專利名稱：:聯合收割機脫粒滾筒堵塞故障預警及報警方法
技術領域：
：本發明涉及一種聯合收割機脫粒滾筒堵塞故障預警及報警方法，適用于聯合收割機在田間收割作業時，由于喂入負荷變化及機械故障等引起的堵塞故障診斷、故障預警和報警。該方法可稍加改動，應用于聯合收割機其它部位的堵塞故障預警和報警。
背景技術：
：隨著農業機械化程度的提高，對農業機械設備信息化要求也在不斷提高。根據我國使用聯合收割機的作業特點，急需發展狀態監測與故障診斷系統。首先，社會化服務體系(跨區作業)已成為聯合收割機收割作業的一種主要形式之一，這客觀上延長了單臺聯合收割機的單季作業時間，因此原來針對固定區域作業所制訂的可靠工作時間已不適用于社會化服務體系所需的跨區作業。跨區作業要求有更高的可靠性，要求使聯合收割機突發故障的處理和維修時間盡量減少，確保有效作業。其次，使用者素質要求聯合收割機具備更高的輔助決策功能，及時避免嚴重故障發生，以提高聯合收割機的單季收割效率。第三，聯合收割機是技術集成度較高的復雜農業機械，同時也是質量投訴率最高的農業機械。根據中國消費者協會、農業部和國家質量技術監督局近十年對聯合收割機的質量跟蹤調查，聯合收割機是投訴質量問題最多的農業機械，約占總農業機械投訴的1/3。其中，脫粒和輸送裝置堵塞是引起機械故障的主要原因之一。國外在聯合收割機產品上己普遍采用傳感器監測主要工作部件的故障并對故障報警，但從聯合收割機使用的需求出發，僅有故障報警是不夠的，更需要的是故障發生前的提前預警。聯合收割機在收割作業時，報警發生堵塞后，排除堵塞一般都很費時費力，嚴重時會導致停機維修，直接影響收獲季節搶農時，也直接影響機手的經濟收入。因此，機手迫切盼望聯合收割機的監測系統具有故障預警和報警雙功能。特別是對于大谷草比與濕脫濕分離作業場合，堵塞故障更易發生，對堵塞故障預警與報警裝置的需求也更為迫切。瞄準世界現代化收獲機械未來發展趨勢，立足收獲機械發展現狀，通過自主創新，研究和開發具有國際先進水平的堵塞預警和報警方法，對于縮小我國與發達國家的差距，提升我國收割機械自主創新能力、行業整體素質，促進農業結構調整與農民增收，為農業現代化提供技術和裝備支撐。針對聯合收割機故障，國內外的技術水平尚限于簡單報警，缺乏相關故障診斷技術、方法和理論的系統研究和開發。根據資料(和衛星，張立功，張際先，聯合收割機故障預警器(P)，實用新型專利，申請號97203354.8,公開號CN2325968，頒證日1999.04.15，主分類號A01D73/00),目前堵塞報警采取的主要方法是轉速監測，當轉速超出額定范圍時，發出報警信號，這種方法的特點是簡單，但誤報和漏報概率較大，報告結果不可靠，且對轉速主動變化適應能力差，使其應用受到限制。另一類方法是采用測扭矩的方法，這種方法從原理上講比僅測轉速報警可靠性高，但扭矩傳感器布置難度大，一般需要專門的預留空間，且成本較高，不適宜在聯合收割機上推廣。綜上所述，一種良好的故障診斷方法應符合下面幾點基本要求(1)預警功能，即能在堵塞故障發生前提前告知操作手，使其提前采取措施，防止堵塞事故發生，進而避免引起更大的機械故障；(2)方便安裝和使用，成本低；(3)能主動適應轉速、前進速度變化，自動調整特征參數；(4)能綜合更多的信息，提高診斷可靠性。
發明內容本發明的目的在于針對現有技術的不足及現有技術的空白，提供一種基于雙霍爾傳感器、多種信息融合的聯合收割機脫粒滾筒堵塞預警和報警新方法。該方法實現簡便，實用化成本較低，能主動適應轉速和前進速度變化，故障診斷可靠性高，可較好地解決目前聯合收割機堵塞故障診斷工作，具有實用化前景。為了實現這一目的，本發明對試驗室和田間收割作業中采集的大量樣本進行了分析和研究，在此基礎上，提出了以瞬時脈沖方波周期采樣點數作為初始值序列，在初始值序列上提取一階差分、二階差分、相對速比、滑差率和差分累積和特征參量，通過對這些特征參量進行融合，依據給出的決策規則，可實時實現收割機正常運行、堵塞預警和報警三級決策。本發明包括如下具體步驟-檢測信號獲取方法和過程，主要包括1)傳感器布設使用兩個相同型號的霍爾傳感器，一個布置在收割機動力輸出軸皮帶輪上，另一個布置在脫粒滾筒動力輸入皮帶輪上，輸出輪上按直徑方向均勻安裝2個磁鋼，輸入輪上以45°夾角均勻安裝8個磁鋼；2)信號檢測傳感器及信號處理與分析電路開機加電，同步檢測信號，兩傳感器輸出方波信號經整形后，以相同的采樣頻率y;經A/D轉換后，記錄在存儲介質上供分析處理時使用；堵塞故障特征參量選擇、提取方法及過程，主要包括-3)對記錄的脈沖方波信號，以一個瞬時脈沖周期為單元，以一個瞬時脈沖周期中采集的數據點數作為初始值，將兩個傳感器測試到的脈沖方波信號轉換成兩個初始值序列；4)從兩個初始值序列中分別提取一階差分、二階差分、相對速比、滑差率及差分累積和作為堵塞故障判斷特征參量；標準模式庫建立方法及過程，主要包括-5)在收割機田間收割過程中，分別對正常收割過程、收割時加速過程、收割時減速過程、正常停機過程及堵塞過程按步驟3)、4)提取特征參量，經過統計和分析，作為訓練樣本建立標準模式庫；堵塞故障預警及報警方法及過程，主要包括6)將堵塞預警與報警方法運用于實際收割過程中時，按步驟l)和2)獲取實際信號，按步驟3)和4)實時獲取各個特征參量；7)實時將各個特征參量與標準模式庫中特征參量進行匹配，賦予滑差率作為堵塞故障預警和報警最高優先級，其余4個特征參量具有相同的堵塞故障預警和報警優先級別，但這4個特征參量在做出預警和報警時的權重不同；8)根據決策規則，將收割過程分為正常運行、堵塞預警和報警三種狀態，以聲、光形式告知操作手，以便做出正確的操作。所述步驟1)中傳感器為兩個相同型號的霍爾傳感器，且動力輸出輪上均勻布置2個磁鋼，即A^-2，脫粒滾筒動力輸入輪上均勻布置8個磁鋼，即^2=8，與單磁鋼法相比，此種布置方法可以有效提高參數測量準確性和精度，同時可減小做出堵塞故障預警和報警的時間，提高了系統工作可靠性。所述步驟3)中初始值的確定以一個瞬時脈沖周期為單元，以數據點數為初始值，特征參量的提取是在初始值序列上進行的，該序列在收割機工作過程中是一個變化的量，其中，動力輸出軸上對應的序列記為{x,,f=1,2,…,W，脫粒滾筒上對應的序列記為=1,2,..,W所述步驟4)中各個特征參量采用以下方法得到-(1)一階差分AZ)按下式計算(2)二階差分Wi)按下式計算:IA2",,，，(3)相對速比i按下式計算及力=，=1,2,-..,W及=1其中，、￡/和>^分別表示短時序列穩定值，分別通過連續三次A和連續三次x保持不變的值給出，；c^和:vw動態地表示了轉速的相對穩定狀態，能自動適應收割機加、減油門過程及輸入負荷變化過程；(4)滑差率S按下式計算-&=^L,!、1,2,...,7Vy,(5)差分累積分和S/按下式計算楓；A/乂=1其中，M為累積數據個數；所述步驟5)中，各標準特征參量按步驟4)中公式計算，通過統計平均得到，其分布范圍為土3o"，設某一特征為C其中，5為該特征參量樣本均值，(T為標準方差。所述步驟7)中滑差率賦予最高優先級，一旦超出土3(T，就發出預警信號，其余4個特征參量分別賦予不同權重MVy'-l，2，3，4,且權重大小按以下排序，^ad^》w》>所述步驟8)中決策規則為預警規則if&>SC+3crsorS,<SC-3<rsor&《廣AD》A2D、=1《五"其中，五u，五w分別為標準模式庫中預警門限下限和上限；下角標為w/表示標準模式庫中對應參量的預警上限；報警規則ifS,>Sc+3ctsorS,<Sc-3<r,orADi》A2Dw、、X^^;w，其中，^為標準模式庫中報警門限下限；其余為工作正常情況。本發明方法采用兩個霍爾傳感器，一個安裝在輸出動力軸皮帶輪上，另一個安裝在脫粒滾筒動力輸入皮帶輪上，通過同步測量兩個輪上方波瞬時脈沖周期，提取瞬時脈沖周期一階差分、二階差分、相對速比、滑差率、差分累積和作為堵塞故障征兆特征量，將特征量按對堵塞故障識別貢獻大小賦予優先級和權重，結合堵塞故障征兆特征標準模式庫和判決規則，做出正常運行、堵塞預警和報警三級決策，通過聲、光途徑告知操作手，使操作手能及時采取正確措施。本發明可以自動適應收割機前進速度及喂入量變化，能有效防止聯合收割機堵塞故障發生，以提高聯合收割機智能化水平和收割效率，并減小由于堵塞造成的損失。該方法稍加改進，也可用于聯合收割機其它部位的堵塞預警和報警。圖1為本發明流程框圖圖2為實施例傳感器布設示意圖其中，1-脫粒滾筒動力輸入輪，2-輸出動力軸輪，3-磁鋼；4-傳感器。圖3為實施例電路原理框圖表1為實施例部分特征參量取值范圍列表具體實施方式以下結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步描述。參照圖1的流程框圖1)傳感器布設如圖2,傳感器釆用兩個霍爾轉速傳感器，或霍爾開關，將其中一個傳感器4布置在收割機動力輸出軸輪2上，由于動力輸出軸轉速較高(相對于收割機上其它轉軸)且其皮帶輪直徑較小(相對于收割機上其它皮帶輪)，采用雙磁鋼3，此時，輸出軸轉動一周會產生兩個脈沖方波信號；將另一個霍爾傳感器4布置在脫粒滾筒動力輸入輪1上，由于該輪直徑較大且轉速較慢，采用均勻安裝8個磁鋼3的方法，此時，脫粒滾筒每轉動一周，會產生8個脈沖方波。發明中采用多磁鋼方法的主要目的是，相比于傳統的單磁鋼法，可以提高轉速測量精度，同時，由于診斷特征參量為一個方波周期上的瞬時值，故可減小做出決策時間，特別適用于預警需要。2)信號檢測當收割機在田間進行收割作業時，整個測試及診斷系統加電，開始同步記錄兩傳感器上的脈沖方波信號。采用同步的目的是為了在后面計算滑差率特征參量的需要，正常作業情況下，兩輪傳動比是不變的，即滑差率不變，當皮帶出現打滑時，滑差率也發生變化，用于預警和報警決策。由于特征參量的提取是以一個瞬時脈沖周期中采集的數據點數為基礎的，所以要求對輸出方波進行整形處理，以便提高測量和決策準確度。兩傳感器輸出的方波信號經A7D轉換后進行記錄，采用相同的采樣頻率,。3)初始值序列的建立雖然利用兩個霍爾傳感器可以測出兩個轉軸的轉速，但轉速的得到方法有多種，有瞬時轉速及平均轉速，且瞬時轉速與平均轉速在計算時的時間段選取主觀性較大，得到的轉速值有較大的差異，不夠準確，不適用于堵塞故障的預警，這也是為什么轉速報警裝置得不到廣泛使用的一個主要原因。為此，本發明中采用一個瞬時脈沖方波周期作為數據單元，以一個數據單元中數據點數作為初始值，建立起兩個初始值序列，輸出動力軸上的初始值序列記為&}，脫粒滾筒軸上的初始值序列記為{乂}。4)特征參量的選擇與提取特征參量的選擇是實現堵塞預警和報警的關鍵一步，通過對實驗室和田間收割試驗數據的分析與研究，選擇了5個特征參量，以供診斷決策使用，分別是(1)一階差分AD<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(1)其中，下角標X和少分別代表動力輸出軸和脫粒滾筒對應的特征參量(以下同)。W為初始值序列長度。一階差分可反映轉軸轉速連續變化過程，同時反映變化方向及大小。(2)二階差分{A，=AD4,+1)-AD氣,(2)二階差分反映轉速梯度連續變化過程，同時反映變化方向及大小。(3)相對速比;？及"=乂Xre/z'=l，2，...,W(3)其中，^e,和JV分別為短時序列穩定值，分別通過連續三次JC,.和連續三次乂保持不變的值給出，、/和^e/動態地表示了轉速的相對穩定狀態，能自動適應收割機加、減油門過程及輸入負荷變化過程。相對速比可反映動態轉速的相對變化過程，同時反映變化的大小。(4)滑差率S&=^，hl,2,…,W(4)其中，^為動力輸出軸輪上磁鋼數；A^為脫粒滾筒輪上磁鋼數目。滑差率反映兩傳動輪上傳動比連續變化過程。正常情況下，滑差率為定值，當出現堵塞前兆或堵塞故障時，如果皮帶打滑，可通過滑差率反映出來；如果皮帶不打滑，可用其它特征參量進行判斷。(5)差分累積分和J]/其中，M為累積數據個數。該差分累積和為一階差分累積和。可反映一個特定時間段內，轉速是連續增加、不變或連續減小，并且可以反映出這種連續變化的趨勢及大小。5)標準模式庫的建立在收割機田間收割過程中，分別對正常收割過程、收割時加速過程、收割時減速過程、正常停機過程及堵塞過程按步驟3)、4)提取特征參量，經過統計和分析，作為訓練樣本建立標準模式庫。標準模式庫中對各特征參量提取了平均值和方差6)決策規則建立決策分為三級，分別是正常運行、堵塞故障預警及堵塞故障報警。決策規則為預警規則-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>其中，A,，^分別為標準模式庫中預警門限下限和上限；S,為實際收割時得到的滑差率；Sc為平均滑差率；為滑差率方差；M^為一階差分分配的決策權重；v^為相對速比分配的決策權重；M^,為差分累積和分配的決策權重；>^21)為二階差分分配的決策權重；下角標為^/"表示標準模式庫中對應參量的預警上限。權重選取要符合以下規則，1>,1(7)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>報警規則<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>其中，A為標準模式庫中報警門限下限。其余為工作正常情況。實施例本發明在"碧浪"4LZ_2.0型聯合收割機上進行了實施，田間收割作業于2008年10月25日在江蘇鎮江進行，收割作物為水稻。傳感器布設如圖2所示，檢測電路原理如圖3所示，兩傳感器采樣頻率為1KHz，x^和h《通過連續3次x,和連續3次^保持不變的值給出，累積數據個數M為5，iV]-2，W2=8，權重分配為ju^,w^M^,，M^"-(0.3，0.3，0.3,0力，按歩驟5)建立了標準模式庫，《,=0.5，￡1A=1,￡2=1,正常運行滑差率5=0.2495(方差為0)，其余各個特征參量參考取值范圍如表1所示。通過對記錄的檢驗樣本數據進行分析，可實現脫粒滾筒堵塞預警與報警功能。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>權利要求1、一種聯合收割機脫粒滾筒堵塞故障預警和報警方法，包括如下具體步驟1)傳感器布設使用兩個相同型號的霍爾傳感器，一個布置在收割機動力輸出軸皮帶輪上，另一個布置在脫粒滾筒動力輸入皮帶輪上，輸出輪上按直徑方向均勻安裝2個磁鋼，輸入輪上以45°夾角均勻安裝8個磁鋼；2)信號檢測傳感器及信號處理與分析電路開機加電，同步檢測信號，兩傳感器輸出方波信號經整形后，以相同的采樣頻率fs經A/D轉換后，記錄在存儲介質上供分析處理時使用；3)對記錄的脈沖方波信號，以一個瞬時脈沖周期為單元，以一個瞬時脈沖周期中采集的數據點數作為初始值，將兩個傳感器測試到的脈沖方波信號轉換成兩個初始值序列；4)從兩個初始值序列中分別提取一階差分、二階差分、相對速比、滑差率及差分累積和作為堵塞故障征兆特征參量；5)在收割機田間收割過程中，分別對正常收割過程、收割時加速過程、收割時減速過程、正常停機過程及堵塞過程按步驟3)、4)提取特征參量，經過統計和分析，作為訓練樣本建立標準模式庫；6)將堵塞預警與報警方法運用于實際收割過程中時，按步驟1)和2)獲取實際信號，按步驟3)和4)實時獲取各個特征參量；7)實時將各個特征參量與標準模式庫中特征參量進行匹配，賦予滑差率作為堵塞故障預警和報警最高優先級，其余4個特征參量具有相同的堵塞故障預警和報警優先級別，但這4個特征參量在做出預警和報警時的權重不同；8)根據決策規則，將收割過程分為正常運行、堵塞預警和報警三種狀態，以聲、光形式告知操作手，以便做出正確的操作。2、根據權利要求1所述的收割機脫粒滾筒堵塞預警和報警方法，其特征是，所述步驟3)中初始值的確定以一個瞬時脈沖周期為單元，以數據點數為初始值，特征參量的提取是在初始值序列上進行的，該序列在收割機工作過程中是一個變化的量，其中，動力輸出軸上對應的序列記為&,/=1,2,…,，脫粒滾筒上對應的序列記為[y,,/=1，2,…,TV}。3、根據權利要求2所述的收割機脫粒滾筒堵塞預警和報警方法，其特征是，所述步驟4)中各個特征參量采用以下方法得到(1)一階差分AZ)按下式計算:z=l,2,--、W_l(2)二階差分Vi)按下式計算:，""')，/=1,U-2(3)相對速比i按下式計算及"=_!_丄_其中，x^和;v分別表示短時序列穩定值，分別通過連續三次x,和連續三次少,保持不變的值給出，；c^和jv動態地表示了轉速的相對穩定狀態，能自動適應收割機加、減油門過程及輸入負荷變化過程；(4)滑差率S按下式計算S,=^，"1，2,…,7V其中，^為動力輸出軸輪上磁鋼數；A^為脫粒滾筒輪上磁鋼數目；(5)差分累積分和S/按下式計算其中，M為累積數據個數；4、根據權利要求3所述的收割機脫粒滾筒堵塞預警和報警方法，其特征是，所述步驟5)中，各標準特征參量按步驟4)中公式計算，通過統計平均得到，其分布范圍為士3a,設某一特征為C》z2:紐其中，5為該特征參量樣本均值，CT為標準方差。5、根據權利要求4所述的收割機脫粒滾筒堵塞預警和報警方法，其特征是，所述步驟7)中滑差率賦予最高優先級，一旦超出土3j，就發出預警信號，其余4個特征參量分別賦予不同權重，/=1,2,3,4，且IX=1權重大小按以下排序，Wao^Wfl>w》>。6、根據權利要求5所述的收割機脫粒滾筒堵塞預警和報警方法，其特征是，所述步驟8)中決策規則為預警規則-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>其中，A,，五w分別為標準模式庫中預警門限下限和上限；下角標為^/表示標準模式庫中對應參量的預警上限；報警規則<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>其中，￡2為標準模式庫中報警門限下限;其余為工作正常情況。專利摘要本發明涉及一種用于防止聯合收割機脫粒滾筒堵塞的預警和報警方法。該方法采用兩個霍爾傳感器，一個安裝在輸出動力軸皮帶輪上，另一個安裝在脫粒滾筒動力輸入皮帶輪上，通過同步測量兩個輪上方波瞬時脈沖周期，提取瞬時脈沖周期一階差分、二階差分、相對速比、滑差率、差分累積和作為堵塞故障征兆特征量，將特征量按對堵塞故障識別貢獻大小賦予優先級和權重，結合堵塞故障征兆特征標準模式庫和判決規則，做出正常運行、堵塞預警和報警三級決策，通過聲、光途徑提示操作手能及時采取正確措施。本發明可以自動適應收割機前進速度及喂入量變化，能有效防止聯合收割機堵塞故障發生，以提高聯合收割機智能化水平和收割效率，并減小由于堵塞造成的損失。文檔編號A01D41/00GKCN101595786SQ200910032562公開日2009年12月9日申請日期2009年6月23日發明者劉金鴿,宋壽鵬,易立單,李萍萍,邱白金,馬曉昆申請人:江蘇大學導出引文BiBTeX,EndNote,RefMan