Design of Double Variable Control System of Fertilization

CHU Shi-zhe，ZHANG Li-xin，LI Zhen，LI Kai（Machinery and Electricity Engineering College，Shihezi University，Shihezi 832003，China）

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Design of Double Variable Control System of Fertilization

CHU Shi-zhe，ZHANG Li-xin※，LI Zhen，LI Kai
（Machinery and Electricity Engineering College，Shihezi University，Shihezi 832003，China）

Abstract:Variable rate fertilizer control system isessential for the achievement ofvariable rate fertilization.Combined with the status quo and development trend of domestic and overseas fertilizing machine and corresponding control system，this paper presentsa control system of fertilization based on outer grooved wheel type fertilizer device，by adjusting the speed of the shaft and the fertilizer apparatusopening size to achieve double variable fertilization，to overcome problems of single variable fertilization，such aspoor precision，small scheduling，significant pulsation when low speed. Key words:Variable Fertilization；control system；singlechip；hydraulic system

0　引言

精準農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，且已在我國取得了較為顯著的經(jīng)濟效益與社會效益［1］。變量施肥是精準農(nóng)業(yè)重點研究領(lǐng)域之一。變量施肥技術(shù)是以不同空間單元的目標產(chǎn)量與土壤理化性質(zhì)等為依據(jù)進行綜合測算分析，結(jié)合營養(yǎng)專家系統(tǒng)、作物生長模型進行施肥量決策，指導變量施肥機進行田間按需施肥［2-3，5］。實踐證明，實施按需變量施肥可大幅提高肥料的利用率、減少肥料的浪費以及多余肥料對環(huán)境的不良影響，其經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益顯著［4-5］。而變量施肥機是變量施肥技術(shù)的基礎(chǔ)和載體，同時變量施肥機的排肥控制系統(tǒng)又是變量施肥系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)精準變量施肥的關(guān)鍵。

目前施肥機實現(xiàn)變量施肥主要有兩種控制方式：一種是基于傳感器的實時控制；另一種是基于施

針對以上問題，結(jié)合國內(nèi)外變量施肥機及相應(yīng)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，本文提出了一種基于外槽輪式排肥器的雙變量施肥閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要包括基于工控機的上位控制系統(tǒng)、基于STC單片機的下位控制系統(tǒng)及電控液壓系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1　基于工控機的上位控制系統(tǒng)設(shè)計

基于工控機（IPC）的上位控制系統(tǒng)是施肥決策的主控制系統(tǒng)，上位工控機可以提供高效的數(shù)據(jù)運算和良好的人機交互界面（HMI）。上位控制系統(tǒng)具體工作原理與過程如下：首先通過施肥機排肥標定試驗得到不同的標定函數(shù)模型，寫入到軟件控制程序中，在自動模式下，系統(tǒng)通過RS232串口總線將GPS/ DGPS接收機發(fā)送的信號讀入寫到?jīng)Q策系統(tǒng)進行分析處理，同時提取出施肥機具經(jīng)、緯度位置信息，然后再通過網(wǎng)格識別程序，計算得到機具所在地塊網(wǎng)格的行列號，然后查詢數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)于該網(wǎng)格的決策施肥量Q。

圖1　施肥控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖

在手動模式下，通過鍵盤錄入整塊田地總施肥量，并讀取下位控制器對安裝于車輪上的霍爾傳感器所采集到的脈沖信號計算到的機具前進速度值。施肥機具經(jīng)緯度位置、速度、行列號和施肥量等信息將顯示在人機界面中。通過標定施肥公式計算所需液壓馬達的轉(zhuǎn)速N和排肥軸的開度，并將該轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為驅(qū)動器所需的電壓（電流）信號驅(qū)動轉(zhuǎn)速液壓馬達轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)排肥軸轉(zhuǎn)速和排肥器槽輪的有效工作長度（即排肥器開度），再由霍爾傳感器檢測當前排肥軸轉(zhuǎn)速反饋給控制器，實現(xiàn)閉環(huán)控制。在此過程中，排肥器開度由控制器發(fā)出信號驅(qū)動開度液壓馬達轉(zhuǎn)動帶動排肥軸軸向位移來實現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)通過對排肥軸轉(zhuǎn)速及排肥器開度的控制實現(xiàn)雙變量施肥。

2　基于單片機的下位控制系統(tǒng)設(shè)計

下位施肥控制系統(tǒng)以宏晶科技STC12C5A60S系列單片機為核心，利用DA轉(zhuǎn)換將上位機給定的施肥量信息轉(zhuǎn)化為電液比例調(diào)速閥和開度電磁閥所需的電壓控制信號，其主要任務(wù)是實現(xiàn)排肥軸轉(zhuǎn)速和開度的數(shù)據(jù)采集及傳輸，控制排肥軸電液比例調(diào)速閥的開度閥值（轉(zhuǎn)速控制），控制排肥軸開度電磁閥開閉（開度控制），與基于串口總線的測試系統(tǒng)以及與工控機上位機系統(tǒng)進行通信。排肥軸轉(zhuǎn)速的采集與機具行駛速度的測量采用的是基于PCA轉(zhuǎn)速測控模塊。利用PCA脈沖捕獲的高速度和高可靠性，實時將排肥軸轉(zhuǎn)速和拖拉機的行駛速度等信息通過串口總線發(fā)給基于工控機的上位機主控系統(tǒng)，實現(xiàn)閉環(huán)施肥控制。

圖2　上位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3　下位閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件電路組成框圖

圖4　下位控制系統(tǒng)流程圖

3　雙變量施肥機電控液壓系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)變量施肥機的排肥方式及其施肥精度要求，施肥電控液壓系統(tǒng)通過控制安裝在施肥機排肥軸兩側(cè)的液壓馬達分別驅(qū)動排肥軸進行轉(zhuǎn)動和軸向位移，以此來實現(xiàn)排肥軸的轉(zhuǎn)速與排肥器開度雙調(diào)節(jié)。排肥轉(zhuǎn)速馬達采用電液比例調(diào)速閥進行排肥軸轉(zhuǎn)速的無極調(diào)速，開度馬達采用三位四通電磁換向閥與溢流閥組合進行正反轉(zhuǎn)換向調(diào)節(jié)實現(xiàn)排肥器開度控制。排肥軸轉(zhuǎn)速控制和排肥器開度控制相互獨立，互不干涉。

液壓系統(tǒng)油路圖如圖5所示，主要工作流程如下：拖拉機為整個控制系統(tǒng)提供直流穩(wěn)壓電源和液壓油源，首先調(diào)整先導式溢流閥的工作壓力，壓力油在進入電液比例調(diào)速閥之前，兩位兩通電磁閥1號和2號電磁鐵通電，得到兩個不同的穩(wěn)定工作壓力。下位控制器根據(jù)接收到的控制指令，使O型三位四通電磁換向閥4中的兩端電磁鐵一端得電，在兩個不同的穩(wěn)定工作油壓下，開度馬達獲得不同的轉(zhuǎn)動速度，當其轉(zhuǎn)速保持在8 r/min時實現(xiàn)慢速調(diào)整外槽輪排肥器槽輪的有效工作長度，在30 r/min時進行快速高檔調(diào)速。

圖5　變量施肥電控液壓系統(tǒng)圖

下位控制器控制電液比例調(diào)速組合閥3中驅(qū)動器端電磁鐵的工作電壓，對排肥轉(zhuǎn)速馬達進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。在整個調(diào)速系統(tǒng)中關(guān)鍵油路部位安裝壓力表，時刻監(jiān)測工作油路油壓的穩(wěn)定性，以避免因油路不穩(wěn)定造成施肥精度下降，造成施肥誤差的積累。安裝于每個排肥軸的霍爾傳感器將采集到的排肥軸馬達轉(zhuǎn)速和槽輪工作位移實時信號傳輸給下位控制器，同時下位控制器將施肥機排肥軸的轉(zhuǎn)速信息發(fā)送給上位機進行數(shù)據(jù)處理分析，然后進入下次施肥調(diào)節(jié)。

4　系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果

該控制系統(tǒng)設(shè)計較好地實現(xiàn)了雙變量施肥系統(tǒng)的運動控制、檢測控制及施肥機具工作狀態(tài)的監(jiān)控，基本實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計所期待的成果。目前，該系統(tǒng)正處于樣機的評價和改進階段，相關(guān)的圖片如圖6。

5　總結(jié)

本文在綜合考慮國內(nèi)外變量施肥機具以及施肥控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一個基于上位工控機下位單片機的電控液壓傳動雙變量施肥機閉環(huán)施肥控制系統(tǒng)。通過對雙變量施肥機施肥控制系統(tǒng)設(shè)計的討論，為同類型的變量施肥機控制系統(tǒng)設(shè)計提供了一種設(shè)計思路，具有一定的參考價值。

圖6　系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果

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doi:10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.01.006

中圖分類號:S224.22

文獻標識碼：A

文章編號：1007-7782（2016）01-0018-03

收稿日期：2016-02-13

基金項目：國家自然 項目（51365048）

通訊作者：張立新肥處方的控制［6］。由于相關(guān)傳感器檢測等技術(shù)應(yīng)用于作物施肥檢測尚不成熟，目前絕大多數(shù)自動變量施肥機采用基于施肥處方的變量施肥控制系統(tǒng)［7］。在變量施肥實現(xiàn)方式上，國內(nèi)外在電控機械無級變速系統(tǒng)、電控步進電機型調(diào)速系統(tǒng)方而的研究較為深入，相關(guān)機型有約翰迪爾JD-1820/1910氣吸式變量施肥播種機，CASE公司研發(fā)的2340空氣施肥機和國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心研制的1G-VRT1旋耕變量施肥機和2F-VRT1變量施肥機等［8～9］。然而，現(xiàn)有控制系統(tǒng)大多僅局限于對施肥機排肥軸轉(zhuǎn)速進行控制，即單變量施肥，同時由于我國施肥機多采用外槽輪式排肥器，相對于雙變量施肥存在精度差、可調(diào)度小，在低速排肥時脈動性顯著等問題［10］。