免耕播種機(jī)漏播補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計與試驗

吳 南 林 靜 李寶筏 張本華 谷士艷

(1．沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽110866;2．遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，丹東118009)

免耕播種機(jī)漏播補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)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(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽110866;2．遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，丹東118009)

針對免耕播種機(jī)作業(yè)時存在漏播問題，設(shè)計了一種漏播自動補(bǔ)償系統(tǒng)，建立了補(bǔ)償裝置驅(qū)動的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)控制算法設(shè)計了補(bǔ)償系統(tǒng)控制器，并對補(bǔ)償系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能進(jìn)行了仿真分析。通過補(bǔ)種控制算法，確定了補(bǔ)種機(jī)構(gòu)與主排種器的距離S和離地高度H，得到了補(bǔ)種排種盤轉(zhuǎn)速n和播種機(jī)行進(jìn)速度vm、粒距Ll之間的關(guān)系曲線，對排種器安裝高度H、粒距Ll、傳送帶速度vm進(jìn)行了二次回歸正交試驗，驗證了漏播補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)種性能。臺架試驗的最佳工況組合為，補(bǔ)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(bǔ)種成功率可達(dá)96.5%。田間試驗表明，安裝漏播補(bǔ)償系統(tǒng)后，免耕播種機(jī)播種合格率均值為98.72%，有效提高了播種質(zhì)量。

免耕播種機(jī);漏播補(bǔ)償系統(tǒng);滑?？刂?正交試驗

引言

免耕精量播種是保護(hù)性耕作主要的技術(shù)環(huán)節(jié)，具有省種、工作效率高、出苗好等優(yōu)點［1－2］。免耕精量播種機(jī)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(jìn)行播種作業(yè)時，不可避免地會發(fā)生漏播，漏播發(fā)生將嚴(yán)重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量。為了對漏播位置進(jìn)行補(bǔ)種，需等到出苗后進(jìn)行人工補(bǔ)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(nèi)外已有對漏播補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)研究。金衡模等［3］研制一套補(bǔ)種系統(tǒng)，通過打開空氣控制閥，利用壓縮空氣把預(yù)先等待在U型管內(nèi)的種子吹出來進(jìn)行補(bǔ)種，可準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)漏播并及時補(bǔ)種。張平華［4］基于虛擬儀器進(jìn)行了漏播檢測及補(bǔ)償技術(shù)的研究，設(shè)計了漏播補(bǔ)償電磁閥驅(qū)動電路及補(bǔ)償裝置，當(dāng)檢測到漏播時，觸發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)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(jìn)電動機(jī)控制排種器，使其加速旋轉(zhuǎn)的方法進(jìn)行補(bǔ)種，平均成功補(bǔ)種率為92.98%。丁幼春等［6］針對油菜籽漏播問題設(shè)計了一套集漏播檢測和自動補(bǔ)種于一體的油菜籽漏播螺管式補(bǔ)種系統(tǒng)，有效解決了小籽粒作物漏播的問題?；趪鴥?nèi)外專家學(xué)者對播種機(jī)漏播補(bǔ)償?shù)难芯浚疚尼槍γ飧シN復(fù)雜的田間工況，運用先進(jìn)的滑模變結(jié)構(gòu)控制算法設(shè)計滑?？刂破?，實現(xiàn)在未耕整的茬地上進(jìn)行漏播補(bǔ)償，以進(jìn)一步提高免耕精量播種機(jī)的播種質(zhì)量。

1 補(bǔ)種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

免耕播種機(jī)漏播補(bǔ)種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 玉米壟作免耕播種機(jī)補(bǔ)種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 General structure diagram of corn ridge planting no-tillage planter and reseeding device

補(bǔ)種系統(tǒng)以漏播補(bǔ)償監(jiān)控系統(tǒng)為核心，將步進(jìn)電動機(jī)與補(bǔ)種器的排種軸直連，通過控制步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角來實現(xiàn)漏播補(bǔ)種。漏播補(bǔ)償控制器、步進(jìn)驅(qū)動器、步進(jìn)電動機(jī)和脈沖編碼器構(gòu)成控制補(bǔ)種輪旋轉(zhuǎn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠精確控制補(bǔ)種輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，保證補(bǔ)種器快速、準(zhǔn)確進(jìn)行補(bǔ)種。

種子從排種器和補(bǔ)種器下落形成質(zhì)點流，符合泊松流的3個條件:平穩(wěn)性，只與時間間隔的長度有關(guān)，與時間的起點無關(guān);無后效性，與以前的情況無關(guān);普通性，在充分小的時間間隔中不可能出現(xiàn)2個或2個以上事件。由以上可證明，單位時間內(nèi)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(shù)分布。由此，可以由理論粒距Ll(cm)、播種機(jī)前進(jìn)速度vm(km/h)推導(dǎo)出種子從排種器下落的理論時間間隔Δt=Ll/vm。依據(jù)玉米免耕播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，落粒實際時間間隔Δts＞1.5Δt時發(fā)生漏播，此時步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動的補(bǔ)種機(jī)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)種，保證補(bǔ)種的籽粒落入合格的粒距范圍內(nèi)，提高播種質(zhì)量。補(bǔ)種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示［7］。

圖2 補(bǔ)種裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig．2 Structure diagram of reseeding device

漏播和補(bǔ)種檢測選用2個矩形光纖傳感器對排種器和補(bǔ)種器進(jìn)行計數(shù)，矩形光纖傳感器為區(qū)域檢測，設(shè)計的檢測區(qū)域為10 cm2，只要種子落入該區(qū)域，不會產(chǎn)生漏檢。漏播檢測傳感器可以檢測播種機(jī)的漏播數(shù)和漏播發(fā)生的位置，補(bǔ)種檢測傳感器可以檢測補(bǔ)種數(shù)和補(bǔ)種的位置，通過漏播發(fā)生的位置和補(bǔ)種位置的比較可以得到補(bǔ)種的合格數(shù)。

2 補(bǔ)種驅(qū)動數(shù)學(xué)模型與控制器設(shè)計

2.1 補(bǔ)種驅(qū)動數(shù)學(xué)模型

系統(tǒng)的補(bǔ)種機(jī)構(gòu)采用窩眼式排種器，由步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動，為了提升步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動的控制性能，建立了步進(jìn)電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計步進(jìn)電動機(jī)的加速算法對步進(jìn)電動機(jī)的啟動進(jìn)行控制，解決啟動慢、丟步等啟動問題，保證系統(tǒng)補(bǔ)種的快速性和準(zhǔn)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(jìn)電動機(jī)的電壓平衡方程可表示為

La、Lb、Ra、Rb——步進(jìn)電動機(jī)A、B相繞組自感和電阻

Km——電動機(jī)力矩常數(shù)，N·m/A

ω——角速度，rad/s

θ——角位移

Zr——電動機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)

轉(zhuǎn)子力矩平衡方程為

TL——負(fù)載轉(zhuǎn)矩

選用57HS13步進(jìn)電動機(jī)作為驅(qū)動補(bǔ)種機(jī)構(gòu)的電動機(jī)，齒數(shù)Zr為40、感抗L為2.1 mH、轉(zhuǎn)動慣量為460、粘滯摩擦系數(shù)為0.07、相電流為2.8 A。

補(bǔ)種驅(qū)動控制系統(tǒng)的脈沖編碼器和補(bǔ)種檢測傳感器作為角度和補(bǔ)種粒數(shù)測量器件，測量得到的偏差信號通過響應(yīng)驅(qū)動信號使步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動補(bǔ)償轉(zhuǎn)角和補(bǔ)種粒數(shù)偏差，從而使補(bǔ)種系統(tǒng)達(dá)到漏播補(bǔ)償?shù)目刂埔?。補(bǔ)種控制系統(tǒng)主要由2個閉環(huán)回路組成:脈沖編碼器為測量元件的角度控制回路;補(bǔ)種檢測傳感器為測量元件的補(bǔ)種粒數(shù)控制回路。補(bǔ)種驅(qū)動系統(tǒng)原理圖如圖3a所示，圖3b為補(bǔ)種驅(qū)動系統(tǒng)仿真數(shù)學(xué)模型。

2.2 補(bǔ)種系統(tǒng)控制器設(shè)計與仿真

圖3 補(bǔ)種驅(qū)動系統(tǒng)控制原理圖Fig．3 Principle diagrams of reseeding drive system control

免耕播種機(jī)漏播補(bǔ)償系統(tǒng)為一類特殊的非線性控制，主要特點為控制的不連續(xù)性，滑?？刂剖亲兘Y(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的一種控制策略，與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性，可使系統(tǒng)在一定條件下沿規(guī)定的狀態(tài)軌跡作小幅、高頻率的上下運動，即“滑動模態(tài)”，它與系統(tǒng)的參數(shù)和擾動無關(guān)，具有響應(yīng)速度快、無需系統(tǒng)在線辨識，物理實現(xiàn)簡單，具有很好的魯棒性等優(yōu)點，符合漏播補(bǔ)償系統(tǒng)的控制要求，為此，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制算法進(jìn)行補(bǔ)種控制器的設(shè)計，可使系統(tǒng)快速接近期望值，降低系統(tǒng)振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度［11－12］。

將步進(jìn)電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間模型

式中 A——系統(tǒng)矩陣 B——控制矩陣

C——輸出矩陣 x——狀態(tài)向量

u——控制角度 y——輸出角度

設(shè)目標(biāo)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(shù)趨近律形式，表達(dá)式為

式中 η——設(shè)計系數(shù)

ε——時變切換增益

k——滑模增益

則滑?？刂破鳛?/p>

閉環(huán)誤差系統(tǒng)為

由η＞0，k＞0可知閉環(huán)誤差系統(tǒng)漸近穩(wěn)定。對該滑模控制器構(gòu)造Lyapunov函數(shù)

由此可見，閉環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)在有限時間內(nèi)滿足可達(dá)性條件，即

為了驗證所設(shè)計的滑?？刂破髟诓竭M(jìn)電動機(jī)位置控制系統(tǒng)中的控制效果，利用Matlab/Simulink軟件對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗證，仿真模型如圖4所示。

圖4 滑?？刂破鲾?shù)學(xué)模型Fig．4 Slidingmode controllermathematicalmodel

滑?？刂破鲄?shù)取η=120，ε=1，k=100，由仿真結(jié)果(圖5)可知，在輸入為階躍信號時，在時間0.1 s內(nèi)均可達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，跟蹤誤差在0.1 s內(nèi)均可趨近于零。由此得出，在進(jìn)行單粒和連續(xù)補(bǔ)種時，該補(bǔ)償系統(tǒng)裝置均能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)，穩(wěn)定運行。

3 補(bǔ)種控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 補(bǔ)種運動控制算法

補(bǔ)種系統(tǒng)分析如圖6所示。排種器工作時，種子一面旋轉(zhuǎn)，一面隨播種機(jī)前進(jìn)，因此種子的絕對運動是排種器旋轉(zhuǎn)和播種機(jī)前進(jìn)兩種運動的合成，其運動軌跡是擺線［13］。

圖5 補(bǔ)種系統(tǒng)響應(yīng)曲線Fig．5 Reseeding system response curves

圖6 補(bǔ)種系統(tǒng)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(zhuǎn)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(jī)前進(jìn)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(bǔ)種機(jī)構(gòu)補(bǔ)種籽粒位置。當(dāng)N+1粒種子發(fā)生漏播，即PQ的距離LPQ大于1.5Ll，補(bǔ)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(shè)補(bǔ)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(yīng)時間及擾動，則從發(fā)現(xiàn)漏播到補(bǔ)種器完成補(bǔ)種的時間為ts，依據(jù)圖4的仿真結(jié)果取 ts=0.1 s，此時，播種機(jī)前進(jìn)的距離 S2= 0.1vm。補(bǔ)種器與排種器的距離為S，則補(bǔ)種籽粒與第N粒種子距離滿足

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

3.2 系統(tǒng)裝置設(shè)計

系統(tǒng)硬件由排種器、補(bǔ)種器、PLC控制器、觸摸屏、漏播檢測傳感器、補(bǔ)種檢測傳感器、速度檢測傳感器、步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器和步進(jìn)電動機(jī)組成［14－22］。硬件配置如表1所示。

圖7 補(bǔ)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(bǔ)種系統(tǒng)硬件配置Tab．1 Reseeding system hardware configuration

系統(tǒng)軟件由PLC梯形圖作為系統(tǒng)控制核心。觸摸屏為系統(tǒng)起停、參數(shù)設(shè)置和播種、補(bǔ)種信息的實時交互平臺。通過觸摸屏設(shè)置好工作參數(shù)，系統(tǒng)運行后，PLC控制器對排種器播種精度實時檢測，當(dāng)發(fā)生漏播時，迅速啟動補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，進(jìn)行漏播補(bǔ)償［23－27］。系統(tǒng)控制的流程如圖8所示。

4 系統(tǒng)試驗

4.1 補(bǔ)種試驗臺

補(bǔ)種試驗臺結(jié)構(gòu)如圖9所示。主排種器為勺輪式精密排種器，補(bǔ)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(jìn)電動機(jī)控制，構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。主排種器和補(bǔ)種器平行放置，距離150mm，便于在傳送帶上區(qū)分播種籽粒和補(bǔ)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(fā)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(jī)驅(qū)動，電動機(jī)由VFD007M438-A變頻器控制，可實現(xiàn)無級調(diào)速［28－32］。

圖8 PLC控制系統(tǒng)流程圖Fig．8 Flow chart of PLC control system

圖9 補(bǔ)種試驗臺結(jié)構(gòu)圖Fig．9 Reseeding test-bed structure

4.2 試驗條件

為檢驗系統(tǒng)的補(bǔ)種性能和工作的可靠性，對系統(tǒng)進(jìn)行臺架試驗，如圖10所示。為了檢測補(bǔ)償系統(tǒng)裝置性能，采用人工封堵排種穴，以便更好的監(jiān)測補(bǔ)種機(jī)構(gòu)補(bǔ)種的成功率和補(bǔ)種位置的準(zhǔn)確度。試驗選用鄭單958玉米種子，從20 kg種子中隨機(jī)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(bǔ)種籽粒，便于肉眼區(qū)分。排種器選用遼寧省新民市天和興達(dá)機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的勺輪式精密排種器，排種勺輪直徑為240 mm，分種勺數(shù)18個，人工封堵4個分種勺，種勺間距為45mm，導(dǎo)種輪直徑237mm，導(dǎo)種輪凹槽數(shù)為18個。試驗過程中，系統(tǒng)隨機(jī)停機(jī)，人工檢測補(bǔ)種籽粒的位置，記錄補(bǔ)種位置是否合格，每一工況測試200個漏播籽粒的補(bǔ)種情況作為一組試驗數(shù)據(jù)。

圖10 臺架試驗Fig．10 Bench test on site

4.3 補(bǔ)種系統(tǒng)檢測精度試驗

在排種輪轉(zhuǎn)速為35 r/min、傳送帶速度為5 km/h、株距15 cm條件下進(jìn)行補(bǔ)種數(shù)和補(bǔ)種合格數(shù)的檢測，系統(tǒng)檢測漏播數(shù)為100粒作為一組試驗數(shù)據(jù)，與人工統(tǒng)計的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對比結(jié)果如表2所示。

表2 補(bǔ)種精度檢測結(jié)果Tab．2 Test result of reseeding accuracy

試驗數(shù)據(jù)取平均值，漏播補(bǔ)償系統(tǒng)的漏播檢測精度為93.23%，系統(tǒng)檢測補(bǔ)種率為95.11%，實際補(bǔ)種率為91.95%，檢測誤差為3.16%，系統(tǒng)檢測的補(bǔ)種成功率為 96.38%，實際補(bǔ)種成功率為89.89%，檢測誤差為6.49%。臺架試驗表明，補(bǔ)償系統(tǒng)檢測裝置能夠為田間試驗提供有效的試驗數(shù)據(jù)參考。

4.4 補(bǔ)種性能試驗

為驗證漏播補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)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(bǔ)種性能的數(shù)學(xué)模型和試驗因素的最佳組合，對漏播補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)種成功率進(jìn)行二次回歸正交設(shè)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(jù)三因素五水平二次回歸正交試驗設(shè)計，安排17次試驗，試驗方案與結(jié)果如表4所示。X1、X2、X3為因素編碼值。

表4 試驗方案與結(jié)果Tab．4 Test scheme and results

根據(jù)試驗結(jié)果，求解得出補(bǔ)種合格率與影響因素間的數(shù)學(xué)模型為

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

由表5可知，F(xiàn)1=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(jìn)一步用統(tǒng)計量F2進(jìn)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(shù)據(jù)擬合較好。應(yīng)用Design-Expert 8.0.6軟件得到試驗因素對補(bǔ)種合格率影響指數(shù)響應(yīng)面，可以直觀看出試驗指標(biāo)與各因素之間的關(guān)系，結(jié)果如圖11所示。

表5 方差分析結(jié)果Tab．5 Results of variance analysis

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

回歸方程的響應(yīng)面表明，傳送帶速度對系統(tǒng)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(bǔ)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(bǔ)種合格率較高。將因素編碼轉(zhuǎn)換為實際值得到補(bǔ)種合格率y1的回歸方程

在試驗結(jié)果分析和模型擬合的基礎(chǔ)上，利用Design-Expert 8.0.6對試驗參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，即在獲得最大的補(bǔ)種合格率情況下，各因素取值的最佳工況組合。從軟件優(yōu)化結(jié)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(bǔ)種合格率為96.5%，根據(jù)系統(tǒng)的最佳工況組合，進(jìn)行試驗驗證，試驗結(jié)果如表6所示，表中驗證值為10次試驗結(jié)果的均值。試驗結(jié)果表明，在最佳的工作參數(shù)下，實際結(jié)果與理論結(jié)果相近，補(bǔ)種性能最好。

表6 試驗驗證結(jié)果Tab．6 Verification result of test

4.5 田間試驗

為驗證免耕播種機(jī)漏播補(bǔ)償系統(tǒng)田間工作時的補(bǔ)種性能和可靠性，2017年4月13日在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)科技基地試驗田進(jìn)行了田間試驗，補(bǔ)種機(jī)構(gòu)安裝在2BG-2型免耕精密播種機(jī)上，受免耕播種機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，補(bǔ)種排種器的安裝高度為35 cm，粒距為25 cm，在不同行進(jìn)速度下進(jìn)行試驗，由東方紅354型拖拉機(jī)牽引，試驗設(shè)備包括SM-2型高精度土壤水分測量儀(澳作生態(tài)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(tài)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(zhì)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(bǔ)種籽粒，分別在行進(jìn)速度為3、4、5、6 km/h下進(jìn)行了10次試驗，每次試驗測試距離為20m，每一工況進(jìn)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(shù)S、漏播數(shù)F、補(bǔ)種數(shù)A、補(bǔ)種合格數(shù)H、補(bǔ)后漏播數(shù)K。試驗結(jié)果見表7。從表7可以看出，播種機(jī)的漏播補(bǔ)償系統(tǒng)能夠根據(jù)檢測的漏播信號快速響應(yīng)驅(qū)動補(bǔ)種機(jī)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)種，根據(jù)播種機(jī)行進(jìn)的速度變化能夠進(jìn)行補(bǔ)種，受補(bǔ)種器安裝高度的影響較小。隨著播種機(jī)行進(jìn)速度的增加，補(bǔ)種性能有所降低，但綜合試驗數(shù)據(jù)表明，安裝漏播補(bǔ)償系統(tǒng)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(bǔ)償系統(tǒng)具有良好的補(bǔ)種性能，若能提高漏播檢測傳感器的精度和電動機(jī)的響應(yīng)時間，播種性能將進(jìn)一步提升。

表7 田間補(bǔ)種性能試驗結(jié)果Tab．7 Resu lt of field reseeding performance test

5 結(jié)論

(1)建立了補(bǔ)種機(jī)構(gòu)驅(qū)動的數(shù)學(xué)模型，運用滑模變結(jié)構(gòu)控制算法設(shè)計了補(bǔ)種控制器，仿真結(jié)果表明在輸入為階躍信號時，系統(tǒng)響應(yīng)在0.1 s內(nèi)均可達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，跟蹤誤差在0.1 s內(nèi)均可趨近于零。在進(jìn)行單粒補(bǔ)種和連續(xù)補(bǔ)種時，該補(bǔ)償系統(tǒng)裝置均能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)，穩(wěn)定運行。

(2)設(shè)計了補(bǔ)種的控制算法，在確定補(bǔ)種機(jī)構(gòu)安裝位置后，可以得到補(bǔ)種機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速和免耕播種機(jī)行進(jìn)速度、播種粒距的對應(yīng)曲線，保證補(bǔ)種精度。

(3)臺架試驗表明，系統(tǒng)補(bǔ)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(yōu)化設(shè)計結(jié)果顯示，在試驗臺上發(fā)揮系統(tǒng)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(bǔ)種合格率可達(dá)96.5%。

(4)通過田間試驗，在3～6 km/h速度下，免耕播種機(jī)漏播補(bǔ)償系統(tǒng)平均補(bǔ)種率為89.14%，平均補(bǔ)種成功率為88.51%，與臺架試驗對比表明，在田間復(fù)雜工作環(huán)境下，補(bǔ)種率和補(bǔ)種成功率均有所降低，綜合試驗結(jié)果表明，在安裝漏播補(bǔ)償系統(tǒng)后，免耕播種機(jī)播種合格率均值為98.72%，有效提高了播種質(zhì)量。

1 黃東巖，朱龍圖，賈洪雷，等．基于壓電薄膜的免耕播種機(jī)播種深度控制系統(tǒng)［J/OL］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2015，46(4):1－8．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．a(chǎn)spx?file_no=20150401＆flag=1．DOI:10．6041/j．issn．1000-1298．2015．04．001．HUANG Dongyan，ZHU Longtu，JIA Honglei，et al．Automatic control system of seeding depth based on piezoelectric film for notill planter［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2015，46(4):1－8．(in Chinese)

2 高煥文，何明，尚書旗，等．保護(hù)性耕作高產(chǎn)高效體系［J/OL］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2013，44(6):35－38，49．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．a(chǎn)spx?file_no=20130607＆flag=1．DOI:10．6041/j．issn．1000-1298．2013．06．007．GAO Huanwen，HE Ming，SHANG Shuqi，et al．High yield and benefit system for conservation tillage［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2013，44(6):35－38，49．(in Chinese)

3 金衡模，高煥文．玉米精播機(jī)漏播補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2002，33(5):44－47．KIM Hyungmo，GAO Huanwen．Design of amicrocomputer-controlled loss sowing compensation system for amaize precision drill［J］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2002，33(5):44－47．(in Chinese)

4 張平華．基于虛擬儀器的精密排種器漏播檢測及補(bǔ)償技術(shù)研究［D］．武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006．ZHANG Pinghua．Study on precise seed-meter of loss testing and compensation technique based on virtual instrument［D］．Wuhan: Huazhong Agricultural University，2006．(in Chinese)

5 朱瑞祥，葛世強(qiáng)，翟長遠(yuǎn)，等．大籽粒作物漏播自補(bǔ)種裝置設(shè)計與試驗［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30(21):1－8．ZHU Ruixiang，GE Shiqiang，ZHAIChangyuan，et al．Design and experiment of automatic reseeding device for miss-seeding of crops with large grain［J］．Transactions of the CSAE，2014，30(21):1－8．(in Chinese)

6 丁幼春，王雪玲，廖慶喜，等．油菜籽漏播螺管式補(bǔ)種器設(shè)計與試驗［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(22):16－24．DING Youchun，WANG Xueling，LIAO Qingxi，et al．Design and experiment on spiral-tube reseeding device for loss sowing of rapeseed［J］．Transactions of the CSAE，2015，31(22):16－24．(in Chinese)

7 吳南，林靜，李寶筏，等．免耕播種機(jī)排種器性能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與試驗［J/OL］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2016，47(增刊):69－75．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．a(chǎn)spx?file_no=2016s011＆flag=1．DOI:10．6041/j．issn．1000-1298．2016．S0．011．WU Nan，LIN Jing，LIBaofa，et al．Design and test on performancemonitoring system of no-tillage planter seed-metering device［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016，47(Supp．):69－75．(in Chinese)

8 姜德美，謝守勇，甘露萍．步進(jìn)電機(jī)啟動控制算法設(shè)計［J］．西南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，29(5):128－132．JIANG Demei，XIE Shouyong，GAN Luping．Designing the control algorithm of the stepping motor startuping［J］．Journal of Southwest University:Natural Science Edition，2007，29(5):128－132．(in Chinese)

9 蘇曉明，張品，祝君宇．廣義時變脈沖系統(tǒng)的時域穩(wěn)定［J］．自動化學(xué)報，2016，42(2):309－314．SU Xiaoming，ZHANG Pin，ZHU Junyu．Finite-time stability of linear time-varying descriptor impulse systems［J］．Acta Automatica Sinica，2016，42(2):309－314．(in Chinese)

10 鄭雪欽，郭東輝．一種實時自適應(yīng)步進(jìn)電機(jī)PID控制器設(shè)計［J］．控制工程，2009，16(5):643－646．ZHENG Xueqin，GUO Donghui．Design of PID controller for real-time adaptive steppingmotor［J］．Control Engineering of China，2009，16(5):643－646．(in Chinese)

11 袁雷，胡冰新，魏克銀，等．現(xiàn)代永磁同步電機(jī)控制原理及MATLAB仿真［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2016:80－142．

12 劉金琨．滑模變結(jié)構(gòu)控制MATLAB仿真［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2015:1－138．

13 李寶筏．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)［M］．北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2003:60－64．

14 付威，羅錫文，曾山，等．水稻精量旱穴播機(jī)穴距電液比例控制系統(tǒng)的設(shè)計與試驗［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(9):25－31．FUWei，LUO Xiwen，ZENG Shan，et al．Design and experiment of electro-hydraulic proportional control hill distance system of precision rice hill-drop drillingmachine for dry land［J］．Transactions of the CSAE，2015，31(9):25－31．(in Chinese)

15 金宏亮，邱立春，錢偉．播種機(jī)排種監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與試驗研究［J］．沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，41(6):743－746．JIN Hongliang，QIU Lichun，QIAN Wei．Design and experiment of seeding monitoring system for seed drill［J］．Journal of Shenyang Agricultural University，2010，41(6):743－746．(in Chinese)

16 竇鈺程，歐陽斌林，陳海濤．光敏式氣吸播種機(jī)監(jiān)測裝置研究［J］．東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，41(9):133－136．DOU Yucheng，OUYANG Binlin，CHEN Haitao．Study on photosensitive-type suction plantermonitoring apparatus［J］．Journal of Northeast Agricultural University，2010，41(9):133－136．(in Chinese)

17 張錫志，李敏，孟臣．精密播種智能監(jiān)測儀的研制［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004，20(2):136－139．ZHANG Xizhi，LIMin，MENG Chen．Research and developmentof precision seeding intelligentmonitor［J］．Transactions of the CSAE，2004，20(2):136－139．(in Chinese)

18 張繼成，陳海濤，歐陽斌林，等．基于光敏傳感器的精密播種機(jī)監(jiān)測裝置［J］．清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2013，53(2):265－268．ZHANG Jicheng，CHEN Haitao，OUYANG Binlin，et al．Monitoring system for precision seeders based on a photosensitive sensor［J］．Journal of Tsinghua University:Science and Technology，2013，53(2):265－268．(in Chinese)

19 趙斌，匡麗紅，張偉．氣吸式精播機(jī)種、肥作業(yè)智能計量監(jiān)測系統(tǒng)［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(2):147－153．ZHAO Bin，KUANG Lihong，ZHANG Wei．Seed and fertilizer intelligent gauging and monitoring system of suction precision seeder［J］．Transactions of the CSAE，2010，26(2):147－153．(in Chinese)

20 李雷霞，郝志明，楊薇，等．精密播種機(jī)排種性能檢測系統(tǒng)的研制［J］．農(nóng)業(yè)工程，2012，2(8):16－19．LI Leixia，HAO Zhiming，YANG Wei，et al．Design of seeding performance detection system for precision seeder［J］．Agricultural Engineering，2012，2(8):16－19．(in Chinese)

21 宋鵬，張俊雄，李偉，等．精密播種機(jī)工作性能實時監(jiān)測系統(tǒng)［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2011，42(2):71－74．SONG Peng，ZHANG Junxiong，LIWei，etal．Real-timemonitoring system for accuracy of precision seeder［J］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2011，42(2):71－74．(in Chinese)

22 黃東巖，朱龍圖，賈洪雷，等．基于GPS和GPRS的遠(yuǎn)程玉米排種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(6):162－168．HUANG Dongyan，ZHU Longtu，JIA Honglei，et al．Remotemonitoring system for corn seeding quality based on GPSand GPRS［J］．Transactions of the CSAE，2016，32(6):162－168．(in Chinese)23 MCDONALD T P，F(xiàn)ULTON J P，DARR M J，et al． Evaluation of a system to spatially monitor hand planting of pine seedlings［J］． Computers and Electronics in Agriculture，2008，64: 173－182．

24 ZHAO Zhan，WU Yafang，YIN Jianjun，et al． Monitoring method of rice seeds mass in vibrating tray for vacuum-panel precision seeder［J］． Computers and Electronics in Agriculture，2015，114: 25－31．

25 LOWTHE-THOMAS F M，SLATER S C，RANDERSON P F． Reducing the establishment costs of short rotation willow coppice(SRC) —a trial of a novel layflat planting system at an upland site in mid-Wales［J］．Biomass and Bioenergy，2010，34 (5) :677－686．

26 ARZU Y，ADNAN D． Optimisation of the seed spacing uniformity performance of a vacuum-type precision seeder using response surface methodology［J］． Biosystems Engineering，2007，97: 347－356．

27 YI Shujuan，LIU Yongfen，WANG Chun，et al． Experimental study on the performance of bowl-tray rice precision seeder［J］．International Journal of Agricultural and Biological Engineering，2014，7(1) : 17－25．

28 向陽，謝方平，湯楚宙，等．輸送帶鋪砂型排種器試驗臺的研制［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(6):136－140．XIANG Yang，XIE Fangping，TANG Chuzhou，et al． Development of the seed-metering test bench with sand-paving conveyor belt［J］． Transactions of the CSAE，2009，25(6) : 136－140． (in Chinese)

29 姜鵬．?dāng)?shù)控精量排種器性能試驗臺設(shè)計［D］．楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2014．JIANG Peng． Design of CNC precision seeder performance testing ［D］． Yangling: Northwest A＆F University，2014． (in Chinese)

30 周利明，王書茂，張小超，等．基于電容信號的玉米播種機(jī)排種性能監(jiān)測系統(tǒng)［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(13):16－21．ZHOU Liming，WANG Shumao，ZHANG Xiaochao，et al． Seed monitoring system for corn planter based on capacitance signal［J］． Transactions of the CSAE，2012，28(13) : 16－21． (in Chinese)

31 黃東巖，賈洪雷，祁悅，等．基于聚偏二氟乙烯壓電薄膜的播種機(jī)排種監(jiān)測系統(tǒng)［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(23):15－22．HUANG Dongyan，JIA Honglei，QI Yue，et al． Seeding monitor system for planter based on polyvinyllidence fluoride piezoelectric film［J］． Transactions of the CSAE，2013，29(23) : 15－22． (in Chinese)

32 李民，劉恒新，李偉，等．2BST-160型播種機(jī)性能試驗臺研究［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004，20(3):100－103．LI Min，LIU Hengxin，LI Wei，et al． Test-bed of the 2BST-160 corn sower function［J］． Transactions of the CSAE，2004，20(3) : 100－103． (in Chinese)

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(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201503116-09)和國家自然科學(xué)基金項目(51275318)

吳南(1982—)，男，博士生，遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要從事旱作農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究，E-mail:lfwunan@163．com

林靜(1967—)，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事旱作農(nóng)業(yè)機(jī)械化及智能化裝備研究，E-mail:synydxlj69@163．com

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．009