梁俊娟，李巧君

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000)

0 引言

為了對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的秸稈進(jìn)行處理、改善土壤結(jié)構(gòu)及提升農(nóng)作物的作業(yè)質(zhì)量，旋耕埋草機(jī)械被廣泛地應(yīng)用在農(nóng)作物的耕種作業(yè)過程中。旋耕埋草機(jī)在作業(yè)過程中功率消耗較大，在其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中首先應(yīng)該考慮功率問題。旋耕埋草機(jī)的功率采集較為麻煩，如果采用一種虛擬儀器可以集數(shù)據(jù)采集與仿真模擬為一體，可以大大提高旋耕埋草機(jī)的設(shè)計(jì)效率。虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件I/O。其在采集數(shù)據(jù)后可以同時(shí)進(jìn)行復(fù)雜的分析，且隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器可以和外網(wǎng)鏈接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。本研究將虛擬仿真儀器使用在旋耕埋草機(jī)的功率虛擬檢測過程中，從而實(shí)現(xiàn)功率數(shù)據(jù)的采集和處理及仿真模擬，有效地提高了功率的檢測效率。

1 旋耕埋草機(jī)及其功率虛擬檢測技術(shù)

旋耕機(jī)械從出現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有100多年的時(shí)間，最初是在美國和英國出現(xiàn)的，主要用于庭園的耕作。在L型旋耕刀出現(xiàn)后，旋耕機(jī)械被應(yīng)用到了大田作業(yè)。日本從歐洲引入該型機(jī)械后，通過改造研制出了彎型旋耕刀具，從而有效地避免了旋耕刀和草的纏繞問題，使旋耕機(jī)得到了迅速得到發(fā)展。在我國，驅(qū)動(dòng)型的耕作機(jī)械主要是旋耕機(jī)，自20世紀(jì)90年代以來，我國又研制了一些新的復(fù)式旋耕作業(yè)產(chǎn)品，并投放到市場，在水稻生產(chǎn)、蔬菜種植和旱地滅茬方面都得到了廣泛的應(yīng)用。

虛擬儀器是由美國的NI公司提出來的，利用計(jì)算機(jī)的軟件和硬件設(shè)備可以創(chuàng)建很多現(xiàn)實(shí)中的儀器，使用者在操作計(jì)算機(jī)上的儀器時(shí)可以像操作現(xiàn)實(shí)的電子儀器一樣。虛擬儀器是測控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相集合的產(chǎn)物，其軟件設(shè)計(jì)部分是關(guān)鍵，功能可以根據(jù)用戶的需求來定。本研究主要是利用虛擬儀器的功率檢測功能對旋耕埋草機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。虛擬儀器除了進(jìn)行虛擬仿真外，還可以與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，也可以采集現(xiàn)實(shí)設(shè)備的信息。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 虛擬儀器系統(tǒng)總體框架Fig.1 The general framework of virtual instrument system

虛擬儀器在被NI公司提出時(shí)，還同時(shí)提出了虛擬儀器的開發(fā)平臺(tái)，即LabVIEW。該平臺(tái)對硬件有非常強(qiáng)大的訪問能力，可以利用簡單的編程界面集成開發(fā)各種虛擬儀器功能。同C語言等編程軟件一樣，LabVIEW也是一個(gè)程序開發(fā)平臺(tái)，但該平臺(tái)采用了基于圖形的程序設(shè)計(jì)語言，帶有自己的函數(shù)庫和過程庫。因此，除了可以進(jìn)行一般的程序設(shè)計(jì)之外，還具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)獲取能力，尤其是在GPIB和串行儀器控制上。因此，本次設(shè)計(jì)的旋耕埋草機(jī)的虛擬儀器部分主要采用LabVIEW軟件來完成。

2 基于VR虛擬現(xiàn)實(shí)的旋耕埋草機(jī)功率測試儀器設(shè)計(jì)

在旋耕埋草機(jī)作業(yè)過程中，可以將采集到的電流和電壓值輸入到虛擬儀器中，在線實(shí)時(shí)顯示埋草機(jī)的功率。信號(hào)的獲取有兩種方式：一種是直接采集旋耕埋草機(jī)的，一種是利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以采用第1種方式；在功率優(yōu)化過程中，可以采取第2種方式。功率虛擬測試儀器由3個(gè)部分組成，包括相位分析部分、功率分析部分和選擇部分?？傮w框架如圖2所示。

圖2 功率虛擬測試儀器總體設(shè)計(jì)框架Fig.2 The overall design framework for power virtual testing instruments

將采集得到的旋耕埋草機(jī)的電壓和電流信號(hào)虛擬儀器的計(jì)算處理部分，然后通過計(jì)算視在功率和有效值等得到有功功功率。在總體設(shè)計(jì)框架中，選擇部分包括信號(hào)發(fā)生器和數(shù)據(jù)采集部分。設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

采用LabVIEW設(shè)計(jì)的虛擬儀器，不僅可以完成電流和電壓等數(shù)據(jù)的采集，還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行即時(shí)的處理，從而在線現(xiàn)實(shí)功率數(shù)據(jù)測試。除了完成功率分析，還可以采用信號(hào)發(fā)生器對功率進(jìn)行仿真模擬，采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的旋耕埋草機(jī)虛擬功率分析儀界面如圖4所示。

虛擬功率分析儀器一個(gè)重要的功能就是輸入采樣電流，利用LabVIEW的可視化顯示功能，可以顯示采樣電流，如圖5所示。

圖3 旋耕埋草機(jī)功率虛擬測試儀器設(shè)計(jì)流程Fig.3 The design flow of power virtual test instrument for rotary tillage grasses

圖4 旋耕埋草機(jī)虛擬功率分析儀器設(shè)計(jì)界面Fig.4 The design interface of power virtual test instrument for rotary tillage grasses

圖5 采樣電流顯示Fig.5 Sampling current display

通過采樣電流的顯示可以檢查采樣是否準(zhǔn)確，將輸入的采樣電流傳輸?shù)接?jì)算部分，便可以進(jìn)行功率的核算。在進(jìn)行功率優(yōu)化時(shí)，為了提高設(shè)計(jì)效率，可采用信號(hào)發(fā)生器直接生成電流和電壓信號(hào)，如圖6所示。

圖6 信號(hào)發(fā)生器Fig.6 Signal generator

采用信號(hào)發(fā)生器可以直接產(chǎn)生電流信號(hào)，同理電壓信號(hào)也可以采用這種方式生成。電流的有效值和有功功率都可以采用公式計(jì)算的方法進(jìn)行核算，然后將其以編程的方式嵌入到界面中。其中，電壓和電流有效值的計(jì)算公式為

(1)

這里可以采用采集電壓和電流信號(hào)周期波形的均方根來表示電流電壓有效值，進(jìn)而求出視在功率，然后根據(jù)功率因數(shù)乘以視在功率求得總功率。采用LabVIEW設(shè)計(jì)的功率計(jì)算界面如圖7所示。

圖7 旋耕埋草機(jī)功率核算分析界面Fig.7 The power calculation and analysis interface of rotary tillage grasses

在進(jìn)行功率計(jì)算時(shí)，除了自動(dòng)計(jì)算得到功率外，還可以采用手動(dòng)輸入的方式，將功率因數(shù)根據(jù)電流電壓幅值與初始相位運(yùn)行程序后得出，將其手動(dòng)輸入到界面中便可以進(jìn)行有功功率的核算。

3 基于VR虛擬儀器的旋耕埋草機(jī)功率測試

為了研究旋耕埋草機(jī)的功率問題，優(yōu)化其作業(yè)時(shí)的性能，采用實(shí)驗(yàn)和虛擬儀器相結(jié)合的方法對機(jī)器的性能和功率問題進(jìn)行了測試。旋耕埋草機(jī)是農(nóng)業(yè)耕種作業(yè)最常用的機(jī)械之一，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 旋耕埋草機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 The structure schematic diagram of rotary tillage grasses

為了驗(yàn)證方案的可行性，以最簡單的旋耕埋草機(jī)為例，對旋耕埋草機(jī)的功率進(jìn)行檢測。首先確定試驗(yàn)條件，試驗(yàn)場地選擇在較為開闊的耕種作業(yè)農(nóng)田里。試驗(yàn)田主要參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)田參數(shù)Table 1 The experimental field parameters

在試驗(yàn)過程中，主要考慮了待埋草高度、待埋草密度、泥腳深度、土壤平均堅(jiān)實(shí)度和水層深度等，首先對旋耕埋草機(jī)的作業(yè)性能進(jìn)行了測試，以保證其能正常作業(yè)。

旋耕埋草機(jī)作業(yè)性能測試如表2所示。為了保證旋耕埋草機(jī)能夠正常作業(yè)，對埋草覆蓋率、耕深和耕寬穩(wěn)定系數(shù)和行駛速度等項(xiàng)目進(jìn)行了測算。結(jié)果表明：各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，可以進(jìn)行合理的功率測量。

表2 旋耕埋草機(jī)作業(yè)性能測試Table 2 The performance test of rotary tillage grasses

續(xù)表2

試驗(yàn)功率測試和虛擬儀器功率測試如表3所示。將旋耕埋草機(jī)的作業(yè)參數(shù)轉(zhuǎn)換為虛擬儀器的一些關(guān)鍵系數(shù)，采用虛擬儀器對功率進(jìn)行了測算，并將其和實(shí)際功率儀器上的采集功率進(jìn)行了對比。結(jié)果表明：采用虛擬儀器得到的功率和實(shí)際功率相吻合，從而驗(yàn)證了方案的可行性。

表3 試驗(yàn)功率測試和虛擬儀器功率測試Table 3 The experimental power test and the power test of virtual instrument kW

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)旋耕埋草機(jī)功率的準(zhǔn)確和快速測量，將VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到了功率測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，并結(jié)合LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了虛擬儀器測量平臺(tái)，通過測量旋耕埋草機(jī)的有效電流和電壓等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了有功功率的測量。對功率虛擬測量平臺(tái)的可行性進(jìn)行了測試，結(jié)果表明：采用虛擬儀器對旋耕埋草機(jī)檢測得到的功率和功率采集儀采集的數(shù)據(jù)差距不大。由此驗(yàn)證了該方案的可行性，對農(nóng)機(jī)智能測量儀器研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。