与控制系统8相连，在多风道自适应清选装置作业状态在线监测与控制系统8的控制下，液压马达502-1的控制器驱动液压马达502-1的相关执行部件以控制液压马达502-1转速，进而实现清选离心风机5转速的调节。

如图6所示，风机进风口开度调节机构501包括直流电动推杆501-1，半月形遮风板上连接孔501-2，半月形遮风板501-3，半月形遮风板下连接孔501-4组成；直流电动推杆501-1安装在上出风口507侧壁上，半月形遮风板501-3的一端通过半月形遮风板上连接孔501-2与直流电动推杆501-1的伸出轴上的杆端关节轴承相连，半月形遮风板501-3的另一端通过半月形遮风板下连接孔501-4与风机下出风口504的外壁活动连接；直流电动推杆501-1通过信号线与多风道自适应清选装置作业状态在线监测与控制系统8相连，工作过程中，多风道自适应清选装置作业状态在线监测与控制系统8控制着直流电动推杆501-1伸出轴的运动，进而推动半月形遮风板501-3绕着半月形遮风板下连接孔501-4转动，实现风机进风口开度的调节，以控制风机进风口风量。

如图7, 8, 9所示，分风板角度调节机构505由吊耳 505-1，步进电动机505-2，旋转杆505-3，分风板 505-4，滑道505-5，吊耳 505-6，步进电动机支撑架505-7，风机机壁505-8组成；步进电动机505-2通过步进电动机支撑架505-7安装在风机机壁505-8上，旋转杆505-3的一端安装在步进电动机505-2的输出轴上，吊耳 505-1固定在步进电动机505-2的输出轴上；在风机机壁505-8上开出圆弧形滑道505-5，旋转杆505-3的另一端经过圆弧形滑道505-5与吊耳 505-6相连。步进电动机505-2通过信号线与多风道自适应清选装置作业状态在线监测与控制系统7相连，工作过程中，步进电动机505-2在多风道自适应清选装置作业状态在线监测与控制系统7的控制下实现正向或反向转动，进而带动分风板 505-4转动，实现分风板 505-4角度的调节。

如图10, 11, 12所示，分风板II角度调节机构506由吊耳I 506-1，步进电动机506-2，旋转杆506-3，分风板506-4，滑道506-5，吊耳II506-7），步进电动机支撑架506-8，机壁506-9组成；步进电动机506-2通过步进电动机支撑架506-8安装在机壁506-9上，旋转杆506-3的一端安装在步进电动机506-2的输出轴上，吊耳I 506-1固定在步进电动机506-2的输出轴上；在机壁506-9上开出圆弧形滑道506-5，旋转杆506-3的另一端经过圆弧形滑道506-5与吊耳II 506-7相连。步进电动机506-2通过信号线与多风道自适应清选装置作业状态在线监测与控制系统8相连，工作过程中，步进电动机506-2在多风道自适应清选装置作业状态在线监测与控制系统8的控制下实现正向或反向转动，进而带动分风板II 506-4转动，实现分风板II 506-4角度的调节。

工作过程中：首先将籽粒损失监测传感器安装于清选筛尾部支架上，根据建立的籽粒清选损失籽粒量与清选筛尾部不同区域内籽粒分布量之间的数学关系，进行籽粒清选损失实时间接监测，并利用谷物流量传感器测得的籽粒质量算出当前多风道清选装置的籽粒清选损失率； 

其次，多风道清选装置作业状态在线监测与控制系统实时获取4个工作参数（清选离心风（5) 的下出风口分风板I倾角、下出风口分风板II倾角、风机转速、风机进风口开度）及1个性能参数（籽粒清选损失率）来表征多风道清选装置的作业状态；接着，多风道清选装置作业状态在线监测与控制系统对各监测数据进行异常数据替代、缺失数据补齐、数据消噪等预处理，以消除随机、不确定性因素对后续数据分析的影响；下一步，多风道清选装置作业状态在线监测与控制系统将清选装置的4个工作参数及1个性能参数时间序列视为关联变量，基于监测数据预处理，以预测有效度作为预测精度的评估准则，应用贝叶斯网络推理提取清选装置性能参数时间序列强关联变量，通过混沌相空间重构方法确定多变量清选装置性能参数时间序列样本重构维数并结合灰色关联聚类分析方法和高斯过程回归模型，动态确定清选装置性能参数时间序列样本最佳重构维数；

接下来，多风道清选装置作业状态在线监测与控制系统应用希尔伯特—黄变换（HHT）分析方法，通过经验模态分解（EMD）将清选装置性能参数的时间序列分解成不同瞬时频率固有模态函数（IMF）分量的叠加，依据清选装置性能参数时间序列的瞬时特征建立清选装置性能参数自适应预测模型；接着，多风道清选装置作业状态在线监测与控制系统以清选装置性能参数自适应预测模型的预测值为样本输入，以变量拟合残差作为样本输出，通过多元核支持向量回归机（MSVR）对清选装置性能参数自适应预测模型的的拟合残差进行回归分析，进一步对预测值进行修正；最后，多风道清选装置作业状态在线监测与控制系统, 以通过多元核支持向量回归机（MSVR）模型修正后的清选装置性能指标参数预测值为输入变量，应用模糊控制理论，实时输出相应的控制信号作用于多风道清选装置清选离心风机的下出风口分风板I倾角、下出风口分风板II倾角、风机转速、风机进风口开度调节机构上并完成多风道清选装置各工作参数的实时调节，以使多风道清选装置的性能参数（籽粒清选损失率）分布在合理的范围内。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。