變量施肥控制系統(tǒng)設計

懷寶付 ，梁春英 ，王熙 ，李愛平 ，張紅霞

（1.黑龍江八一農墾大學信息技術學院，大慶 163319；2.黑龍江八一農墾大學工程學院）

現代農業(yè)的高速發(fā)展，除了依靠生物技術的進步和耕地面積、灌溉面積的擴大外，基本上是在化肥與農藥等化學品和礦物能源的大量投入條件下獲得的。但由此引起的水土流失、農產品和地下水污染、土壤生產力下降、水體富營養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問題，已經引起了國際社會的廣泛關注，并推動了農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和精準農業(yè)理論的產生和發(fā)展。精準農業(yè)是現代信息技術，作物栽培管理技術，農業(yè)工程裝備技術等一系列高新技術的基礎上發(fā)展起來的一種重要的現代農業(yè)生產形式和管理模式，其核心思想是獲取農田小區(qū)作物產量和影響作物生產的環(huán)境因素（如土壤結構、地形、氣候、土壤肥力、病蟲草害等）實際存在的空間和時間差異信息，分析影響小區(qū)產量差異的原因，采取技術上可行，經濟上有效的調控措施，改變傳統(tǒng)農業(yè)大面積、大樣本平均投入的資源浪費作法，對做物栽培管理實施定位，按需變量投入。它包括精確變量播種，精確噴灑農藥，精確變量灌溉，精確變量施肥，收獲信息采集這幾個環(huán)節(jié)。而精準農業(yè)的興起對合理施肥提出了新的理論和技術要求。從化肥的使用來看，肥料利用率低不僅使生產成本偏高，而且造成地表水和地下水污染等環(huán)境問題。精確變量施肥的理論和技術將是解決這一問題的有效途徑。

1 控制系統(tǒng)方案

選定液壓馬達作為驅動排肥機構的執(zhí)行器，采用電磁液壓比例閥作為液壓馬達控制部件，通過閉環(huán)控制器輸出不同的電信號，來進行控制電磁液壓比例閥閥門的開度大小調節(jié)液壓馬達的轉速，實現對排肥機構（排肥器）轉速的控制，以達到變量施肥的目的[1]。

變量施肥驅動控制裝置是一個獨立的變量施肥播種機的驅動與控制裝置，把它與現有的播種施肥播種機相連接，實現顆?；实淖兞靠刂啤Ｗ兞渴┓黍寗友b置可安裝在國產大豆施肥精密播種機上，由大型輪式拖拉機牽引進行大豆變量施肥播種作業(yè)。安裝在拖拉機上DGPS確定播種機在田間的位置，將此位置信息通過RS-232串行接口傳送到車載計算機中進行處理，車載計算機將播種機在田間的位置顯示在計算機屏幕上，將變量施肥數據庫中與田間位置對應的變量施肥數據查找出來，輸出到變量閉環(huán)控制器中，變量閉環(huán)控制器控制電磁液壓比例閥的開度，改變大豆精播機排器肥軸轉速，達到改變播種機排肥量的目的。變量施肥控制裝置組成原理如圖1所示。

圖1 變量施肥控制裝置組成原理框圖Fig.1 Diagram of variable rate fertilization control device components

液壓馬達的轉速通過磁阻式轉速傳感器反饋到閉環(huán)控制器主控芯片中形成了閉環(huán)控制，另外，多普勒車速雷達傳感器（或者通過DGPS測定拖拉機行駛速度）將獲得的變量施肥播種機前進的速度信號，并將信號輸入到閉環(huán)控制器中參與施肥量的調節(jié)。

2 電液比例閥控馬達系統(tǒng)

我們通過圖2可知，閥控馬達閉環(huán)系統(tǒng)包括指令元件、比較元件、電液比例閥、比例放大器、液壓馬達和轉速傳感器等六部分[2]。各基本元件的作用如下：

圖2 電液比例閥控馬達閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Diagram of electrohydaulic proportional valve control motor closed-loop system

（1）轉速傳感器：它用來檢測液壓馬達的轉速，測出控制系統(tǒng)的轉速反饋信號，用于滿足控制系統(tǒng)比較的要求。測速時，當齒輪轉動時，由于氣隙處的磁力線發(fā)生變化，磁路中的磁阻也隨之改變，從而可在傳感器中產生變化的電信號，經處理變?yōu)槊}沖信號，此外，由于磁阻傳感器具有很強的方向性，傳感器探頭對齒輪的轉動十分敏感，而對齒輪沿軸向的抖動不敏感。這對保證測速精度十分有利。

（2）指令元件：也稱輸入元件。指令信號可以程序設定或手動設定。在我們研究開發(fā)的電液控制系統(tǒng)中，指令元件是車載計算機，由車載計算機通過RS-232串行接口輸出指令信號。

（3）比較元件：比較元件的作用是將給定輸入信號和反饋信號進行比較，計算出偏差信號作為比例放大器的輸入。在本控制系統(tǒng)中，比較元件采用單片計算機。

（4）比例放大器：電液比例閥電磁鐵需要的控制電流較大，一般得幾百毫安才能驅動，但是從比較元件輸出的偏差控制電流較小，通過比例放大器對輸入的信號進行加工、整形和放大，使之達到電液比例閥的控制要求。

（5）電液比例閥：它是控制系統(tǒng)中的關鍵元件。電液比例閥內部由電—機械轉換器和液壓放大元件兩部分組成。電—機械轉換器是電液控制接口元件，它把輸入的電流信號轉換成與電流成正比的力或位移。把電氣控制信號放大到足以驅動系統(tǒng)負載。也可稱之為整個系統(tǒng)的功率放大部分。

（6）液壓馬達：它是控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件，用于驅動負載。產生驅動作用力加在變量控制系統(tǒng)排肥器軸上，實現排肥器軸轉速無級調節(jié)。

3 閉環(huán)控制器總體方案

本閉環(huán)系統(tǒng)研究采用自主研制的閉環(huán)控制器控制施肥軸的轉速[3]，以期達到變量控制施肥量的目的，因此自主研制的閉環(huán)控制器是研究的重點。上位計算機接收GPS定位數據，通過自行研制的變量施肥控制專用軟件對位置數據進行處理，并對當前位置進行網格識別，讀取數據庫中的施肥量數據。然后將變量施肥數據通過計算機RS-232串行接口送到下位機（閉環(huán)控制器）中，將施肥數據由數字量轉變?yōu)槟M量輸出；通過放大驅動器將變量信號放大，以控制電磁液壓比例閥的開度，控制液壓油的流量，從而控制液壓馬達的轉速；播種機施肥軸由液壓馬達驅動，實現變量控制施肥。變量施肥電控液壓驅動控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 變量施肥電液控制系統(tǒng)原理框圖Fig.3 Diagram of electric-hydraulic control variable rate fertilization system

控制系統(tǒng)選用液壓馬達作為自動變量施肥的執(zhí)行部分，因為液壓馬達的力矩大，大型拖拉機都是液壓系統(tǒng)的拖拉機，不用額外增加設備。很多學者對于控制系統(tǒng)，經常選用步進電機作為自動變量施肥的執(zhí)行部分，步進電機工作原理是每接收一個脈沖，步進電機就轉過一個角度，在扭矩允許的范圍內，不會因為扭矩的變化而失步，可以避免液壓馬達或直流電機驅動需要使用減速裝置，也便于進行控制，對于控制機構的穩(wěn)定性是有利的；但是引入步進電機，需要提供額外的電力供應，需要拖拉機又額外增加發(fā)電設備。

閉環(huán)控制器主要由穩(wěn)壓電源電路、單片機系統(tǒng)、復位監(jiān)控電路、設置參數存儲電路、LED數碼管顯示驅動、4位LED顯示數碼管電路、頻率電壓（V/F）轉換電路、A/D轉換電路、串口RS-232通信轉換電路，D/A轉換電路，電磁比例閥放大驅動電路等部分電路組成。閉環(huán)控制器硬件電路組成框圖如圖4所示。閉環(huán)控制器接收車載計算機控制指令和反饋信號并進行比較，根據比較結果對電液比例閥的開度進行控制，從而控制排肥軸轉速。

4 變量施肥閉環(huán)控制程序設計

在軟件設計時根據系統(tǒng)的功能要求，確定控制系統(tǒng)的數學模型，將軟件分成若干個相對獨立的功能模塊，并根據各模塊間的相互關系確定軟件的總體結構[4]。在此基礎上，畫出流程圖，根據流程圖，采用編輯軟件編寫源程序，生成目標代碼，調試后燒錄進單片機。

圖4 閉環(huán)控制器的硬件電路組成框圖Fig.4 Diagram of closed-loop controller hardware circuit

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main program

變量施肥閉環(huán)自動控制系統(tǒng)程序的總體流程如圖5所示。變量施肥閉環(huán)控制程序主要包括控制系統(tǒng)主程序、串口通信子程序、數據處理子程序、LED數碼管顯示驅動子程序、參數設置讀寫子程序、輸出控制子程序等。將各個子程序模塊組合到一起，得到系統(tǒng)主程序流程圖，如圖5所示。

5 結論

本文研究開發(fā)了以單片計算機為核心的變量施肥閉環(huán)控制器，為了驗證理論分析的正確性以及變量施肥控制系統(tǒng)性能，開展了電液驅動式變量施肥控制系統(tǒng)的實驗室試驗，驗證了電液驅動式變量施肥機控制系統(tǒng)方案的可行性和穩(wěn)定性，并對大豆變量施肥播種機進行了標定試驗和田間試驗。試驗結果表明，研制的大豆變量施肥播種機控制系統(tǒng)技術先進、性能可靠、操作方便、具有較高的控制精度、可以在不同作業(yè)方式下進行田間作業(yè)，滿足了控制系統(tǒng)的設計要求。

［1］王熙.精準農業(yè)大豆變量施肥控制技術研究［D］.大慶：黑龍江八一農墾大學，2010.

［2］梁春英，衣淑娟，王熙，等.變量施肥控制系統(tǒng)PID控制策略［J］.農業(yè)機械學報，2010，41（7）：157-162.

［3］于英杰，張書慧，齊江濤，等.基于傳感器的變量施肥機定位方法［J］.農業(yè)機械學報，2009，40（10）:165-168.

［4］陳立平，黃文倩，孟志軍，等.基于CAN總線的變量施肥控制器設計［J］.農業(yè)機械學報，2008，39（8）:101-105.