大蒜播種深度智能調(diào)控研究

王 璨

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學院，鄭州 450052)

0 引言

多年來，大蒜作為主要的農(nóng)副產(chǎn)物之一，其栽植技術(shù)的開發(fā)與改進影響我國大蒜種植業(yè)的產(chǎn)量供應，應當引起重視；而影響大蒜出芽率的關(guān)鍵在于播種機進行播種作業(yè)時播種設備對于大蒜種子播種深度的精準控制與覆土效果。目前，通過有效利用自動傳感及機械控制技術(shù)在播種機的機械構(gòu)件安裝限制深度裝置、傳遞感應裝置或調(diào)節(jié)控制裝置等都能實現(xiàn)對播種機作用于田間土壤深度的不同控制要求。在玉米、小麥等常見農(nóng)作物的播種裝置機械自動化應用技術(shù)嫻熟的基礎上，大蒜、花生等農(nóng)副產(chǎn)品的播種裝置應當予以同步開發(fā)，本項目從大蒜播種機的播種深度一致性與穩(wěn)定性的技術(shù)要求出發(fā)，根據(jù)實地作業(yè)田地的平整度，通過有針對性的對播種機的播種裝置進行關(guān)鍵部件優(yōu)化，對播種深度智能控制系統(tǒng)展開簡要分析。

1 播種機原理及調(diào)深機構(gòu)

大蒜播種機的播種原理與其他農(nóng)作物播種原理相似，一般均由存儲種子、分配種子、輸送種子、排種播種及最后覆土等裝置組成，其三維模型簡圖如圖1所示。播種裝置為核心部件，首先應當讓大蒜種子瓣面朝上，之后進行栽植。這一過程一方面包括大蒜種子瓣面朝向的智能調(diào)整及合理設定并控制栽植裝置插入土壤的深度，即保證大蒜種子埋入土壤深度的一致性；另一方面，通過播種機的壓力傳感裝置與鎮(zhèn)壓作用輪裝置互相協(xié)調(diào)動作，在播種部件自動控制核心系統(tǒng)的操縱之下，指令于電動推桿裝置，同時植入關(guān)鍵的虛擬指令、播種深度參數(shù)及與作業(yè)土壤相關(guān)的壓力、溫濕度等信息，與人機對話模塊互相控制、互相響應并控制播種大蒜的入土深度，完成大蒜播種深度調(diào)整作業(yè)。大蒜播種裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖，如圖2所示。

圖1 大蒜播種機三維模型簡圖Fig.1 3D model brief diagram of the garlic seeder

進行大蒜播種深度智能控制的技術(shù)關(guān)鍵在于，從取種環(huán)節(jié)需保證種子供應充足，進行輸送傳遞環(huán)節(jié)要通過以單片機為主的控制使得大蒜種子的蒜頭方向快速調(diào)整到合理準確的位置，并通過傳感裝置作用于下一環(huán)節(jié)。在大蒜播種機田間行進過程中，保證行進直線度、播種機在播深控制裝置的帶動下保證穩(wěn)定性變異系數(shù)及栽植深度的合格率。

圖2 大蒜播種裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure diagram of the control system on the garlic seeding device

2 智能調(diào)控系統(tǒng)

2.1 調(diào)控系統(tǒng)硬件設計

對大蒜播種機的調(diào)深系統(tǒng)進行部件的細致分解并優(yōu)化，得出互相配合作用的機械、電氣零部件，構(gòu)成調(diào)控系統(tǒng)的硬件設施。針對傳感部件，對壓力傳感器與所作用土壤的界面進行受力分解，并建立微分方程，從而準確獲取播種機構(gòu)在播種過程中植入土壤需要克服的相關(guān)作用力，進而選取合適型號的傳感裝置、承壓裝置及相關(guān)調(diào)控裝置，即

(1)

式中N—單元個體x方向所受力大??；

Q—單元個體所受剪切力大?。?/p>

M—單元個體承受力矩值；

ρ—播種裝置與土壤作用密度值。

根據(jù)電液伺服閥的線性方程選取合適的伺服閥作為控制動作執(zhí)行核心部件，實現(xiàn)電氣與機械構(gòu)件及檢測反饋相互響應，并同時實現(xiàn)信號調(diào)整的功能。方程為

(2)

式中QSV0—調(diào)控系統(tǒng)空載情況下的流量值；

IC—控制裝置輸入電流值；

KSV—靜態(tài)下的流量放大系數(shù)值；

KC—壓力狀態(tài)下的流量放大系數(shù)值；

PL—播種系統(tǒng)承受的負載壓力值。

執(zhí)行部件液壓裝置的型號選取按照在智能控制系統(tǒng)設定參數(shù)值而定，主要包括溫度、工作頻率、電壓與電流等。表1給出個別控制器選取的額定參數(shù)。

表1 大蒜播種機深度控制裝置關(guān)鍵參數(shù)值Table 1 Key parameter values of the depth control device of the garlic seeding machine

為保證播種深度的一致性，確定機械部件所承受的主動作用力與阻尼作用力及附加慣性力之間的內(nèi)在聯(lián)系與平衡，即

(3)

式中XP—液壓部件的有效作用面積值；

mt—等效總質(zhì)量大?。?/p>

BP—相關(guān)阻尼系數(shù)值；

k—播種系統(tǒng)裝置所承受負載的彈性值；

AP—任意相關(guān)負載力大小。

2.2 調(diào)控系統(tǒng)軟件程序設定

大蒜播種機的播種深度調(diào)控系統(tǒng)軟件程序設定，主要通過閉環(huán)反饋控制，實時進行數(shù)據(jù)調(diào)整采集到實際播種深度與預先設定的深度值進行比較，從而利用PLC進行實時調(diào)控，達到精確控制播深的目標。圖3給出播深調(diào)控系統(tǒng)控制信號產(chǎn)生流程圖。由圖3可知：通過無線接收裝置進行主體信號采集，預先需要進行參數(shù)初始化輸入及PLC信號處理相關(guān)控制指令給定等，從而進行比較調(diào)節(jié)。

圖3 大蒜播種機播深調(diào)控系統(tǒng)控制信號產(chǎn)生流程圖Fig.3 Control signal generation flow chart of the seeding depth control system on the garlic seeder

圖4給出關(guān)鍵的調(diào)整播種深度比較程序流程圖。此環(huán)節(jié)主要實現(xiàn)大蒜播種深度核心的測量與比較，通過比較實際播種深度與控制設定播種深度之間的差距值，經(jīng)比較反饋于輸入端，重新進行動作，從而控制播深裝置完成協(xié)調(diào)性調(diào)整作業(yè)。

在對智能控制系統(tǒng)分配了參數(shù)地址之后，編制系統(tǒng)軟件程序，截取部分程序代碼如下：

LD M0.5

MOVR VD932，VD956

-R VD100，VD956

LDR< VD956，0

*R -1，VD956

AENO

AR>= VD956，VD940

LDR>= VD956，0

AR>=VD 956，VD940

OLD

= M3.0

LD M0.5

A M3.0

AR< VD 150

LDN M0.5

A M0.5

OLD

A Q1.0

AN Q0.1

= Q0.0

另外，在播種仿形機構(gòu)的基礎上，融入多通道的信號控制模塊，進行神經(jīng)網(wǎng)絡模糊控制實現(xiàn)傾斜化與精確化的智能要求。

圖4 大蒜播種機調(diào)整播種深度比較程序流程圖Fig.4 Comparison program flow chart of the seeding depth adjustment on the garlic seeder

3 試驗分析

3.1 試驗前置要求

播種裝置的硬件與軟件智能化之后，進行試驗性能對比，來驗證設計的可行性及合理性。通過設計仿真軟件，假定與實際作業(yè)場地相接近的試驗條件，其前置要求可概要為：

1)保證試驗裝置進行作業(yè)的田地環(huán)境相似，如溫度、濕度等；

2)大蒜播種機其他開挖與覆土等裝置設置條件相同；

3)牽引裝置的行進速度根據(jù)試驗要求調(diào)整，需要有對比性；

4)滿足大蒜播種作業(yè)的各項播種參數(shù)，如播種幅寬及播深合格率等。

3.2 試驗性能分析

在進行大蒜播種時，蒜瓣的朝向至關(guān)重要，決定其發(fā)芽與出苗率，在保證瓣向正確的前提下進行播種深度一致性與合理性調(diào)控，兩者有效結(jié)合達到高效大蒜產(chǎn)量，利用優(yōu)化求解軟件進行蒜瓣朝向正確性計算，建立相關(guān)目標函數(shù)并給出約束條件如下，最終得出所需目標性能參數(shù)控制范圍、滿足條件下智能控制，即

對于目標函數(shù)的約束條件為

表2 大蒜播種機深度控制性能參數(shù)對比Table 2 Performance parameter comparison of the depth control of the garlic seeder %

由表2可以看出：在對大蒜播種的播種深度進行智能調(diào)控后，可實現(xiàn)播深合格率近5%的提升，播深變異系數(shù)顯著降低，同時播深穩(wěn)定性也隨之提高近4%。由此證明對大蒜播種裝置實施智能調(diào)控的可行與準確性，在一定程度能夠保證播種深度在起伏不平的土壤作用表面具有較好的一致性。

4 結(jié)論

在保證覆土與鎮(zhèn)壓穩(wěn)定的基礎條件下，實施播種核心裝置及系統(tǒng)的軟硬件同步調(diào)控設計，在PLC控制技術(shù)的引領(lǐng)下，正確利用理論控制模型，有效銜接機械與電氣部件的精密配合有序動作，并通過試驗驗證智能調(diào)控在控制程序與硬件配置方面改進的可行性與準確性。同等條件下，各項評價參數(shù)都較智能調(diào)控前有所改善，如播種深度合格率與播深穩(wěn)定系數(shù)均得到提高，為今后播種深度控制系統(tǒng)的開發(fā)與改進提供新思路，具有一定的推廣價值。