免耕播種機漏播補償系統設計與試驗

吳 南 林 靜 李寶筏 張本華 谷士艷

(1．沈陽農業大學工程學院，沈陽110866;2．遼寧機電職業技術學院材料工程系，丹東118009)

免耕播種機漏播補償系統設計與試驗

吳 南1，2林 靜1李寶筏1張本華1谷士艷1

(1．沈陽農業大學工程學院，沈陽110866;2．遼寧機電職業技術學院材料工程系，丹東118009)

針對免耕播種機作業時存在漏播問題，設計了一種漏播自動補償系統，建立了補償裝置驅動的數學模型，應用滑模變結構控制算法設計了補償系統控制器，并對補償系統的動態響應性能進行了仿真分析。通過補種控制算法，確定了補種機構與主排種器的距離S和離地高度H，得到了補種排種盤轉速n和播種機行進速度vm、粒距Ll之間的關系曲線，對排種器安裝高度H、粒距Ll、傳送帶速度vm進行了二次回歸正交試驗，驗證了漏播補償系統的補種性能。臺架試驗的最佳工況組合為，補種排種器安裝高度15.33 cm、粒距25.16 cm、傳送帶速度3.52 km/h時，補種成功率可達96.5%。田間試驗表明，安裝漏播補償系統后，免耕播種機播種合格率均值為98.72%，有效提高了播種質量。

免耕播種機;漏播補償系統;滑?？刂?正交試驗

引言

免耕精量播種是保護性耕作主要的技術環節，具有省種、工作效率高、出苗好等優點［1－2］。免耕精量播種機的核心部件是精密排種器，在有秸稈覆蓋、根茬殘留、凹凸不平的地面進行播種作業時，不可避免地會發生漏播，漏播發生將嚴重影響農作物的產量。為了對漏播位置進行補種，需等到出苗后進行人工補種，既浪費人力，又因錯過最佳播種時間而影響作物生長。

目前，國內外已有對漏播補償的相關研究。金衡模等［3］研制一套補種系統，通過打開空氣控制閥，利用壓縮空氣把預先等待在U型管內的種子吹出來進行補種，可準確發現漏播并及時補種。張平華［4］基于虛擬儀器進行了漏播檢測及補償技術的研究，設計了漏播補償電磁閥驅動電路及補償裝置，當檢測到漏播時，觸發執行機構進行補種。朱瑞祥等［5］研制了一種利用超越離合器的單向鎖合原理，漏播時啟動超越離合器，切換至由步進電動機控制排種器，使其加速旋轉的方法進行補種，平均成功補種率為92.98%。丁幼春等［6］針對油菜籽漏播問題設計了一套集漏播檢測和自動補種于一體的油菜籽漏播螺管式補種系統，有效解決了小籽粒作物漏播的問題?；趪鴥韧鈱＜覍W者對播種機漏播補償的研究，本文針對免耕播種復雜的田間工況，運用先進的滑模變結構控制算法設計滑?？刂破?，實現在未耕整的茬地上進行漏播補償，以進一步提高免耕精量播種機的播種質量。

1 補種系統結構與工作原理

免耕播種機漏播補種系統結構如圖1所示。

圖1 玉米壟作免耕播種機補種系統結構示意圖Fig．1 General structure diagram of corn ridge planting no-tillage planter and reseeding device

補種系統以漏播補償監控系統為核心，將步進電動機與補種器的排種軸直連，通過控制步進電動機的轉速和轉角來實現漏播補種。漏播補償控制器、步進驅動器、步進電動機和脈沖編碼器構成控制補種輪旋轉的閉環控制系統，能夠精確控制補種輪的轉速和轉角，保證補種器快速、準確進行補種。

種子從排種器和補種器下落形成質點流，符合泊松流的3個條件:平穩性，只與時間間隔的長度有關，與時間的起點無關;無后效性，與以前的情況無關;普通性，在充分小的時間間隔中不可能出現2個或2個以上事件。由以上可證明，單位時間內種子下落服從泊松分布，則兩粒種子下落的時間間隔服從指數分布。由此，可以由理論粒距Ll(cm)、播種機前進速度vm(km/h)推導出種子從排種器下落的理論時間間隔Δt=Ll/vm。依據玉米免耕播種機作業質量標準，落粒實際時間間隔Δts＞1.5Δt時發生漏播，此時步進電動機驅動的補種機構進行補種，保證補種的籽粒落入合格的粒距范圍內，提高播種質量。補種系統結構如圖2所示［7］。

圖2 補種裝置結構框圖Fig．2 Structure diagram of reseeding device

漏播和補種檢測選用2個矩形光纖傳感器對排種器和補種器進行計數，矩形光纖傳感器為區域檢測，設計的檢測區域為10 cm2，只要種子落入該區域，不會產生漏檢。漏播檢測傳感器可以檢測播種機的漏播數和漏播發生的位置，補種檢測傳感器可以檢測補種數和補種的位置，通過漏播發生的位置和補種位置的比較可以得到補種的合格數。

2 補種驅動數學模型與控制器設計

2.1 補種驅動數學模型

系統的補種機構采用窩眼式排種器，由步進電動機驅動，為了提升步進電動機驅動的控制性能，建立了步進電動機的數學模型，設計步進電動機的加速算法對步進電動機的啟動進行控制，解決啟動慢、丟步等啟動問題，保證系統補種的快速性和準確性［8－10］。

為簡化分析，忽略各相的自電感及互電感等因素，以A為參考相，則兩相混合式步進電動機的電壓平衡方程可表示為

La、Lb、Ra、Rb——步進電動機A、B相繞組自感和電阻

Km——電動機力矩常數，N·m/A

ω——角速度，rad/s

θ——角位移

Zr——電動機轉子齒數

轉子力矩平衡方程為

TL——負載轉矩

選用57HS13步進電動機作為驅動補種機構的電動機，齒數Zr為40、感抗L為2.1 mH、轉動慣量為460、粘滯摩擦系數為0.07、相電流為2.8 A。

補種驅動控制系統的脈沖編碼器和補種檢測傳感器作為角度和補種粒數測量器件，測量得到的偏差信號通過響應驅動信號使步進電動機轉動補償轉角和補種粒數偏差，從而使補種系統達到漏播補償的控制要求。補種控制系統主要由2個閉環回路組成:脈沖編碼器為測量元件的角度控制回路;補種檢測傳感器為測量元件的補種粒數控制回路。補種驅動系統原理圖如圖3a所示，圖3b為補種驅動系統仿真數學模型。

2.2 補種系統控制器設計與仿真

圖3 補種驅動系統控制原理圖Fig．3 Principle diagrams of reseeding drive system control

免耕播種機漏播補償系統為一類特殊的非線性控制，主要特點為控制的不連續性，滑模控制是變結構控制系統的一種控制策略，與常規控制的根本區別在于控制的不連續性，可使系統在一定條件下沿規定的狀態軌跡作小幅、高頻率的上下運動，即“滑動模態”，它與系統的參數和擾動無關，具有響應速度快、無需系統在線辨識，物理實現簡單，具有很好的魯棒性等優點，符合漏播補償系統的控制要求，為此，采用滑模變結構控制算法進行補種控制器的設計，可使系統快速接近期望值，降低系統振蕩，提高系統的穩態精度［11－12］。

將步進電動機的數學模型轉化為狀態空間模型

式中 A——系統矩陣 B——控制矩陣

C——輸出矩陣 x——狀態向量

u——控制角度 y——輸出角度

設目標軌跡r為階躍信號，跟蹤誤差為

定義滑模面為

趨近律采用指數趨近律形式，表達式為

式中 η——設計系數

ε——時變切換增益

k——滑模增益

則滑模控制器為

閉環誤差系統為

由η＞0，k＞0可知閉環誤差系統漸近穩定。對該滑?？刂破鳂嬙霯yapunov函數

由此可見，閉環系統狀態在有限時間內滿足可達性條件，即

為了驗證所設計的滑模控制器在步進電動機位置控制系統中的控制效果，利用Matlab/Simulink軟件對控制系統進行仿真驗證，仿真模型如圖4所示。

圖4 滑模控制器數學模型Fig．4 Slidingmode controllermathematicalmodel

滑?？刂破鲄等ˇ?120，ε=1，k=100，由仿真結果(圖5)可知，在輸入為階躍信號時，在時間0.1 s內均可達穩定狀態，跟蹤誤差在0.1 s內均可趨近于零。由此得出，在進行單粒和連續補種時，該補償系統裝置均能夠實現快速響應，穩定運行。

3 補種控制系統設計

3.1 補種運動控制算法

補種系統分析如圖6所示。排種器工作時，種子一面旋轉，一面隨播種機前進，因此種子的絕對運動是排種器旋轉和播種機前進兩種運動的合成，其運動軌跡是擺線［13］。

圖5 補種系統響應曲線Fig．5 Reseeding system response curves

圖6 補種系統分析圖Fig．6 Analysis diagram of reseeding system

圖中h為排種口與排種輪底部垂直距離;n為排種盤轉速;β為種子的投種角度;H為排種輪底部與地面距離;vm為播種機前進速度;r為排種盤半徑; P為播種第N粒種子位置;Q為播種第N+1粒種子位置;R為補種機構補種籽粒位置。當N+1粒種子發生漏播，即PQ的距離LPQ大于1.5Ll，補種籽粒與第N粒種子距離LPR，滿足0.5Ll≤LPR≤1.5Ll，可保證播種精度。假設補種排種器在A點開始投種，種子脫離排種口時的水平和垂直速度分別為

式中 vx——種子脫離排種口水平分速度，m/s

vy——種子脫離排種口垂直分速度，m/s

種子從投種口落入地面的運動時間t滿足

種子脫離排種口到落于地面上的位移

忽略傳感器檢測響應時間及擾動，則從發現漏播到補種器完成補種的時間為ts，依據圖4的仿真結果取 ts=0.1 s，此時，播種機前進的距離 S2= 0.1vm。補種器與排種器的距離為S，則補種籽粒與第N粒種子距離滿足

由此可知，在參數S和H確定后，可求出補種器排種盤速度與播種機速度、播種粒距之間為線性關系。當S=30 cm，H=20 cm時，n、vm、Ll三者的關系如圖7所示。

3.2 系統裝置設計

系統硬件由排種器、補種器、PLC控制器、觸摸屏、漏播檢測傳感器、補種檢測傳感器、速度檢測傳感器、步進電動機驅動器和步進電動機組成［14－22］。硬件配置如表1所示。

圖7 補種排種盤速度隨播種速度、粒距的變化曲線Fig．7 Changing curves of reseeding planter plate，seeding speed and seed spacing

表1 補種系統硬件配置Tab．1 Reseeding system hardware configuration

系統軟件由PLC梯形圖作為系統控制核心。觸摸屏為系統起停、參數設置和播種、補種信息的實時交互平臺。通過觸摸屏設置好工作參數，系統運行后，PLC控制器對排種器播種精度實時檢測，當發生漏播時，迅速啟動補償機構，進行漏播補償［23－27］。系統控制的流程如圖8所示。

4 系統試驗

4.1 補種試驗臺

補種試驗臺結構如圖9所示。主排種器為勺輪式精密排種器，補種器選用窩眼式排種器，排種器均由帶有脈沖編碼器的步進電動機控制，構成半閉環控制系統。主排種器和補種器平行放置，距離150mm，便于在傳送帶上區分播種籽粒和補種籽粒。傳送帶長2 000 mm，寬500 mm，以種子粒距200mm計算，可保留9或10粒種子。傳送帶上附有雙面膠帶，以防止落下的種子發生滾動和彈跳。傳送帶由1臺0.75 kW的三相交流異步電動機驅動，電動機由VFD007M438-A變頻器控制，可實現無級調速［28－32］。

圖8 PLC控制系統流程圖Fig．8 Flow chart of PLC control system

圖9 補種試驗臺結構圖Fig．9 Reseeding test-bed structure

4.2 試驗條件

為檢驗系統的補種性能和工作的可靠性，對系統進行臺架試驗，如圖10所示。為了檢測補償系統裝置性能，采用人工封堵排種穴，以便更好的監測補種機構補種的成功率和補種位置的準確度。試驗選用鄭單958玉米種子，從20 kg種子中隨機選取1 000粒作為主排種器試驗樣本，選用500粒紅色包衣的種子作為補種籽粒，便于肉眼區分。排種器選用遼寧省新民市天和興達機械制造有限公司生產的勺輪式精密排種器，排種勺輪直徑為240 mm，分種勺數18個，人工封堵4個分種勺，種勺間距為45mm，導種輪直徑237mm，導種輪凹槽數為18個。試驗過程中，系統隨機停機，人工檢測補種籽粒的位置，記錄補種位置是否合格，每一工況測試200個漏播籽粒的補種情況作為一組試驗數據。

圖10 臺架試驗Fig．10 Bench test on site

4.3 補種系統檢測精度試驗

在排種輪轉速為35 r/min、傳送帶速度為5 km/h、株距15 cm條件下進行補種數和補種合格數的檢測，系統檢測漏播數為100粒作為一組試驗數據，與人工統計的數據進行比較，對比結果如表2所示。

表2 補種精度檢測結果Tab．2 Test result of reseeding accuracy

試驗數據取平均值，漏播補償系統的漏播檢測精度為93.23%，系統檢測補種率為95.11%，實際補種率為91.95%，檢測誤差為3.16%，系統檢測的補種成功率為 96.38%，實際補種成功率為89.89%，檢測誤差為6.49%。臺架試驗表明，補償系統檢測裝置能夠為田間試驗提供有效的試驗數據參考。

4.4 補種性能試驗

為驗證漏播補償系統補種性能，在其它因素不變的情況下，試驗研究排種輪底部與地面高度H、粒距Ll和傳送帶速度vm與補種性能的數學模型和試驗因素的最佳組合，對漏播補償系統的補種成功率進行二次回歸正交設計試驗，因素編碼如表3所示。

表3 因素編碼Tab．3 Coding for factors and levels

根據三因素五水平二次回歸正交試驗設計，安排17次試驗，試驗方案與結果如表4所示。X1、X2、X3為因素編碼值。

表4 試驗方案與結果Tab．4 Test scheme and results

根據試驗結果，求解得出補種合格率與影響因素間的數學模型為

為檢驗回歸方程的顯著性，對合格率回歸方程進行了檢驗，顯著性檢驗結果如表5所示。

由表5可知，F1=3.11＜F0.25(5，2)=3.28是不顯著的，說明回歸方程擬合較好，故可進一步用統計量F2進行檢驗。其中F2=6.54＞F0.05(9，7)= 3.68，說明方程在α=0.05水平顯著，與試驗數據擬合較好。應用Design-Expert 8.0.6軟件得到試驗因素對補種合格率影響指數響應面，可以直觀看出試驗指標與各因素之間的關系，結果如圖11所示。

表5 方差分析結果Tab．5 Results of variance analysis

圖11 試驗因素對補種合格率影響的響應曲面Fig．11 Response surfaces of impact of test factors on reseeding qualified rate

回歸方程的響應面表明，傳送帶速度對系統影響最為顯著，為主要因素;排種器高度和粒距交互作用較小，為次要因素。補種合格率隨著傳送帶速度的增加而降低，在傳送帶速度較低、排種器高度和粒距較大時，補種合格率較高。將因素編碼轉換為實際值得到補種合格率y1的回歸方程

在試驗結果分析和模型擬合的基礎上，利用Design-Expert 8.0.6對試驗參數進行優化設計，即在獲得最大的補種合格率情況下，各因素取值的最佳工況組合。從軟件優化結果可以看出，在排種器安裝高度為15.33 cm，粒距為25.16 cm，傳送帶速度為3.52 km/h，可獲得補種合格率為96.5%，根據系統的最佳工況組合，進行試驗驗證，試驗結果如表6所示，表中驗證值為10次試驗結果的均值。試驗結果表明，在最佳的工作參數下，實際結果與理論結果相近，補種性能最好。

表6 試驗驗證結果Tab．6 Verification result of test

4.5 田間試驗

為驗證免耕播種機漏播補償系統田間工作時的補種性能和可靠性，2017年4月13日在沈陽農業大學科技基地試驗田進行了田間試驗，補種機構安裝在2BG-2型免耕精密播種機上，受免耕播種機機械結構限制，補種排種器的安裝高度為35 cm，粒距為25 cm，在不同行進速度下進行試驗，由東方紅354型拖拉機牽引，試驗設備包括SM-2型高精度土壤水分測量儀(澳作生態儀器有限公司)，測量范圍0.05～0.6 m3/m3，0～40℃精度為 ±0.05 m3/m3; SC900型土壤緊實度測量儀(澳作生態儀器有限公司)，量程0～45 cm、0～7 000 kPa，最大加載95 kg，分辨率2.5 cm，35 kPa，質量1.25 kg。測得試驗留茬地的土壤含水率平均值為18.95%，10 cm深土壤緊實度均值為0.45MPa，15 cm深均值為0.57MPa，土壤容重1.24 g/cm3。試驗選用鄭單958玉米種子，選用紅色包衣種子作為補種籽粒，分別在行進速度為3、4、5、6 km/h下進行了10次試驗，每次試驗測試距離為20m，每一工況進行10次試驗，如圖12所示。

圖12 田間試驗Fig．12 Field test

試驗中測量主排種器播種數S、漏播數F、補種數A、補種合格數H、補后漏播數K。試驗結果見表7。從表7可以看出，播種機的漏播補償系統能夠根據檢測的漏播信號快速響應驅動補種機構進行補種，根據播種機行進的速度變化能夠進行補種，受補種器安裝高度的影響較小。隨著播種機行進速度的增加，補種性能有所降低，但綜合試驗數據表明，安裝漏播補償系統后，在3～6 km/h速度下播種合格率提升至 99.22%、99.22%、98.70%、97.74%。以上分析表明，該漏播補償系統具有良好的補種性能，若能提高漏播檢測傳感器的精度和電動機的響應時間，播種性能將進一步提升。

表7 田間補種性能試驗結果Tab．7 Resu lt of field reseeding performance test

5 結論

(1)建立了補種機構驅動的數學模型，運用滑模變結構控制算法設計了補種控制器，仿真結果表明在輸入為階躍信號時，系統響應在0.1 s內均可達穩定狀態，跟蹤誤差在0.1 s內均可趨近于零。在進行單粒補種和連續補種時，該補償系統裝置均能夠實現快速響應，穩定運行。

(2)設計了補種的控制算法，在確定補種機構安裝位置后，可以得到補種機構轉速和免耕播種機行進速度、播種粒距的對應曲線，保證補種精度。

(3)臺架試驗表明，系統補種成功率受傳送帶速度影響最為顯著，與排種器高度和粒距之間存在交互作用，試驗優化設計結果顯示，在試驗臺上發揮系統最佳性能的工況組合是:排種器安裝高度為15.33 cm，粒距為25.16 cm，傳送帶速度為3.52 km/h，此時補種合格率可達96.5%。

(4)通過田間試驗，在3～6 km/h速度下，免耕播種機漏播補償系統平均補種率為89.14%，平均補種成功率為88.51%，與臺架試驗對比表明，在田間復雜工作環境下，補種率和補種成功率均有所降低，綜合試驗結果表明，在安裝漏播補償系統后，免耕播種機播種合格率均值為98.72%，有效提高了播種質量。

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Design and Test on No-tillage Planter Reseeding System for Miss-seeding

WU Nan1，2LIN Jing1LIBaofa1ZHANG Benhua1GU Shiyan1
(1．College of Engineering，Shenyang Agricultural University，Shenyang 110866，China 2．Department of Materials Engineering，Liaoning Mechatronics College，Dandong 118009，China)

An adaptive miss-seeding reseed device of no-tillage planter was developed to solve missseeding problemswhen working，and themathematicalmodel of the reseed device driver was established to implement the simulation analysis on the dynamic response performance of the compensation system device．Through the reseeding control algorithm，the distance(S)of reseeding device to main seedmetering device and the height(H)of seed-metering device to ground were determined and the relationship curves among reseed-metering plate speed(n)，the seedingmachinemoving speed(vm)and the seed distance(Ll)were achieved，which further achieved the self-adaption performance of the reseedingmachine．The bench test results on reseeding detection accuracy showed that themiss-seeding detection accuracy was 93.23%，the rate of reseeding of the system was 95.11%，the actual reseeding rate of reseeding was 91.95%，the detection error rate was 3.16%，the reseeding success rate of the system was 96.38%，the actual reseeding success rate was 89.89%，and the detection error rate was 6.49%．The tests of quadratic orthogonal regression on the height(H)of seed-metering device to ground，the seed distance(Ll)and the seedingmachinemoving speed(vm)showed that the performance of the reseeding devicewas the bestwith the height(H)of seed-metering device to ground of15.33 cm，the seed distance(Ll)of25.16 cm and the seedingmachinemoving speed(vm)of3.52 km/h，and the reseeding success rate was 96.5%．The field test results on reseeding performance showed that the average seeding qualification rate was 98.72%，which had an increase of 4.56%at speed of3 km/h to 6 km/h．The research effectively improved the seeding quality and also provided reference for further study on seeding performance improvement of no-tillage planter as well as the promotion of agriculture mechanization levelwith information technology．

no-tillage planter;reseeding system formiss-seeding;slidingmode control;orthogonal test

S223.2

A

1000-1298(2017)07-0069-09

2017-04-16

2017-05-04

公益性行業(農業)科研專項(201503116-09)和國家自然科學基金項目(51275318)

吳南(1982—)，男，博士生，遼寧機電職業技術學院講師，主要從事旱作農業機械化研究，E-mail:lfwunan@163．com

林靜(1967—)，女，教授，博士生導師，主要從事旱作農業機械化及智能化裝備研究，E-mail:synydxlj69@163．com

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．009