基于雙閉環(huán)PID模糊算法的玉米精量排種控制系統(tǒng)設計

陳黎卿，解彬彬，李兆東，楊 路，陳永新※

（1. 安徽農(nóng)業(yè)大學工學院，合肥 230036；2. 安徽省智能農(nóng)機裝備工程實驗室，合肥 230036）

0 引 言

黃淮海麥玉輪作區(qū)麥秸稈采用粉碎還田作業(yè)模式，由于小麥秸稈韌性好，秸稈粉碎還田效果差，傳統(tǒng)地輪驅(qū)動和鏈條傳動形式易出現(xiàn)秸稈纏繞、擁堵等現(xiàn)象，播種時易發(fā)生斷條，研制一種性能可靠的主動式玉米精量排種控制系統(tǒng)是必要的。

當前玉米播種機多采用地輪驅(qū)動播種機和氣力式播種機[1]，地輪驅(qū)動播種機由地輪傳遞動力，驅(qū)動排種軸轉(zhuǎn)動排種，當田間土壤黏重、秸稈覆蓋量較大時，造成驅(qū)動排種部分無法正常工作[2-5]；氣力式玉米播種機多用于大型農(nóng)場，其價格較為昂貴，暫不適用于國內(nèi)。為減少漏播率和提高玉米精量播種水平，國內(nèi)外學者對于機械式精密排種器和電控排種器進行一些研究：秦樂濤[6]設計了基于第五輪儀轉(zhuǎn)速采集的玉米精密播種機排種自動控制系統(tǒng)；龔麗農(nóng)等[7]設計了一種適用于小區(qū)播種作業(yè)電控排種系統(tǒng)；翟建波等[8]利用傳感器技術(shù)研制了基于拖拉機前輪轉(zhuǎn)速的自動排種驅(qū)動系統(tǒng)；徐志成[9]采用Mamdani模糊算法對自動播種機的電控系統(tǒng)進行控制策略優(yōu)化設計；張春嶺等[10]采用地面測速雷達實現(xiàn)排種電機的反饋控制。以上研究主要采用被動式傳感器檢測機具作業(yè)工況，利用常規(guī)速度反饋單閉環(huán)PID控制算法為主控制策略，存在參數(shù)整定不良、適應性差、控制穩(wěn)定性差等情況；采用旋轉(zhuǎn)增量式編碼器、霍爾測速傳感器、超聲波測速傳感器及第五輪儀測速進行速度測量，由于機具作業(yè)時振動強度大、地面不平，導致數(shù)據(jù)采集不精準影響系統(tǒng)控制準確性，并且在人機交互方面研究較少。

針對上述問題，本文設計一種玉米電控精量排種系統(tǒng)，采用GPS測速傳感器采集機具田間作業(yè)速度，利用旋轉(zhuǎn)編碼器實時采集排種器作業(yè)轉(zhuǎn)速，微控制器通過轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)結(jié)合，形成雙閉環(huán) PID模糊算法自整定控制參數(shù)，并采用USART HMI四線制觸控串口屏設計可操控人機界面，以期實現(xiàn)對玉米精量排種的穩(wěn)定控制，提高排種精度。

1 電控排種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)組成

玉米精量電控播種機主要覆土鎮(zhèn)壓輪、高度調(diào)節(jié)彈簧、種箱、肥藥口寬度調(diào)節(jié)旋鈕、種藥箱、播種機上懸掛桿、播種機前懸掛桿、播種機左右懸掛榫頭、施肥腿開溝器、排肥管、排種器開溝器、垂直式勺輪排種器、換向減速器、霍爾有感無刷直流電機等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 玉米精量電控免耕播種機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure of corn precision electric control and no tillage seeder

表1 玉米精量電控播種機技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameter of corn precision electronic control seeder

1.2 電控排種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

電控排種系統(tǒng)主要由控制盒、觸摸顯示界面、旋轉(zhuǎn)編碼、GPS測速傳感器、無刷直流電機、驅(qū)動器、換向減速器等組成[11-12]，如圖2所示。

機具工作時，電機通過增扭減速器將動力傳遞給排種軸和肥藥軸，電機通過GPS實時測速傳感器結(jié)合編碼器實現(xiàn)雙閉環(huán) PID遺傳算法自整定控制參數(shù)[13-15]，實時調(diào)節(jié)對應轉(zhuǎn)速來驅(qū)動排種轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動下種。電機通過人機交互界面實時控制電機的啟動與應急停止、設定排種粒距，以滿足玉米種植的農(nóng)藝要求。

圖2 排種系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Composite and structure of seeding system

2 排種控制系統(tǒng)設計

玉米電控精量排種系統(tǒng)設計包括控制器、GPS測速傳感器、編碼器、無刷直流電機、換向減速器、USTART HMI四線制觸控串口屏等[16-19]。以 STM32F103ZET6為核心控制器，主要完成無刷直流電機實時轉(zhuǎn)速控制、USTART HMI四線制觸控串口屏、無刷直流電機的驅(qū)動和控制，以及控制算法實施等[20-21]。

2.1 控制方案

依據(jù)工作原理，玉米精量電控播種機控制系統(tǒng)方案采用如圖3所示的技術(shù)路線進行設計。

圖3 玉米精量電控播種機控制方案流程圖Fig.3 Flow chart of corn precision electronic control seeder

如圖3所示，GPS測速傳感器實時監(jiān)測機具作業(yè)速度，USTART HMI四線制觸控屏控制電機待機狀態(tài)。當機組在田間作業(yè)時，通過觸控屏按下開始按鍵啟動電機運轉(zhuǎn)，電機轉(zhuǎn)速隨著機具作業(yè)速度實時變化，當機具作業(yè)速度加快，電機轉(zhuǎn)速加快；反之，則電機轉(zhuǎn)速減慢。

系統(tǒng)在運行通過旋轉(zhuǎn)編碼器檢測排種軸實時作業(yè)速度結(jié)合雙閉環(huán) PID模糊算法實時自整定控制參數(shù)，以驅(qū)動排種轉(zhuǎn)軸到達最優(yōu)轉(zhuǎn)速，提高控制精度，實現(xiàn)精量播種。

2.2 硬件設計

控制系統(tǒng)主要由硬件和軟件 2部分組成，其中硬件主要由電源轉(zhuǎn)換模塊、信號采集模塊、控制模塊、電機驅(qū)動模塊、人機交互模塊和排種驅(qū)動模塊。其中電源轉(zhuǎn)換模塊是利用48 V轉(zhuǎn)5 V和48 V轉(zhuǎn)12 V的金升陽大功率短路保護模塊；信號采集模塊采用的KD-100 GPS測速傳感器（0.2～120 km/h），通過衛(wèi)星差分定位測速的原理來檢測機具作業(yè)速度；控制模塊主要采用STM32F103ZET6單片機對采集機具作業(yè)速度、編碼器實時轉(zhuǎn)速驅(qū)動排種模塊；排種驅(qū)動模塊包括無刷直流電機、換向減速器和固定編碼器排種轉(zhuǎn)軸[22-26]。其中控制系統(tǒng)電路如圖4所示。

圖4 玉米精量排種控制系統(tǒng)電路圖Fig.4 Circuit diagram of corn precision seeding control system

2.3 控制算法

為保證作業(yè)質(zhì)量和提高抗干擾能力，利用自整定遺傳模糊 PID算法對無刷直流電機采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)作為外環(huán)，并采用PWM調(diào)制方式實現(xiàn)無刷直流電機調(diào)速。

2.3.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)模型建立

雙閉環(huán)調(diào)速控制結(jié)構(gòu)框圖如圖 5所示，轉(zhuǎn)速給定值與反饋值相比較，經(jīng)增量式 PID調(diào)節(jié)后，輸出電流調(diào)節(jié)的給定值，與實際檢測到的電流值相比較，再經(jīng)增量式PID調(diào)節(jié)，輸出PWM調(diào)制的占空比，此時當系統(tǒng)負載發(fā)生變化，其可有效抑制轉(zhuǎn)速波動，提高工作時抗干擾能力，保證了作業(yè)質(zhì)量。

圖5 雙閉環(huán)調(diào)速控制結(jié)構(gòu)Fig.5 Speed control structure of double closed loop

2.3.2 控制策略設計

自整定模糊PID控制策略結(jié)構(gòu)如圖6所示。給定轉(zhuǎn)速n與反饋轉(zhuǎn)速nf的差值e及差值的變化率ec為模糊控制器輸入量，e和ec均為精確量，將二者模糊化后得到模糊量E和Ec，由模糊控制規(guī)則進行推理和解模糊后得到修正參數(shù)ΔKp、ΔKi、ΔKd，3個修正參數(shù)根據(jù)電機運行狀態(tài)實時自動最優(yōu)調(diào)整，從而實現(xiàn)PID控制參數(shù)自整定。

利用自整定的 PID 參數(shù)ΔKp、ΔKi、ΔKd，確定輸入e(t)和輸出u(t)之間的關(guān)系如式（8）：

圖6 PID控制策略原理圖Fig.6 Principle block diagram of PID control strategy

控制系統(tǒng)輸入變量 E和 Ec，其模糊子集為{NB,NS,ZO,PS,PB}，輸出變量ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊子集{NB,NM,NS,Z,PS,ZO,PS,PM,PB}為通過量化因子將E和Ec離散后與模糊論域?qū)?，可得E的量化因子：

設定各變量論域為[–6,6]，En 、cEn 為模糊級數(shù)，本文取輸入量化因子分別?。害E=7.8，ΔKEc=1.2[27-28]。

轉(zhuǎn)速環(huán)模糊PID控制器根據(jù)不同的E和Ec，確定相適應的ΔKp、ΔKi、ΔKd，通過自整定控制器的參數(shù)達到最優(yōu)轉(zhuǎn)速控制效果，輸入變量與輸出變量的控制規(guī)則如下：

1）當 E較大時，取較大的ΔKp和較小的ΔKd，同時為了防止幾分飽和，避免系統(tǒng)響應出現(xiàn)較大超調(diào)，應去掉積分作用，即ΔKi=0。

2）當E和Ec為中等大小時，ΔKp、ΔKi、ΔKd都不能太大，應取較小的ΔKp、ΔKi、ΔKd大小的值要適中，以保證系統(tǒng)響應速度。

3）當E較小時，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應增大ΔKi和ΔKp的值，同時為避免系統(tǒng)在設定值附近振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，適當選取ΔKd，通常為中等大小。

3 臺架試驗

3.1 試驗材料與設備

試驗材料選用未分級的安農(nóng) 102，其千粒質(zhì)量為360 g，質(zhì)量含水率 11%，勺輪式玉米排種器由安徽省蒙城育田機械有限公司提供。該試驗在安徽農(nóng)業(yè)大學JPS-12計算機視覺排種器試驗臺進行試驗[29]，如圖 7所示。

圖7 臺架試驗裝置Fig.7 Composition diagram of experimental device

3.2 試驗設計與方法

3.2.1 試驗設計

以GB-T 6973-2005 《單粒(精密)播種機試驗方法》為依據(jù)，具體進行工作轉(zhuǎn)速精度驗證、排種精度控制和排種性能試驗，以排種轉(zhuǎn)速變異系數(shù)、株距合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)評價指標，驗證本文研制的玉米精量排種控制系統(tǒng)的可行性以及其對排種性能的影響規(guī)律。

試驗時，需設定排種株距。黃淮海麥玉輪作區(qū)被動式地輪驅(qū)動排種株距范圍為 130～330 mm，故設定排種株距為130、160、190、220、250、280、300和330 mm共8個水平，機組前進速度為3～8 km/h（3、4、5、6、7、8 km/h）取6個水平。

3.2.2 試驗方法

1) 工作轉(zhuǎn)速精度驗證

該試驗，通過LABVIWE-NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集排種軸輸出實際轉(zhuǎn)速nZ，采集時間為1 min，重復6次（nZ1～nZ6為6次重復采集試驗的平均轉(zhuǎn)速），計算出排種轉(zhuǎn)速變異系數(shù)。

2）排種精度控制驗證

采用JPS-12計算機視覺排種器試驗臺單次連續(xù)采集不同工況下250粒種子株距值，重復3次試驗，算出不同工況下的平均株距值以及變異系數(shù)，δZ為3次試驗的株距變異系數(shù)。

3）播種速度對株距影響

為探討不同播種株距條件下的最優(yōu)播種速度，在不同設定播種株距條件下，重復 3次，在模擬機具作業(yè)速度為3、4、5、6、7、8 km/h下，單次試驗連續(xù)測定250粒排種株距。

4）株距合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)測定

為研究機具作業(yè)速度與設定播種株距對排種器性能的影響，采用JPS-12計算機視覺排種器試驗臺單次連續(xù)采集不同工況下250粒種子，重復3次試驗，獲得株距合格指數(shù)S（%）、漏播指數(shù)M（%）、重播指數(shù)R（%），設定播種株距下排種株距合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)，Sm、Mm、Rm為重復3次試驗平均株距合格指數(shù)，平均漏播指數(shù)；平均重播指數(shù)。株距合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)，計算公式如下：

式中S為合格指數(shù)，%；M為漏播指數(shù)，%；R為重播指數(shù)，%；N為播種總株數(shù)，株；NS為播種合格株數(shù)；NM為播種漏播株數(shù)；NR為播種漏播株數(shù)。

3.3 試驗結(jié)果與分析

3.3.1 轉(zhuǎn)速控制精度試驗結(jié)果與分析

表2為轉(zhuǎn)速控制精度驗證試驗結(jié)果，由表2可知，理論排種轉(zhuǎn)速為6～54 r/min時，實際轉(zhuǎn)速的變異系數(shù)均在 10%以下，最大變異系數(shù)為 9.22%，最小變異系數(shù)為3.23%，實際轉(zhuǎn)速在理論轉(zhuǎn)速附近波動范圍小，穩(wěn)定性較好，最大平均偏差為4.16%，最小平均偏差為0.27%，控制精度較好。

表2 轉(zhuǎn)速控制精度驗證試驗結(jié)果Table 2 Test result of speed control precision

3.3.2 排種株距與設定株距對比分析

實際排種株距值允許波動范圍為 0.5Zs<ΔZs<1.5Zs[30],表 3為設定播種株距與實際播種比較試驗結(jié)果，由表 3可知，實際播種株距均未超出允許波動范圍，變異系數(shù)在8%以下。在同一設定播種株距中，各實際播種株距與設定播種的最大變異系數(shù)為 7.32%，最小變異系數(shù)為0.75%，株距精度控制穩(wěn)定。

3.3.3 播種速度對株距影響試驗結(jié)果與分析

表4為設定排種株距下的排種株距試驗結(jié)果，由表4可知，在模擬機組前進速度為3~8 km/h下，不同工況下變異系數(shù)均在 15%以下，實際排種株距均在允許范圍之內(nèi)[30]。隨著機組作業(yè)速度增大，株距平均變異系數(shù)分別為10.88%、11.63%、11.88%、12.88%、14.00%和14.13%，可見排種穩(wěn)定性變差；隨著設定排種株距增大，株距平均變異系數(shù)分別為12.83%、14.17%、13.83%、11.17%、12.33%、12.83%和10.33%，排種穩(wěn)定性有所提高，其中330 mm株距的排種穩(wěn)定性較優(yōu)。因此，滿足玉米種植農(nóng)業(yè)要求下，相同排種速度條件，應選取較大設定排種株距。

表3 設定播種株距與實際株距比較試驗結(jié)果Table 3 Comparision of setting plant spacing with actual plant spacing

3.3.4 排種性能結(jié)果與分析

由表5可知，在相同機具作業(yè)速度下，隨著設定排種株距加大，粒距合格指數(shù)均有所提高；在設定排種株距相同時，隨著車速的增加，粒距合格指數(shù)有所降低。在中低車速 3～5 km/h作業(yè)時，粒距合格指數(shù)不低于93%，中高車速6～8 km/h作業(yè)時，粒距合格指數(shù)90%左右。

當設定排種株距不變時，播種速度越高，漏播指數(shù)越來越高，而重播指數(shù)降低；在相同機組作業(yè)速度下，隨著設定排種株距加大，漏播指數(shù)均有所降低，重播指數(shù)有所升高。最大漏播指數(shù)為9.32%，不同工況下，平均漏播指數(shù)均在10%以下；最大重播指數(shù)為9.67%，不同工況下，平均重播指數(shù)均在10%以下。依據(jù)JB/T51017-1999《中耕作物精密播種機產(chǎn)品質(zhì)量分等》，在設定株距為130～330 mm 時，播種株距變異系數(shù)≤25%[31]，均滿足優(yōu)等品標準。因此，可滿足實際播種作業(yè)要求。

綜上所述，由于漏播指數(shù)與重播指數(shù)之間存在一定聯(lián)系，若漏播指數(shù)高，則重播指數(shù)低，反之同理。因此，可在適當放寬重播指數(shù)的條件下，保證較低的漏播指數(shù)。在保證作業(yè)效率前提下，結(jié)合田間作業(yè)實際需求，在設定排種株距 130～300 mm 下，機具作業(yè)速度應在 4～6 km/h范圍內(nèi)；在設定排種株距250～330 mm下，機具作業(yè)速度應在5～8 km/h范圍內(nèi)。

表4 設定排種株距下的排種株距試驗Table 4 Plant spacing test of setting plant spacing

表5 設定排種株距下的排種株距合格指數(shù)Table 5 Qualification index of plant spacing for setting plant spacing

4 田間試驗

為驗證該玉米精量排種控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，以安徽農(nóng)業(yè)大學研制的 4行玉米免耕播種機為平臺，試驗材料選用未分級的安農(nóng)102玉米品種，其千粒質(zhì)量為360 g，質(zhì)量含水率 11%。性能對比機型是市場上常見的勺輪式玉米排種器。田間播種試驗于2018年03月10日在安徽省合肥市安徽農(nóng)業(yè)大學高新農(nóng)業(yè)技術(shù)產(chǎn)業(yè)園開展，土壤類型為黏性土，如圖 8所示。田間實際作業(yè)時，牽引動力為上海紐荷蘭 SNH904拖拉機，機組前進速度為5.6 km/h，投種高度為15.6 cm，播種4行，行距為600 mm。在設定播種株距130、160、190、220、250、280、300、330 mm株距下進行田間試驗，每次試驗采集穩(wěn)定作業(yè)后的80個數(shù)據(jù)，重復3次，獲得實際播種株距平均值及株距合格指數(shù)等田間試驗結(jié)果，如表 6所示。在各種株距下，研發(fā)的電控精量排種系統(tǒng)株距合格指數(shù)平均值為90.89%，漏播指數(shù)平均值為2.54%；在該種情況下，由于土壤黏重，導致地輪驅(qū)動無法排種，與參考文獻[10,32]關(guān)于勺輪式玉米排種器試驗數(shù)據(jù)相比合格指數(shù)提高2.12%，漏播指數(shù)降低4.32%。結(jié)合臺架與田間驗證結(jié)果表明，該玉米精量排種控制系統(tǒng)在田間作業(yè)工況差時，滿足玉米種植農(nóng)藝要求，符合 JB/T51017-1999《中耕作物精密播種機產(chǎn)品質(zhì)量分等》。

圖8 田間試驗Fig.8 Field experiment

表6 田間試驗結(jié)果Table 6 Result of field test

5 結(jié) 論

1）設計了一種基于雙閉環(huán)PID模糊控制算法的玉米精量排種控制系統(tǒng)，工作轉(zhuǎn)速精度驗證試驗表明，在設定排種轉(zhuǎn)速范圍為6～54 r/min時，實際工作轉(zhuǎn)速的變異系數(shù)均小于 10%，通過轉(zhuǎn)速精度驗證試驗，檢驗了實際排種轉(zhuǎn)速在工作時間內(nèi)的波動幅度，得出排種轉(zhuǎn)速在理論轉(zhuǎn)速附近波動范圍小，滿足控制方案需要。

2）臺架試驗表明，設定排種株距相同時，機具作業(yè)速度增大，株距合格指數(shù)越差，中低車速3～5 km/h作業(yè)時，粒距合格指數(shù)不小于93%，中高車速6～8 km/h作業(yè)時，粒距合格指數(shù) 90%左右；田間驗證試驗表明，該玉米精量排種控制系統(tǒng)田間播種株距合格指數(shù)不低于87%，平均值為90.89%，漏播指數(shù)均小于4%，平均值為2.54%，與市場上常見的勺輪式玉米排種器相比合格指數(shù)提高2.12%，漏播指數(shù)降低4.32%。

本研究可實現(xiàn)玉米主動精量排種，并在機組前進速度不大于8 km/h范圍內(nèi)對排種株距實現(xiàn)定量控制。影響玉米主動精量排種控制的因素較多，如排種器結(jié)構(gòu)型式、機組振動強度、投種高度和玉米品種等，針對上述因素及各因素間交互作用對主動排種控制性能的影響仍需進一步開展研究。

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