株距無級調節器試驗及輸出函數模型研究

宋茂華，杜瑞成，楊自棟，鞏丙才

(山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博　255049)

?

株距無級調節器試驗及輸出函數模型研究

宋茂華，杜瑞成，楊自棟，鞏丙才

(山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博255049)

摘要：株距無級調節器要進行株距的無級調節，必須要建立株距無級調節器轉入轉速、輸出轉速、調節架位移和株距之間的函數模型。滑移率是指播種機工作時地輪滑動成分所占的比例，滑移率是影響播種質量的重要因素。為此，利用齒輪轉速傳感器測得播種機的滑移率，然后反饋給株距無級調節器的控制系統，通過調節株距無級調節器的調節架位移來改變理論播種株距，從而減小滑移率對播種質量的影響，提高播種的均勻性。

關鍵詞：智能農業；函數模型；株距；滑移率；擬合曲線

0引言

玉米播種機田間作業時，需要根據玉米品種特性、產量水平、土壤肥力及施肥水平選擇合理的種植密度(即畝株數)。黃淮海區域玉米的種植密度一般為3 500～5 500株/667m2，行距為600mm。因此，不同的玉米品種、不同地區的種植模式、不同地塊的種植環境都需要不同種植密度，即需要不同的株距。當株距無級調節器的調節架處于不同的位置時，調節器輸入轉速與輸出轉速的傳動比不同，得到的玉米株距也隨之不同。因此，株距無級調節器要進行株距的無級調節，必須要建立株距無級調節器轉入轉速、輸出轉速、調節架位移和株距之間的函數模型。

1株距無級調節器函數模型的建立

為方便建立函數模型，設定調節器的輸入轉速為定值(110.52r/min)，在JPS-12型計算機視覺排種器試驗臺上進行試驗。由于鏈條傳動時具有不穩定性，因此輸入轉速與輸出轉速用接觸式機械轉速表進行測量。株距無級調節器結構簡圖如圖1所示。

數據采集時，設定株距無級調節器的輸入轉速為n1，輸出轉速為n2，調節架的位移為x，玉米株距為l。經測定，所得數據如表1所示。

1.輸入軸　2.箱體　3.凸輪　4.擺桿復位裝置　5.接近開關　6.擺桿

調節架移量x/mm調節器輸入轉速n1/r·min-1調節器輸出轉速n2/r·min-1n2n10110.524.790.04332110.525.100.04614110.525.730.05186110.526.250.05668110.526.870.062210110.527.450.0674

續表1

2試驗過程

2.1變量的定義

將調節裝置調節架的位移定義為變量x(mm)；將調節器的輸出轉速n2(r/min)與輸入轉速n1(r/min)的比值定義為變量y， 0≤x≤40且x∈N；將播種株距定義為l(m)。

2.2輸出函數模型求解

在matlab中Command Windows窗口命令中輸入一下命令：

>> x=0:2:40;

>> n1=[4.79 5.10 5.73 6.25 6.87 ...15.57 16.72 17.66 18.85 19.84 21.87];

>> n2=110.52;

>> y=n1./n2;

>> cftool

然后回車，點擊出現的窗口1上的Date命令，出現下一個命令窗口。在X Date命令的下拉菜單中選擇變量x，在Y Date命令的下拉菜單中選擇變量y，在Date set name命令中輸入名字“擬合曲線”，點擊Create date set命令，最后點擊Close命令，關閉窗口。此時，再點擊命令窗口1中的Fitting命令，在出現的命令窗口中，點擊New fit命令，在出現的新的命令窗口中的Fit name命令中輸入要擬合函數的名字“函數模型”，Date set自動設置為剛才創建的數據組“擬合曲線”；命令Type of fit指的是要進行數據擬合的函數類型。經過對比分析，選擇多項式、 正弦函數、高斯法3種經典擬合方法求解函數模型。每種求解方法有不同的函數形式(次數)，通過對比不同次數函數形式的擬合好壞，選擇擬合程度最好的一種形式。

3結果分析與評價

3.1曲線擬合結果

1) 正弦函數模型。正弦函數模型包括8種函數形式，通過對比分析每種函數形式的擬合程度，得出如下函數模型是正弦函數模型中擬合程度最好的一種形式。擬合曲線圖如圖2所示，其函數關系式為

(1)

函數關系的誤差平方和(SSE)、相關系數R-square、均方根誤差RMSE為

SSE:0.000 102 1，R-square:0.997 7，AdjustedR-square:0.996 9，RMSE:0.002 609。

圖2　正弦函數模型曲線擬合圖

2) 多項式模型。多項式模型包括9種函數形式，通過對比分析每種函數形式的擬合程度，得出9次多項式模型是多項式模型中擬合程度最好的一種形式。擬合曲線圖如圖3所示，其函數關系式為

9.752×10-10x7-2.771×10-8x6+

3.452×10-7x5+2.515×10-7x4-

5.166×10-5x3+0.000 509 3x2+

0.000 732 4x+0.0432 9

(2)

函數關系的誤差平方和(SSE)、相關系數R-square、均方根誤差RMSE為

SSE:2.833e-005，R-square:0.999 4，AdjustedR-square:0.998 8，RMSE:0.001 605。

圖3　多項式模型曲線擬合圖

3)高斯模型。通過對比分析每種函數形式的擬合程度，得出如下函數模型是高斯函數模型中擬合程度最好的一種形式。擬合曲線圖如圖4所示，其函數關系式為

(3)

函數關系的誤差平方和(SSE)、相關系數R-square、均方根誤差RMSE為

SSE:0.000 102 1，R-square:0.997 7，AdjustedR-square:0.996 9，RMSE:0.002 609。

3.2確定函數模型

3.2.1輸入轉速與輸出轉速之間的函數模型

通過對比3種函數類型中函數模型的誤差平方和(SSE)、相關系數R-square、均方根誤差RMSE的數值的大小，得出多項式擬合模型是擬合程度最好的函數模型。由于y=n2/n1，帶入多項式擬合模型的函數關系式，得出輸出轉速n2與輸入轉速n1之間的函數關系為

(4)

3.2.2株距與調節架位移之間的函數模型

以設計的2BYM-4型智能免耕玉米精量播種機為例，其傳動示意圖如圖5所示。

圖4　正弦函數模型曲線擬合圖

1.地輪　2.錐齒輪1　3.錐齒輪2　4.錐齒輪3　5.錐齒輪4

其中，地輪直徑為480mm；4個錐齒輪齒數相同,傳動比為1；鏈輪z1=25，z2=15,z3=30，z4=12，z5=18，z6=19。播種機的株距、排種器轉速與前進速度之間的關系為

(5)

其中，l為播種株距(m)；v為播種機的行進速度(km/h)；n為排種器鏈輪的轉速(r/min)。地輪轉速與播種機行進速度之間的關系為

(6)

其中，v為播種機的行進速度(km/h)；d為播種機地輪的直徑(m)；n0為地輪的轉速。

由傳動系統示意圖及各零件的參數可知

(7)

將式(4)、式(6)、式(7)都帶入到式(5)中，可得

(8)

把d=0.48帶入到上式中可得株距與調節器的調節架位移之間的函數關系式為

(9)

3.2.3株距與畝株數的函數模型

設定玉米株距為n1(m)；畝株數為a，行距為b(m)，則由

l×b×a=667

(10)

可得株距與畝株數的函數模型為

(11)

黃淮海區域的玉米種植行距一般為0.6m，則

(12)

3.3傳遞函數應用

3.3.1滑移率反饋調整

設脈沖計數模塊的計數值為C，測量齒輪每轉一周轉速傳感器輸出的脈沖數為P，計數時間為t(s)，測量齒輪轉速為n(r / min)，則以下關系式成立，有

(13)

若t=1s，P=60，則C=n，可得到測量齒輪轉速的公式為

(14)

由式(13)可知，如果用計數器在時間t內對脈沖信號進行計數，就可以計算出測量齒輪的轉速n。由課本公式可知，滑移率的計算公式為

(15)

對于播種機，地輪滑移率的計算公式為

(16)

其中，δ表示地輪的滑移率；v表示播種機的前進速度；n表示測量齒輪的轉速；r表示地輪的半徑。

l=

4結論

結合MatLab曲線擬合工具箱，求出了株距無級調節器輸入轉速n1與輸出轉速n2之間的最優函數模型，為調節器控制系統的開發提供了理論支持。同時，控制系統結合齒輪傳感器測得的齒輪轉速和GPS提供的機組行進速度，按照地輪滑移公式計算，實現株距的在線調整，減小滑移率對排種質量的影響。

參考文獻：

[1]遲宏偉,李智,金風華.東北地區農機制造業的地位和作用及發展措施[J].農機化研究,2007(1):4-8.

[2]馬美琴.大力發展農業機械化 加快實現農業現代化[J].中國農機化,2001(5):48.

[3]高曉燕,湯楚宙,吳明亮.變量播種技術在精細農業中的研究現狀與發展前景[J].企業技術開發,2011,30(5):1-3.

[4]高曉燕.油菜變量播種系統試驗研究[D].長沙：湖南農業大學,2011.

Abstract ID:1003-188X(2016)01-0066-EA

The Research for Test and Output Function Model to Adjust the Plant Spacing Stepless

Song Maohua, Du Ruicheng, Yang Zidong, Gong Bingcai

(School of Agriculture and Food Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China)

Abstract：Variable spacing stepless regulator to adjust the plant spacing, the plant spacing stepless regulator must be transferred to the speed, output speed, adjust the function model between the rack displacement and spacing of the establishment. Slip rate refers to the percentage of the ground wheel slide component seeding machine when the proportion, the slip rate is an important factor affecting the sowing quality, therefore, this paper use sliding gear velocity sensor measured the rate of seeding machine, and then a feedback control system for plant spacing stepless regulator, by adjusting the spacing rack displacement stepless regulator for regulating, change theories seeding planting distance, thereby reducing the slip rate effects on sowing quality, improve the evenness of seeding.

Key words：smart agriculture; function model; plant spacing; slip rate; curve fitting

文章編號：1003-188X(2016)01-0066-04

中圖分類號：S223.2;S220.3

文獻標識碼：A

作者簡介：宋茂華(1987-),男，山東菏澤人，碩士研究生，(E-mail)songmaohua668@163.com。通訊作者：杜瑞成(1957-)，男，山東淄博人，教授，博士生導師，(E-mail)drc@sdut.edu.cn。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD08B02-02)

收稿日期：2015-01-08