一種電學控制特性下的變量施肥裝置研究

周文軍,伍賢洪

(南寧職業技術學院,南寧 530008)

0 引言

隨著農業生產的發展及環保的高要求,設計了一種自動變量施肥裝置控制系統,可依據農業生產需求對施肥量進行動態精準化控制調節[1]。變量施肥裝置采用一種閉環控制技術,采用位移傳感器對施肥過程進行實時檢測,系統數據處理器根據傳感器信息進行施肥裝置執行機構控制,實現施肥過程中的自動化調節。作業過程中,將所有系統運行參數上傳至上位機,并對參數數據進行分析和處理,記錄變量施肥裝置運行過程中的動態施肥數據[2-3]。系統有效提高了農業生產過程中肥料利用率,同時減少了肥料的浪費和肥料對環境的影響。

1 變量施肥電液比例系統設計

變量施肥裝置上電后,上位機接收相關位置信息和環境參數數據,計算出肥料需求量[4];施肥需求通過系統通信總線傳輸至裝置控制系統,并與系統內設定的施肥參數閾值進行對比生成施肥控制指令,控制變量施肥調節機構進行動作[5-6]。

所設計的電液比例調節系統采用基于液壓缸的電液比例控制方式,按照控制器指令電信號連續成比例地對液壓系統運行過程中的壓力和流量等過程參數進行控制,以提高液壓系統的控制精度水平。圖1所示為變量施肥裝置電液比例系統結構。

圖1 變量施肥裝置電液比例系統結構圖Fig.1 Structure diagram of electro hydraulic proportional system of variable rate fertilization device

2 變量施肥裝置模塊設計

變量施肥裝置電源執行機構電源為12V,系統控制器工作電壓為5V。因此,所設計的施肥裝置控制系統中,采用2個三段穩壓器進行二級穩壓,達到執行機構和控制器的需求電壓值,穩壓過程中,采用發光二極管對電源進行指示。圖2所示為變量施肥裝置電源模塊電路[7]。

圖2 變量施肥裝置電液模塊電路圖Fig.2 Electric hydraulic module circuit diagram of variable rate fertilization device

系統中的復位和時鐘控制模塊采用典型的外部晶振時鐘電路,晶振頻率為32 768Hz,利用單片機內部PLL鎖相環模塊后,總線時鐘達到8MHz。采用低頻電路可有效降低系統處理器晶振電路的電磁干擾,提高系統可靠性;在使用過程中,利用軟件對鎖相環頻率進行修改,以提高系統使用過程中的靈活性[8-9]。

選用一種MC68GP32型單片機,采用8路8位置、A/D轉換器對環境參數數據進行轉換,8路模擬通道信號輸入通道引腳可與并行串口進行疊加使用。在數據采集過程中,為保證A/D轉換具有較高的可靠性,采用內部總線時鐘,將分頻系數全部設定為8,從而使A/D時鐘頻率達到1MHz。圖3所示為變量施肥裝置微處理控制器電路。

圖3 變量施肥裝置微處理控制器電路圖Fig.3 Circuit diagram of microprocessor controller for variable rate fertilization device

變量施肥裝置控制器輸出電路采用緩沖脈寬調制方案,將定時器通道聯合起來形成通道0和通道1,信號波形通過TCH0和TCH1引腳進行輸出。功率驅動過程采用光電耦合器,有效消除了過程信號干擾,同時可對線路中的阻抗和負載進行平衡,防止出現自感電勢對輸出電路的影響[10]。

變量施肥控制系統微處理器利用RS485將數據信號轉化為系統串口信號,采用雙半工通訊方式,將RRL電平進行轉換,形成RS485通訊電平[11-12]。圖4所示為RS485通信接口電路。

圖4 微處理控制器通訊接口電路圖Fig.4 Communication interface circuit diagram of microprocessor controller

為保證變量施肥裝置在使用過程中具有較高的穩定性,同時保證電學控制過程中具有良好的動態響應特性,采用數字PID控制器與單片機結合的方式,兼顧系統使用過程中具有較好的控制性能和靜態性能[13]。圖5所示為施肥裝置電液比例控制系統動態結構。

圖5 電液比例控制系統動態結構圖Fig.5 Dynamic structure diagram of electro hydraulic proportional control system

利用PID進行變量施肥動態控制過程中,確定系統比例增益系數KP=8,積分時間參數TI=0.04,微分時間參數TD=10,使整個系統在運行時具有良好的性能。

3 變量施肥裝置軟件設計

針對變量施肥控制系統需求、系統輸入指令和系統輸出信號進行分析,對控制系統軟件進行編程[14]。當系統上電后,對時鐘總線進行初始化處理,并利用定時器對系統輸出進行初始化,對通訊接口初始值進行設定;初始化完成后,讀取通訊總線傳送的上位機數據,并通過位置參數和環境參數獲取施肥量數據[15]。圖6所示為變量施肥裝置控制系統軟件工作流程。

圖6 控制系統軟件工作流程圖Fig.6 Flow chart of control system software

4 系統試驗

對變量施肥裝置控制系統對施肥量控制精度及施肥過程中的系統響應時間進行試驗測定。進行控制系統響應時間測定時,采用增大施肥量和減少施肥量兩種方式進行驗證,如圖7所示。

圖7 控制系統響應時間數據曲線Fig.7 Response time data curve of control system

由圖7曲線可以看出:增大施肥量時系統響應時間約為4s,減少施肥量時系統響應時間約為6s。在進行變量施肥過程中,分別記錄每個條件下所消耗的肥料質量,并與設定施肥量進行對比,即可得出變量施肥裝置的施肥量控制精度。表1所示為變量施肥控制精度試驗數據。

由表1可以看出:每種試驗條件分別進行兩組試驗,施肥量控制精度誤差小于4%,施肥量波動范圍處于允許波動范圍內。

表1 控制系統精度試驗數據Table 1 Control system precision test data

5 結論

所設計的施肥裝置電比例變量控制方案,能夠達到平穩可靠運行的狀態,且系統成本低。經試驗驗證,其運行過程中的控制精度高,可根據使用過程中的位置信息和環境參數信息進行綜合控制,并自動完成變量施肥作業。