联合收获机割台纵向高度-横向倾角协同仿形系统设计与试验

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2025.10.031

中国机械工程 ›› 2025, Vol. 36 ›› Issue (10): 2413-2422.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.10.031

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联合收获机割台纵向高度-横向倾角协同仿形系统设计与试验

黄毅¹(), 周涛¹, 周志红²(), 任子誉¹, 付玲³

^1.长沙理工大学汽车与机械工程学院, 长沙, 410114
^2.湖南工业职业技术学院机械工程学院, 长沙, 410208
^3.中联重科股份有限公司, 长沙, 410013

收稿日期:2024-10-06 出版日期:2025-10-25 发布日期:2025-11-05
通讯作者: 周志红
作者简介:黄毅，男，1978年生，教授。研究方向为工程机械动力学及控制。E-mail：tjhuangyi110@163.com
周志红^*（通信作者），男，1978年生，高级工程师。研究方向为机械结构设计、液压传动控制等。E-mail：632430930@qq.com。
第一联系人：董国军^*（通信作者），男，1974年生，副教授。研究方向为硬脆难加工材料的高效精密加工技术、超精密加工及纳米级切削加工技术等。E-mail：dongguojun@hit.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金(51875048);国家自然科学基金(52105077);湖南省自然科学基金(2022JJ40550)

Design and Experiment of Longitudinal Height-lateral Inclination Synergistic Profiling System for Combine Harvester Headers

Yi HUANG¹(), Tao ZHOU¹, Zhihong ZHOU²(), Ziyu REN¹, Lin FU³

^1.College of Automotive and Mechanical Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha，410114
^2.School of Mechanical Engineering，Hunan Industry Polytechnic，Changsha，410208
^3.Zoomlion Heavy Industry Science &Technology Co. ，Ltd. ，Changsha，410013

Received:2024-10-06 Online:2025-10-25 Published:2025-11-05
Contact: Zhihong ZHOU

摘要/Abstract

摘要：

为提高联合收获机割台纵向高度与横向倾角的协同仿形能力，并提高仿形装置的检测灵敏度，设计了一种割台协同仿形系统。系统由曲臂式仿形检测装置、割台升降与调平液压系统、PLC控制单元、HMI显示屏及手动调控模块等组成。通过对比分析直臂式与曲臂式两种仿形装置的检测灵敏度及其影响因素，优选出检测灵敏度更高的曲臂式仿形装置。提出一种割台协同仿形控制策略并结合改进的灰色预测变速PID算法进行系统控制，基于割台与其底部地形呈现的相对平行或倾斜状态，实现独立或联合调节割台高度与倾角。仿真结果表明，与传统PID相比，仿形系统调节时间相对缩短58%，有效提高了系统的调节速度。田间试验结果表明，在4~10 km/h的作业速度下，仿形系统保持较高的作业精度，留茬高度合格率相比手动模式平均提高42.42%，各组留茬高度与目标高度绝对误差均控制在15 mm以内，留茬更加均匀，表明仿形系统具有良好的协同仿形性能。

关键词: 纵向高度-横向倾角协同仿形, 仿形检测装置, 灰色预测, 变速PID 控制, 联合收获机

Abstract:

To improve the synergistic profiling capability of the combine harvester headers in terms of longitudinal height and lateral inclination， and enhance the detection sensitivity of the profiling devices， a synergistic profiling system for the headers was designed. The system consised of a curved-arm profiling detection device， a hydraulic system for header lifting and leveling， a PLC control unit， an HMI display and a manual control module. Through comparative analysis of the detection sensitivity and influencing factors of straight-arm and curved-arm profiling devices， the curved-arm profiling device with higher detection sensitivity was selected. A synergistic profiling control strategy for the headers was proposed， combined with an improved gray prediction variable-speed PID algorithm for the system control. Based on the relative parallel or inclined states between the header and the underlying terrain， independent or joint adjustment of the header heights and inclinations were achieved. Simulation results show that compared with the traditional PID control， the adjustment time of the profiling system is reduced by 58%， effectively improving the system response speed. Field tests indicate that at operating speeds of 4~10 km/h， the profiling system maintains high operation accuracy. The qualified rate of stubble height is increased by an average of 42.42% compared with the manual mode， and the absolute errors between the stubble heights of each group and the target heights are controlled within 15 mm， resulting in more uniform stubble. These results demonstrate that the profiling system has excellent synergistic profiling performance.

Key words: longitudinal height-lateral inclination synergistic profiling, profiling detection device, grey prediction, variable speed PID control, combine harvester

中图分类号:

S225.3

黄毅, 周涛, 周志红, 任子誉, 付玲. 联合收获机割台纵向高度-横向倾角协同仿形系统设计与试验[J]. 中国机械工程, 2025, 36(10): 2413-2422.

Yi HUANG, Tao ZHOU, Zhihong ZHOU, Ziyu REN, Lin FU. Design and Experiment of Longitudinal Height-lateral Inclination Synergistic Profiling System for Combine Harvester Headers[J]. China Mechanical Engineering, 2025, 36(10): 2413-2422.

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图/表 15

图1 协同仿形系统组成示意图

Fig. 1 Schematic diagram of the profiling system

图2 仿形系统工作原理

Fig.2 Control principle of profiling system

表1 液压阀的型号与规格参数

Tab.1 Hydraulic valve models and specifications

元件

名称

图3 仿形检测装置

Fig.3 Profiling detection device

图4 仿形装置工作过程示意图

Fig.4 Schematic diagram of the working process of the profiling detection device

图5 仿形装置标定试验

Fig.5 Calibration test of profiling device

图6 地形起伏示意图注：ΔH为割台目标高度允许的浮动值，即浮动范围为［H0-ΔH，H0+ΔH］，两条蓝色实线之间的阴影区域即表示±∆H

Fig.6 Schematic diagram of terrain undulation

图7 仿形动作判断程序流程图

Fig.7 Flowchart of the profiling action judgment program

图8 改进灰色预测变速PID控制原理

Fig.8 Improved grey prediction variable speed PID control principle

图9 割台高度控制阶跃响应仿真结果

Fig.9 Simulation results of header height control step response

图10 割台倾角控制阶跃响应仿真结果

Fig.10 Simulation results of header leveling control step response

图11 田间试验

Fig.11 Field experiment

图12 割台高度与倾角瞬时值

Fig.12 Instantaneous value of header height and inclination

表2 自动仿形模式下的测试结果

Tab.2 Test results under automatic profiling mode mm

采样组别	固定收获车速7 km/h			固定留茬高度100 mm
采样组别	60 mm	100 mm	160 mm	4 km/h	8 km/h	10 km/h
1	66	104	169	87	109	115
2	66	110	161	86	114	90
3	63	115	169	100	107	108
4	72	112	154	93	91	110
5	74	103	172	96	89	90
6	54	105	173	99	110	86
7	75	97	181	93	92	112
8	56	108	169	96	91	109
9	74	105	167	101	121	77
10	46	96	163	101	109	93
11	70	93	158	96	113	108
e_MAD	9	6.87	8.35	5.24	10.75	11.85
p	85.45%	87.27%	85.45%	94.5%	83.63%	80%

表3 手动调控下的测试结果 (mm)

Tab.3 Test results under manual control

采样组别	固定收获车速7 km/h			固定目标高度100 mm
采样组别	60 mm	100 mm	160 mm	4 km/h	8 km/h	10 km/h
1	80	120	185	118	128	131
2	84	78	182	115	133	134
3	83	124	177	123	128	139
4	79	79	136	86	127	136
5	87	125	179	121	130	134
6	82	128	183	120	134	139
7	86	129	181	123	137	141
8	83	123	183	116	130	132
9	86	76	188	115	134	132
10	96	127	149	123	126	129
11	84	126	184	116	135	130
e_MAD	25	24	21.54	18.6	31.02	34.29
p	43.64%	50.9%	52.72%	56.36%	30.91%	27.27%

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Design and Experiment of Longitudinal Height-lateral Inclination Synergistic Profiling System for Combine Harvester Headers

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