Design of Double Variable Control System of Fertilization

CHU Shi-zhe，ZHANG Li-xin，LI Zhen，LI Kai（Machinery and Electricity Engineering College，Shihezi University，Shihezi 832003，China）

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Design of Double Variable Control System of Fertilization

CHU Shi-zhe，ZHANG Li-xin※，LI Zhen，LI Kai
（Machinery and Electricity Engineering College，Shihezi University，Shihezi 832003，China）

Abstract:Variable rate fertilizer control system isessential for the achievement ofvariable rate fertilization.Combined with the status quo and development trend of domestic and overseas fertilizing machine and corresponding control system，this paper presentsa control system of fertilization based on outer grooved wheel type fertilizer device，by adjusting the speed of the shaft and the fertilizer apparatusopening size to achieve double variable fertilization，to overcome problems of single variable fertilization，such aspoor precision，small scheduling，significant pulsation when low speed. Key words:Variable Fertilization；control system；singlechip；hydraulic system

0　引言

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，且已在我國取得了較為顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益［1］。變量施肥是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。變量施肥技術(shù)是以不同空間單元的目標(biāo)產(chǎn)量與土壤理化性質(zhì)等為依據(jù)進(jìn)行綜合測算分析，結(jié)合營養(yǎng)專家系統(tǒng)、作物生長模型進(jìn)行施肥量決策，指導(dǎo)變量施肥機(jī)進(jìn)行田間按需施肥［2-3，5］。實(shí)踐證明，實(shí)施按需變量施肥可大幅提高肥料的利用率、減少肥料的浪費(fèi)以及多余肥料對(duì)環(huán)境的不良影響，其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益顯著［4-5］。而變量施肥機(jī)是變量施肥技術(shù)的基礎(chǔ)和載體，同時(shí)變量施肥機(jī)的排肥控制系統(tǒng)又是變量施肥系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量施肥的關(guān)鍵。

目前施肥機(jī)實(shí)現(xiàn)變量施肥主要有兩種控制方式：一種是基于傳感器的實(shí)時(shí)控制；另一種是基于施

針對(duì)以上問題，結(jié)合國內(nèi)外變量施肥機(jī)及相應(yīng)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，本文提出了一種基于外槽輪式排肥器的雙變量施肥閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要包括基于工控機(jī)的上位控制系統(tǒng)、基于STC單片機(jī)的下位控制系統(tǒng)及電控液壓系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1　基于工控機(jī)的上位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于工控機(jī)（IPC）的上位控制系統(tǒng)是施肥決策的主控制系統(tǒng)，上位工控機(jī)可以提供高效的數(shù)據(jù)運(yùn)算和良好的人機(jī)交互界面（HMI）。上位控制系統(tǒng)具體工作原理與過程如下：首先通過施肥機(jī)排肥標(biāo)定試驗(yàn)得到不同的標(biāo)定函數(shù)模型，寫入到軟件控制程序中，在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)通過RS232串口總線將GPS/ DGPS接收機(jī)發(fā)送的信號(hào)讀入寫到?jīng)Q策系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，同時(shí)提取出施肥機(jī)具經(jīng)、緯度位置信息，然后再通過網(wǎng)格識(shí)別程序，計(jì)算得到機(jī)具所在地塊網(wǎng)格的行列號(hào)，然后查詢數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)于該網(wǎng)格的決策施肥量Q。

圖1　施肥控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖

在手動(dòng)模式下，通過鍵盤錄入整塊田地總施肥量，并讀取下位控制器對(duì)安裝于車輪上的霍爾傳感器所采集到的脈沖信號(hào)計(jì)算到的機(jī)具前進(jìn)速度值。施肥機(jī)具經(jīng)緯度位置、速度、行列號(hào)和施肥量等信息將顯示在人機(jī)界面中。通過標(biāo)定施肥公式計(jì)算所需液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速N和排肥軸的開度，并將該轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)器所需的電壓（電流）信號(hào)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)排肥軸轉(zhuǎn)速和排肥器槽輪的有效工作長度（即排肥器開度），再由霍爾傳感器檢測當(dāng)前排肥軸轉(zhuǎn)速反饋給控制器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。在此過程中，排肥器開度由控制器發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)開度液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)排肥軸軸向位移來實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)通過對(duì)排肥軸轉(zhuǎn)速及排肥器開度的控制實(shí)現(xiàn)雙變量施肥。

2　基于單片機(jī)的下位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位施肥控制系統(tǒng)以宏晶科技STC12C5A60S系列單片機(jī)為核心，利用DA轉(zhuǎn)換將上位機(jī)給定的施肥量信息轉(zhuǎn)化為電液比例調(diào)速閥和開度電磁閥所需的電壓控制信號(hào)，其主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)排肥軸轉(zhuǎn)速和開度的數(shù)據(jù)采集及傳輸，控制排肥軸電液比例調(diào)速閥的開度閥值（轉(zhuǎn)速控制），控制排肥軸開度電磁閥開閉（開度控制），與基于串口總線的測試系統(tǒng)以及與工控機(jī)上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。排肥軸轉(zhuǎn)速的采集與機(jī)具行駛速度的測量采用的是基于PCA轉(zhuǎn)速測控模塊。利用PCA脈沖捕獲的高速度和高可靠性，實(shí)時(shí)將排肥軸轉(zhuǎn)速和拖拉機(jī)的行駛速度等信息通過串口總線發(fā)給基于工控機(jī)的上位機(jī)主控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)施肥控制。

圖2　上位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3　下位閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件電路組成框圖

圖4　下位控制系統(tǒng)流程圖

3　雙變量施肥機(jī)電控液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)變量施肥機(jī)的排肥方式及其施肥精度要求，施肥電控液壓系統(tǒng)通過控制安裝在施肥機(jī)排肥軸兩側(cè)的液壓馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)排肥軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向位移，以此來實(shí)現(xiàn)排肥軸的轉(zhuǎn)速與排肥器開度雙調(diào)節(jié)。排肥轉(zhuǎn)速馬達(dá)采用電液比例調(diào)速閥進(jìn)行排肥軸轉(zhuǎn)速的無極調(diào)速，開度馬達(dá)采用三位四通電磁換向閥與溢流閥組合進(jìn)行正反轉(zhuǎn)換向調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)排肥器開度控制。排肥軸轉(zhuǎn)速控制和排肥器開度控制相互獨(dú)立，互不干涉。

液壓系統(tǒng)油路圖如圖5所示，主要工作流程如下：拖拉機(jī)為整個(gè)控制系統(tǒng)提供直流穩(wěn)壓電源和液壓油源，首先調(diào)整先導(dǎo)式溢流閥的工作壓力，壓力油在進(jìn)入電液比例調(diào)速閥之前，兩位兩通電磁閥1號(hào)和2號(hào)電磁鐵通電，得到兩個(gè)不同的穩(wěn)定工作壓力。下位控制器根據(jù)接收到的控制指令，使O型三位四通電磁換向閥4中的兩端電磁鐵一端得電，在兩個(gè)不同的穩(wěn)定工作油壓下，開度馬達(dá)獲得不同的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，當(dāng)其轉(zhuǎn)速保持在8 r/min時(shí)實(shí)現(xiàn)慢速調(diào)整外槽輪排肥器槽輪的有效工作長度，在30 r/min時(shí)進(jìn)行快速高檔調(diào)速。

圖5　變量施肥電控液壓系統(tǒng)圖

下位控制器控制電液比例調(diào)速組合閥3中驅(qū)動(dòng)器端電磁鐵的工作電壓，對(duì)排肥轉(zhuǎn)速馬達(dá)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。在整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)中關(guān)鍵油路部位安裝壓力表，時(shí)刻監(jiān)測工作油路油壓的穩(wěn)定性，以避免因油路不穩(wěn)定造成施肥精度下降，造成施肥誤差的積累。安裝于每個(gè)排肥軸的霍爾傳感器將采集到的排肥軸馬達(dá)轉(zhuǎn)速和槽輪工作位移實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸給下位控制器，同時(shí)下位控制器將施肥機(jī)排肥軸的轉(zhuǎn)速信息發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，然后進(jìn)入下次施肥調(diào)節(jié)。

4　系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)較好地實(shí)現(xiàn)了雙變量施肥系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制、檢測控制及施肥機(jī)具工作狀態(tài)的監(jiān)控，基本實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)所期待的成果。目前，該系統(tǒng)正處于樣機(jī)的評(píng)價(jià)和改進(jìn)階段，相關(guān)的圖片如圖6。

5　總結(jié)

本文在綜合考慮國內(nèi)外變量施肥機(jī)具以及施肥控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于上位工控機(jī)下位單片機(jī)的電控液壓傳動(dòng)雙變量施肥機(jī)閉環(huán)施肥控制系統(tǒng)。通過對(duì)雙變量施肥機(jī)施肥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的討論，為同類型的變量施肥機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種設(shè)計(jì)思路，具有一定的參考價(jià)值。

圖6　系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

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doi:10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.01.006

中圖分類號(hào):S224.22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1007-7782（2016）01-0018-03

收稿日期：2016-02-13

基金項(xiàng)目：國家自然 項(xiàng)目（51365048）

通訊作者：張立新肥處方的控制［6］。由于相關(guān)傳感器檢測等技術(shù)應(yīng)用于作物施肥檢測尚不成熟，目前絕大多數(shù)自動(dòng)變量施肥機(jī)采用基于施肥處方的變量施肥控制系統(tǒng)［7］。在變量施肥實(shí)現(xiàn)方式上，國內(nèi)外在電控機(jī)械無級(jí)變速系統(tǒng)、電控步進(jìn)電機(jī)型調(diào)速系統(tǒng)方而的研究較為深入，相關(guān)機(jī)型有約翰迪爾JD-1820/1910氣吸式變量施肥播種機(jī)，CASE公司研發(fā)的2340空氣施肥機(jī)和國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心研制的1G-VRT1旋耕變量施肥機(jī)和2F-VRT1變量施肥機(jī)等［8～9］。然而，現(xiàn)有控制系統(tǒng)大多僅局限于對(duì)施肥機(jī)排肥軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，即單變量施肥，同時(shí)由于我國施肥機(jī)多采用外槽輪式排肥器，相對(duì)于雙變量施肥存在精度差、可調(diào)度小，在低速排肥時(shí)脈動(dòng)性顯著等問題［10］。