基于PLC的馬鈴薯播種機施肥控制系統研究

梁 彥

(四川職業技術學院,四川 遂寧 629000)

0 引言

馬鈴薯播種機是馬鈴薯種植作業過程中非常重要的機具,其播種方式、播種質量和施肥過程都會影響馬鈴薯的產量。我國馬鈴薯的播種一般采用機械播種機,隨著播種機的發展,已經取得了很好的效果,包括作業效率的提高、種子的均勻性和漏播率的降低等方面[1-2]。但是,馬鈴薯的生長過程需要適當的肥料保證馬鈴薯的生長,而目前對于播種機施肥控制系統的研究較少,因此主要針對播種機的施肥控制系統進行研究。

馬鈴薯的生長環境要求土地肥沃,每噸馬鈴薯需要保證5kg的氮肥和11kg的磷肥[3]。目前,我國在播種機上設置的施肥裝置大部分采用手動調節施肥量,不容易控制施肥量,肥料過多易造成土地板結和地下水氮磷元素超標,更甚者還會燒苗降低作物產量;肥量過少,則會影響馬鈴薯的生長。變量施肥技術[4-6]通過檢測馬鈴薯播種情況,結合播種機的行進速度自動調節施肥量,達到科學施肥目的,可以有效降低勞動成本及環境污染,提高工作效率。因此,本文在馬鈴薯播種機的施肥環節采用變量施肥技術進行設計。

可編程控制器(Programmable Logical Control,PLC)是以微處理器為核心,結合自動控制、微計算機和通信網絡的一種技術,操控性能良好,成本低,目前已廣泛應用于農業和工業等領域[6-7]。因此,可以將PLC應用于播種機,以達到對施肥系統的自動控制,滿足農業發展的需要。

1 設計思路

1.1 總體工作流程

馬鈴薯播種機的施肥控制系統的總體流程圖如圖1所示。該系統主要由中央控制系統、信號采集系統、排肥執行系統、顯示器和聲光報警器等組成。

圖1 馬鈴薯播種機施肥控制系統總體流程圖

1.2 中央控制系統

中央控制系統是馬鈴薯播種機播種和施肥環節的核心部件。部件中的PLC控制器、交換機和計算機作為本地管理,對播種機各個設施輸出工作指令;遠程控制計算機作為遠程管理,對播種機實現遠程控制;PLC通過收集到的各傳感器信息,自動調節排肥電機轉速,使排肥電機轉速、播種機行進速度和馬鈴薯播種量相匹配。

1.3 信號采集系統

信號采集系統主要組成部件為馬鈴薯播種傳感器、同步器和光電編碼器,主要用于采集馬鈴薯播種機的播種狀態和播種機的行駛速度。

馬鈴薯播種傳感器采用紅外線對落籽信號進行接收,監控馬鈴薯的播種情況;同步器負責監控紅外線脈沖信號,當有馬鈴薯籽落下時,產生脈沖信號并傳遞,同步器自動啟動計數功能;光電編碼器通過統計單位時間收到的脈沖信號,計算播種機的行進速度,將結果上傳至PLC控制器,下達自動調整排肥器轉速的命令。

1.4 排肥執行系統

排肥執行系統主要由液壓系統和排肥器組成。排肥器的轉速采用液壓系統進行調節,排肥器選用外槽輪式排肥器。

對于外槽輪式排肥器,槽輪每轉1圈的排肥量為

其中,Q1和Q2分別為排肥器主動層和被動層每轉動1周的排肥量;d為排肥槽輪的直徑;L為排肥槽輪的有效工作長度;γ為化肥的容量;α為化肥在排肥槽的充滿系數;S為1個排肥槽的端面積;m為各排肥槽之間的節距;cn為為被動層的特性系數。其中的α和cn均與排肥器的轉速n有關。因此,由該式可知排肥量隨排肥器轉速的升高而增加。

假設排肥器各參數均恒定不變,則該播種機的排肥器在每公頃土地的排肥量q[8]為

其中,γ為播種機的前進速度;N為排肥器數量;t為各排肥器之間的行距。由該式可以看出:當排肥器各參數確定時,每公頃土地的排肥量與播種機的前進速度成反比例關系。因此,本文通過采集播種機的前進速度,利用液壓系統調節排肥器轉速,以調整排肥器的排肥量。

1.5 聲光報警器

播種機一般是在土地空曠環境下作業,噪音很大,使得作業人員對聲音不敏感。當設備或在作業過程中有故障發生時,為了使司機能夠及時發現,報警裝置采用聲光報警器。一旦發生故障,報警裝置發出報警的聲音,同時燈光閃爍。

2 軟件設計

為了分析液壓系統的動態特性,需要建立數學模型,對液壓系統的各控制元件和執行元件之間的函數關系進行分析,再利用PID控制算法對液壓系統的各參數進行調節。

2.1 液壓系統各元件函數關系

當液壓系統的電液比例調速閥在穩定工作時,其傳遞函數G(s)為

其中,Mf(s)為液壓系統流量值;U(s)為比例放大器的電壓值;Kq為液壓系統在此刻的流量增益;δ為等效阻尼系數;Kα為工作點此刻的比例放大器的增益;s為拉普拉斯算子;ω為液壓系統等效無阻尼情況時的自振頻率。

液壓系統比例閥輸出能量一部分作為馬達的動力,一部分作為補償馬達在轉動過程中的能量損失,如流量泄漏或者流量壓縮損失。假設該液壓系統處于理想工作狀態,即油源恒壓、輸出壓力恒定、系統工作溫度恒定、液體彈性模量處于理想狀態,馬達的液體流動為層流方式,此時可以得到液壓系統工作狀態下電液比例調速閥的流量傳遞函數ML(s)為

ML(s)=KqX(s)-kP(s)

擺線液壓馬達流量連續函數ML為

擺線液壓馬達扭矩T為

T=DP(s)=(Jms2+Bms+G)θ(s)+TL

對以上3個方程求解,得到馬達軸角位移θ(s)為

由此可以得到液壓系統的各個元件之間的函數關系,進行下一步,建立液壓系統調節的數學模型。

2.2 液壓系統數學模型的建立

液壓系統BP-PID控制算法的流程圖如圖2所示。

圖2 液壓系統BP-PID控制算法流程圖

1)確定BP神經網絡結構包括確定輸入層和隱含層的節點數分別為M和N,并給定每層加權系數的初始值,學習速率和慣性系數;

2)歸一化處理r(i)、y(i)、u(i-1)和e(j),結果作為PID控制器的輸入值;

3)求解隱含層、輸出層的各個節點輸出,該輸出值即為PID控制器的可調參數,分別為KP、KI、KD。

3 試驗結果

為驗證該播種機的施肥控制系統的使用性能,首先對施肥裝置的液壓控制系統的BP-PID控制算法進行仿真試驗,確保該控制器的穩定性;再將該播種機在田間進行試驗,驗證該播種機的施肥控制系統的使用性能。

3.1 BP-PID控制算法運行試驗

在播種機的施肥控制系統內部構造一個4-5-3的3層神經網絡,結構如圖3所示。規定學習速率η=0.25,動量項α=0.45,電機穩定轉速n=120r/min,采用12V直流電源進行供電,對該電機轉速進行試驗,檢測其轉速,結果如圖4所示。

圖4 BP-PID控制算法運行試驗結果

由圖4可以看出:電機的轉速從0增加至120r/min,轉速增長平穩,電機達到平穩工作狀態工作的時間為0.1min,沒有出現轉速波動的過程,在后續的工作過程中轉速平穩。這說明,該控制算法可以使電機穩定工作,且在啟動時可以快速達到工作轉速。

3.2 田間試驗

將該播種機在田間進行馬鈴薯的播種和施肥試驗,肥料選用馬鈴薯專用復合肥,對播種機分別進行常量播種和變量播種試驗。常量播種試驗結果如表1所示,變量播種試驗的結果如圖5所示。

表1 常量播種試驗結果

由試驗結果可知:常量播種過程中,施肥誤差較小;隨著播種機施肥量的改變,其誤差仍然小于2.5%。在變量播種過程中,隨著播種量的改變自動調節施肥量,并逐步趨于穩定,調整時間小于3s;3s后,其最大超調量均小于3%。因此,該馬鈴薯播種機的施肥系統能夠滿足用戶的使用要求。

圖5 變量播種過程施肥結果

4 結論

1)基于PLC技術設計了馬鈴薯播種機的施肥控制系統,主要由中央控制系統、信號采集系統、排肥執行系統、顯示器和聲光報警器組成。

2)該施肥控制系統通過采集播種器播種速度和行進速度確定排肥量,利用液壓控制器對排肥器的排肥量進行控制,液壓控制系統采用BP-PID控制算法,以實現變量施肥的目的。

3)播種機的施肥控制系統的性能測試結果表明:該施肥控制系統可以滿足變量變量施肥的使用要求,且該系統在工作過程中性能穩定。