Simulação de sistemas de controle de posição do mecanismo de corte em colhedoras

Abstract

A dificuldade dos mecanismos de corte das colhedoras de grãos e de cana-de- açúcar em acompanhar, de maneira eficiente, o perfil do terreno pode favorecer a realização de um corte acima da altura ótima ou, até mesmo, o enterramento desses mecanismos. Estes fatos provocam perdas, presença de impurezas no material colhido, desgaste excessivo das lâminas de corte, sobrecarga dos elementos de transmissão, aumento da exigência de potência e, no caso da cana-de-açúcar, ainda danos às soqueiras. Com vistas a favorecer o acompanhamento da superfície do terreno, realizou-se o presente trabalho, desenvolvendo-se modelos para simular a dinâmica do mecanismo de corte em colhedoras dotadas com sistema de controle automático de posição. Os modelos foram implementados com base nas equações diferenciais, que descrevem a dinâmica da plataforma de corte e o comportamento do sistema de controle hidráulico. O sistema de controle realimentado, simulado neste trabalho, foi constituído de uma célula de carga, destinada a medir a força de contato entre o solo e o mecanismo de corte, um controlador e um sistema hidráulico de atuação. Programas computacionais foram desenvolvidos para simular o comportamento do sistema, utilizando três tipos de válvulas hidráulicas de controle (proporcional direcional de quatro vias, proporcional direcional de três vias e proporcional redutora de pressão) e três tipos de controladores (proporcional, proporcional-integral e proporcional-integral-derivativo). Analisou-se a influência dos seguintes fatores: velocidade de deslocamento da plataforma (1,0; 1,5 e 2,0 m s -1 ), pressão de suprimento do sistema hidráulico (6,8; 13,7 e 20,6 MPa), lastros representando a massa da plataforma (40, 60 e 80 kg) e força de contato de referência do controlador (200, 400 e 800 N) no desempenho do sistema de controle. Os experimentos de simulação demonstraram que a aplicação das técnicas de modelagem e simulação constituiu como ferramenta útil ao projeto de máquinas, bem como o conhecimento da dinâmica do sistema completo é uma ferramenta essencial no projeto de sistemas de controladores eficientes. Durante as simulações, o melhor desempenho do sistema de controle foi obtido, quando o controlador proporcional integral derivativo e a válvula direcional proporcional de quatro vias compunham a estratégia de controle. Os aumentos na pressão de suprimento, massa da plataforma e força de referência proporcionaram melhores condições para o funcionamento do sistema de controle, utilizando válvula proporcional direcional de quatro vias. Quando o sistema trabalhou com a válvula proporcional direcional de quatro vias, a força de contato não foi influenciada pela velocidade de deslocamento para as maiores pressões, enquanto à velocidade de 2,0 m s -1 , para a pressão de 6,8 MPa, o desempenho do sistema de controle foi comprometido. Ao utilizar a válvula proporcional direcional de três vias, o comportamento da força de contato na maior pressão de suprimento não foi influenciado pelos demais parâmetros analisados, o que pode garantir o bom desempenho do sistema de controle. O sistema de controle que usa duas válvulas proporcionais redutoras de pressão apresentou melhor comportamento do que o sistema com uma única válvula.

The sugar cane and grain combines generally present problems in following the shape of soil surface. If the cutting mechanism is not efficient in this task, it may cut the crop above the optimum height or the mechanism may hit the soil surface. These facts cause losses of the material, dirty material is added to the harvested product, wear of the knives, and overload in the power transmission system. The objective of this work was to develop a mathematical model to analyze the dynamics of a cutting device used in combines with an automatic position control system. The differential equations that describe the dynamic of the cutting mechanism and the behavior of hydraulic control system were written. The simulated feedback control system was composed by a load cell that measures the contact force between the soil and the cutting device, a controller and a hydraulic actuator. Computer programs were developed to simulate the behavior of the system, three types of hydraulic valves (proportional directional four way valves and three way valves, proportional reducing pressure valves) and three types of feedback controllers (P, PI and PID controller). The effect of the following variables in the controller performance was analyzed: speed of the cutting device (1.0, 1.5 and 2.0 m s -1 ); pressure in the supplying line of the hydraulic system (6.8, 13.7 and 20.6 MPa); ballast added in the cutting mechanism (40, 60 and 80 kg) and the contact force between the cutting device and the soil (200, 400 and 800 N). The developed model showed to be a useful tool for analyzing the dynamics of the controller. The simulated results showed that better performance was obtained when a PID and a four- way proportional directional control valve were used. When a four way proportional directional control valve was used the contact force was not affected by the speed of the machine for the higher supplying pressures, however for the speed of 2.0 m s -1 and supplying pressure of 6.8 MPa, the control system did not worked well. Using a three-way proportional directional control valve, the controller worked well only with the 20.6 MPa pressure in the supplying line. The control system with two proportional reducing pressure valves worked better than a system with only one valve.