联合收获机脱粒滚筒角速度控制优化设计_基于小波神经网络_李鑫

DOI:10.13427/ki.njyi.2016.11.012
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引言
联合收获机是农业 生 产 过 程 中 最 重 要 的 装 备 之
进入滚筒和凹板的脱粒间隙 ; 脱粒元件对谷物进行冲 击和揉搓 ， 然后将谷粒和脱出物中的秸秆和颖壳分 离， 进行清选作业 。 其流程如图 1 所示 。
一， 对于提高农业生产的质量和作业效率发挥了重要 的作用 ， 大大降低了农民的作业成本和劳动强度 。 但 是， 联合收获机作业过程中普遍存在脱粒效果差 、 可 靠性低及机械故障高等问题 ， 这主要是由于联合收获 机一般采用人工操作 ， 对于不同的作业环境 ， 驾驶员 不能及时对工作状态做出相应的调整 ， 从而导致脱粒 滚筒的负荷较大 ， 造成一系列的故障 。 脱粒滚筒是联 合收获机的核心部件 ， 也是堵塞故障率最高的部件 ， 为了提高脱粒的效率 、 降低故障率 ， 需要对脱粒滚筒 结构进行改进 。 因此 ， 采用适当的控制方法对滚筒进 行控制 ， 对于提高联合收获机的整体效率和降低整体 故障率具有重要的意义 。
4
∫
∫x( t) h
* a． b
h a． b ( t ) ］ ( t) dt = ［ x( t) ，
( 2)
其等效时域的表达式为 WT x ( a ， b) = 1 ω － b jω ) e dt x( ω) h* ( a a 槡
( 1)
∫
( 3)
小波神经网络将小波算法和神经网络算法结合了 起来 ， 将神经网络的传递函数设置为隐含层的节点 ， 信号向前传播时误差会反向传播 ， 从而提高了神经网 络算法的控制精度 。 假设滚筒转速的不同时 刻 输 入 …， xk ， 小波神经网络的预测输出信号 信号为 x1 ，x2 ， …， yk ， 其结构如图 5 所示 。 为 y1 ，y2 ， 小波函数通过修正权值的方法 ， 使小波神经网络 的滚筒转速预测值和期望值不断逼近 ， 输出层的表达
网络算法要比神经网络算法的脱净率高， 从而验证了 小波神经网络算法在提高脱净率方面发挥的作用， 可 以将其应用在联合收获机滚筒的设计中 。
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结论
利用传感器采集滚 设计了一种双滚筒脱粒滚筒 ，
筒信息形成了闭环反馈调节机制 ; 采用小波神经网络 算法对转速进行了精确调整 ， 从而较大幅度地提高了 脱粒滚筒的脱粒效率和精度 ， 以及联合收获机整体的 可靠性 。 参考文献 ：
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滚筒速度控制小波神经网络算法
小波算法主要是基于傅里叶变化过程中存在的不
足发展而来 ， 小波变换可以实现离散时间内的定点监 测， 从而可以对被监测信号进行定时分析和下一时刻 的预测 。 小波变换一般是将基本的小波函数Ψ ( t ) 进
图3 Fig． 3 横轴流脱粒滚筒内部结构图
在不同尺寸下将待分析信号 a 与其做内 行平移 b 后 ， 积， 则有 WT x ( a ， b) = 1 t －b ) dt = x( t) h* ( a a 槡
i +1
The performance test of combine harvester threshing
本次采用的联合收获机上设计了改进后的双滚筒 装置 ， 并利用单片机实现小播神经网络控制算法 。 为 了验证测试的可靠性 ， 建立了仿真虚拟模型和测试实 验结果进行对比 。 脱粒滚筒的模型如图 7 所示 。
图5 Fig． 5
小波神经网络拓扑结构示意图
看出 : 通过仿真模拟得到的破碎率和实验测试得到的 破碎率基本吻合 ， 从而验证了实验测试的可靠性 。
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Topological structure of wavelet neural network
2016 年 11 月
农 机 化 研 究
第 11 期
i k
i +1 k
i +1 k
、 Δa
的数值可以根据网络 e i w n， k e i a k e i b k
则有 预测计算得到 ，
i +1 Δ w n， k = － ηΔ
( 9) ( 10 ) ( 11 )
Fig． 6
Δak Δbk
i +1
= － ηΔ = － ηΔ
图6
联合收获机脱粒滚筒性能测试
1
联合收获机滚筒结构改进
脱粒是最主要的作业流 联合收获机工作过程中 ，
程， 主要是将谷物颗粒从谷物穗上脱下 ， 同时将谷物 颗粒和其他茎秆等脱出物分离 。 收获机作业时 ， 通过 行走自动地将谷物送入脱粒滚筒 ， 在抓取力的作用下
收稿日期 ： 2015 － 09 － 06 基金项目 ： 国家自然科学基金青年基金项目( 51305152 ) 作者简介 ： 李 ( E － mail ) 鑫( 1983 － ) ， 讲 师， 硕 士， 男， 河 北邢 台人， 1983lixin1983@ sina． com 。
其中 ， η 表示学习效率 。 小波神经网络算法的滚 筒转速预 测 和 调 节 过 程 主 要 分 为 5 个 步 骤 ， 具体如 下: 1 ) 小波神经网络初始化 。 设置小波函数的伸 缩 bk ， 和平移因子 a k 、 设置设计网络权值和学习效率 k 、
η。
2 ) 将样本进行分类 。 样本分为训练和测试样本 ， 训练样本 通 过 输 入 信 号 得 到 ， 测试样本测试预测精 度。 3 ) 预测滚筒转速输出 。 通过训练样本 ， 计算预测 值和期望值的误差 。 4 ) 权值修正 。 根据误差值对权值和小波参数 进 行修正 ， 使网络输入值和期望输出值逼近 。 5 ) 结 束。 根 据 输 出 值 和 误 差， 判断计算是否结 束。 利用小波神经网络 ， 可以对滚筒的转速进行预测 和调节 ， 可大大提高脱粒滚筒转速的控制精度 ， 提高 脱粒效果 。
2016 年 11 月
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第 11 期
联合收获机脱粒滚筒角速度控制优化设计
—基于小波神经网络 李 鑫 ， 孙祥云 ， 李凌雁
054035 )
( 邢台职业技术学院，河北 邢台 摘
要： 脱 粒 滚 筒 是 联 合 收 获 机 的 核 心 部 件 ， 其性能决定了联合收获机的工 作 质 量 和 生 产 效 率。由 于 不 同 地 块
D g 表示滚筒直径 ， v g 表示滚筒的线速度 。 一 其中 ， 般可以通过经验值来判断脱粒效果较好的线速度 ， 然 后推算出较适宜的角速度 。 转筒速度的控制 可 以 通 过传感器反馈信息 ， 进行闭环控制 ， 利用适当的算法 可以提高控制过程的精度 。 本次选用小波神 经 网 络 算法对转筒转速进行调节 ， 其流程如图 4 所示 。 图 4 中， 首先通过反复试验得到脱粒效果比较好
Fig． 7 图7 脱粒滚筒三维几何模型 The three － dimensional model of threshing cylinder
根据脱 粒 滚 筒 的 三 维 设 计 结 合 尺 寸 ， 采用三维 CAD 软件建立了脱粒滚筒的仿真模型 。 其中 ， 凹板部 分设计为不规则的曲面 ， 利用离散元软件将模型分获 成若干的小三角形 ; 设置碰撞接触边界条件后 ， 可以 对脱粒过程进行仿真模拟 ， 其模拟过程如图 8 所示 。 其中 ， 谷物颗粒和脱粒工具接触后脱落 ， 通过不断地 迭代计算 ， 可以得到最终谷物颗粒的破碎率 。 实验测 试和仿真模拟的破碎率结果如表 1 所示 。 由表 1 可以
为了进一步研究小波神经网络算法对滚筒转速调 节和脱净率的影响 ， 对不同滚筒转速下使用不同算法 得到的脱净率进行了测试 。 测试过程使用玉 米 果 穗 作为研究对象 ， 一次性投入 10 穗 ， 选择 6 种不同的滚 筒转速 ， 分别对神经网络算法和小波神经网络算法下 的脱净率进行了测试 ， 其测试结果如图 9 所示 。
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2016 年 11 月 式为 y( k) =
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第 11 期
∑ ωk h( i)
－ y( k)
( 4) ( 5)
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脱粒滚筒性能实验和仿真模拟
收获机脱粒滚筒性能好坏直接决定脱粒的脱净率
小波神经网络的预测误差为 e =
∑ yn ( k)
在实验和仿真模拟时 ， 可以以脱净 和破碎率等性能 ， 率和破碎率作为参考结果 。 本次测试使用玉 米 联 合 收获机为研究对象 ， 如图 6 所示 。
对小波基函数系数和神经网络权 根据预测误差 ， 值进行修正 ， 其表达式为
1 i i +1 w in+ ， k = w n， k + Δ w n， k
( 6) ( 7) ( 8)
a b 其中 ， Δw
i +1 n， k
i +1 k i +1 k
= a + Δa = b + Δb 、Δ b
i +1 k i k i +1 k
1． 喂入口
2． 脱粒滚筒 图2
3． 脱粒滚筒凹板 6． 分离滚筒
4． 分离滚筒凹板
5． 排草口 Fig． 2
改进后的双脱粒滚筒结构图
The improved double cylinder structure
图4 Fig． 4
Hale Waihona Puke 滚筒速度自适应调节流程Ｒoller speed adaptive adjustment process
Fig． 1 图1 联合收获机脱粒滚筒工艺流程图
The process of combine harvester for threshing cylinder
联合收获机脱粒滚筒的工艺流程主要包括谷物的 脱粒和清选过程 ， 其性能的要求是脱粒干净 、 不损伤 谷物颗粒 、 脱粒滚筒的功率消耗低 、 生产效率高及综 合性能好 。 根据性能要求可以对脱粒滚筒进行改进 ， 采用双滚筒或者多滚筒的布置形式 ， 可以有效地提高 脱粒的综合效果 。 本研究对传统的联合收获 机 结 构 进行了改进 ， 采用双滚筒横轴流的布置形式 ， 滚筒前 后布置 ， 其结构和运动参数不同 ， 具体结构如图 2 所 示。 图 2 中， 前滚筒的作用主要是脱粒作用 ， 将成熟和 易脱粒的谷穗先脱下 ， 滚筒转速较低 ， 脱粒的间隙较 大， 凹板结构为脱粒性能好的栅格凹板 ; 后滚筒的主