施肥播種機(jī)肥料流量分段式PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王 輝 劉藝豪 周利明 周海燕 牛 康 徐名漢

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100083；2.農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引言

變量施肥是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的重要一環(huán)。變量施肥不僅節(jié)省種植成本，而且能夠改善土壤。變量施肥精準(zhǔn)施入土壤，能夠提高施肥效率，改善人工施肥不均勻性[1-4]。實(shí)施變量施肥，對(duì)施肥控制方法提出了更高的要求，研究更優(yōu)的施肥控制方法是實(shí)現(xiàn)變量施肥的重要途徑[5-6]。故國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)變量施肥裝置研制了多種變量施肥系統(tǒng)，在排肥方式、排肥監(jiān)測(cè)以及排肥控制方法等方面進(jìn)行了深入研究。

我國(guó)施肥機(jī)多采用外槽輪式排肥器[7]，其主要通過控制排肥軸轉(zhuǎn)速來控制施肥量[8]。張繼成等[9]設(shè)計(jì)了多種固體肥精確施肥控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)多種固體肥料的實(shí)時(shí)自動(dòng)配比。楊碩等[10]研究的施肥系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)多路施肥電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施肥狀態(tài)。這種轉(zhuǎn)速控制方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用。但該控制方式施肥量調(diào)節(jié)范圍小，且排肥器排肥時(shí)脈動(dòng)性明顯，排肥均勻性差，從而影響施肥精度[11]。為了克服這些困難，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在雙變量施肥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面做了大量研究[12-15]，如張季琴等[16]設(shè)計(jì)了一種排肥口開度、排肥軸轉(zhuǎn)速都可調(diào)的雙變量施肥控制系統(tǒng)，增加了施肥變量控制的靈活性。趙學(xué)觀等[17]研究了排肥輪充肥性能的影響因素，并提出了利用排肥口開度分段控制施肥量的方法，得到了較好的控制精度。ALAMEEN等[18]對(duì)播種機(jī)的手動(dòng)機(jī)械施肥量調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，并將其改造為實(shí)時(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)肥箱開口度和排肥軸轉(zhuǎn)速的雙變量調(diào)節(jié)。SU等[19]通過對(duì)氣吸式點(diǎn)播機(jī)的改造，實(shí)現(xiàn)了控制外槽輪的有效工作長(zhǎng)度，提高了變量施肥的靈活性。但當(dāng)控制量增多時(shí)，系統(tǒng)魯棒性會(huì)下降。還有一些學(xué)者在排肥監(jiān)測(cè)方面進(jìn)行了研究，如采用光譜探測(cè)[20]、多傳感器信息融合[21]及紅外光電傳感器[22]等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變量施肥。以上方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)變量施肥，但受限于未獲得實(shí)時(shí)肥料流量，從而未調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)肥料流量，因此施肥系統(tǒng)精準(zhǔn)性仍有待提高。

PID控制算法(Proportion integral differential, PID)被廣泛應(yīng)用于變量施肥控制中[23-26]，液態(tài)肥料在變量施肥時(shí)，常將肥料流量作為反饋輸入[27-28]，而固體顆粒肥料在變量施肥時(shí)將肥料流量作為反饋輸入未見報(bào)道。

本文擬基于分段式PID控制方法設(shè)計(jì)施肥播種機(jī)高精度肥料流量控制系統(tǒng)，為提高排肥穩(wěn)定性，將固體顆粒肥料流量值作為控制系統(tǒng)反饋值進(jìn)行施肥電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)肥料流量，以保證施肥穩(wěn)定性與施肥量的準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

施肥播種機(jī)高精度肥料流量控制系統(tǒng)，主要由車載終端、霍爾測(cè)速模塊、施肥電機(jī)與4組肥料流量檢測(cè)模塊組成，如圖1所示。其中車載終端為IKARPC-07A-BT平板計(jì)算機(jī)(iEi威強(qiáng)電公司)，采用基于X86架構(gòu)的Atom主板作為核心，集成了肥料流量控制器程序，可實(shí)現(xiàn)肥料流量的控制并實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)各作業(yè)模塊的狀態(tài)信息；通用串行總線(Universal serial bus, USB)轉(zhuǎn)控制器局域網(wǎng)(Controller area network,CAN)模塊為GY8507總線適配器(武漢吉陽(yáng)光電科技有限公司)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與命令下發(fā)；霍爾測(cè)速模塊為NJK-5002C霍爾傳感器(浙江歐迪龍電子科技有限公司)，安裝在地輪旁，可實(shí)時(shí)采集并計(jì)算機(jī)具的前進(jìn)速度，并將機(jī)具的前進(jìn)速度通過數(shù)據(jù)傳輸線傳輸至USB轉(zhuǎn)CAN模塊；施肥電機(jī)為BG45X30SI型伺服電機(jī)(德國(guó)Dunkermotoren公司，額定輸出功率為80 W，電壓12～24 V)，施肥電機(jī)通過鏈輪與排肥軸相連，驅(qū)動(dòng)外槽輪式排肥裝置實(shí)現(xiàn)排肥；肥料流量檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)采集肥料的流量信息，并通過數(shù)據(jù)傳輸線將肥料流量信息傳輸至USB轉(zhuǎn)CAN模塊；CAN模擬量輸出模塊為C-3402多功能混合采集模塊(泉州市凌力電子科技有限公司，4路差分輸入和8路單端輸入，電壓輸出：0～10 V)，CAN模擬量輸出模塊接收電機(jī)轉(zhuǎn)速模擬量信息，并轉(zhuǎn)換為電壓值傳輸至施肥電機(jī)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 肥料流量控制原理

肥料流量控制原理如圖2所示，首先在車載終端輸入當(dāng)前地塊目標(biāo)施肥量，然后由安裝在機(jī)具從動(dòng)輪旁的霍爾測(cè)速模塊獲取機(jī)具實(shí)時(shí)行進(jìn)速度。肥料流量控制系統(tǒng)將機(jī)具實(shí)時(shí)行進(jìn)速度與當(dāng)前地塊目標(biāo)施肥量作為輸入量，計(jì)算出目標(biāo)肥料流量，檢測(cè)模塊采集肥料的實(shí)時(shí)流量信息。肥料流量控制器結(jié)合目標(biāo)肥料流量值與實(shí)時(shí)肥料流量值計(jì)算模擬量輸出值。模擬量輸出值通過USB轉(zhuǎn)CAN模塊發(fā)送至CAN模擬量輸出模塊，模塊將模擬量轉(zhuǎn)換為電壓值發(fā)送至施肥電機(jī)。施肥電機(jī)根據(jù)輸入電壓值調(diào)節(jié)施肥電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)肥料流量的實(shí)時(shí)控制。

圖2 肥料流量控制原理圖

2 肥料流量控制關(guān)鍵技術(shù)

2.1 肥料流量控制系統(tǒng)建模

肥料流量控制系統(tǒng)控制模型由霍爾測(cè)速傳感器采集的實(shí)時(shí)車速作為輸入，控制器經(jīng)過計(jì)算后將電信號(hào)輸送給施肥機(jī)構(gòu)，施肥機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制肥料流量，最后系統(tǒng)輸出量為肥料流量。肥料流量通過圖3所示控制系統(tǒng)框圖中肥料流量檢測(cè)模塊反饋到控制器，通過控制器進(jìn)行閉環(huán)負(fù)反饋控制。

圖3 肥料流量控制系統(tǒng)框圖

根據(jù)控制系統(tǒng)框圖的輸入輸出關(guān)系，得到系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系為

Q=0.1MDv

(1)

式中Q——目標(biāo)肥料流量，g/s

M——地塊目標(biāo)施肥量，kg/hm2

D——施肥機(jī)具作業(yè)幅寬，m

v——機(jī)具實(shí)時(shí)行進(jìn)速度，m/s

根據(jù)圖3可知，系統(tǒng)反饋通道的輸入量為肥料流量檢測(cè)模塊讀取的實(shí)時(shí)流量，反饋通道輸出到控制器的信號(hào)為模擬量信號(hào)，控制器將信號(hào)與輸入系統(tǒng)的車速以及目標(biāo)施肥量進(jìn)行對(duì)比調(diào)整，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的負(fù)反饋控制。

控制模型中反饋環(huán)節(jié)函數(shù)可表示為

(2)

式中s——傳遞函數(shù)拉普拉斯變換后的復(fù)變量

H——傳遞函數(shù)負(fù)反饋環(huán)節(jié)

根據(jù)肥料流量控制系統(tǒng)控制要求，施肥機(jī)構(gòu)為主要控制對(duì)象，其信號(hào)控制框圖如圖4所示。

圖4 施肥機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)框圖

根據(jù)圖4，CAN模擬量輸出模塊的輸入輸出分別為模擬量和電壓信號(hào)，傳遞函數(shù)為比例環(huán)節(jié)，其關(guān)系式為

(3)

式中Km——模塊模擬量與電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換系數(shù)

Xout——模塊輸出

Xin——模塊輸入

G1(s)——模塊傳遞函數(shù)

施肥電機(jī)選用德國(guó)Dunkermotoren公司的BG45X30SI型直流伺服電機(jī)，在忽略微小電感的情況下，直流伺服電機(jī)可以看成一個(gè)典型的一階系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)是一個(gè)典型的慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)串聯(lián)[12]，用拉普拉斯變換來表示施肥電機(jī)的輸入和輸出，則施肥電機(jī)傳遞函數(shù)可寫為

(4)

式中G2(s)——施肥電機(jī)傳遞函數(shù)

Ke——電機(jī)電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，V/(kr·min)

Kc——電機(jī)電磁力矩常數(shù)，N·m/A

Ra——電機(jī)電阻，Ω

Ja——電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·cm2

采用的BG45X30SI型直流伺服電機(jī)主要參數(shù)有電動(dòng)勢(shì)常數(shù)7.1 V/(kr·min)，電阻0.100 Ω，電磁力矩常數(shù)0.033 N·m/A，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.44 kg·cm2，代入公式(4)后得

(5)

施肥電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速經(jīng)過減速器后作為排肥軸的轉(zhuǎn)速輸出，減速器輸入與輸出轉(zhuǎn)速比為50∶1。減速器輸入輸出信號(hào)傳遞關(guān)系主要由轉(zhuǎn)速比體現(xiàn)，控制過程為比例控制，傳遞函數(shù)表示為

(6)

式中G3(s)——減速器傳遞函數(shù)

θout——減速器輸出

θin——減速器輸入

系統(tǒng)排肥軸轉(zhuǎn)速與肥料流量呈線性關(guān)系，關(guān)系式為

(7)

式中G4(s)——排肥軸傳遞函數(shù)

θ(s)——排肥軸轉(zhuǎn)速的拉普拉斯變換函數(shù)

Q(s)——肥料流量的拉普拉斯變換函數(shù)

Kq——排肥軸轉(zhuǎn)速與肥料流量轉(zhuǎn)換系數(shù)

根據(jù)圖4可知，施肥機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)G(s)為

G(s)=G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)

(8)

公式(2)中D為3 m，M通常取200 kg/hm2，公式(3)中Km取0.1，公式(7)中Kq取10。根據(jù)圖3和公式(2)～(7)可知，肥料流量控制系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制傳遞函數(shù)Gz(s)表示為

(9)

2.2 肥料流量檢測(cè)模塊

電容式流量傳感器[29]是肥料流量控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，其性能直接影響控制效果。為提高肥料流量傳感器的檢測(cè)效果，降低電磁環(huán)境對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，傳感器上下端蓋與殼體均采用金屬材質(zhì)，通過金屬螺栓連接成一體，并與地線相連。

選用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD7746和微控制器STM32F103C8T6 等構(gòu)建微電容信號(hào)測(cè)量電路。傳感器開機(jī)后空載一段時(shí)間，STM32F103C8T6將AD7746采集的200個(gè)電容值求平均，記為初始電容。當(dāng)有肥料經(jīng)過導(dǎo)肥管時(shí)，傳感器電容會(huì)發(fā)生改變，STM32F103C8T6記錄并計(jì)算1 s內(nèi)實(shí)時(shí)電容與初始電容的差值累加值，根據(jù)電容與肥料質(zhì)量關(guān)系計(jì)算1 s內(nèi)經(jīng)過導(dǎo)肥管的肥料質(zhì)量，記為肥料流量

(10)

式中P——實(shí)時(shí)肥料流量，g/s

kEQ——電容與肥料質(zhì)量關(guān)系系數(shù)

T——傳感器電容采集周期，s

Ck——傳感器采集的實(shí)時(shí)電容，pF

CI——初始電容，pF

bEQ——電容與肥料質(zhì)量關(guān)系截距

由STM32F103C8T6 內(nèi)置的CAN 總線控制器通過SN65HVD230 收發(fā)器進(jìn)行CAN 信息的發(fā)送，從而實(shí)現(xiàn)肥料實(shí)時(shí)流量的采集。

2.3 肥料流量控制器設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)在工作狀態(tài)時(shí)，目標(biāo)肥料流量與實(shí)時(shí)肥料流量構(gòu)成的控制偏差為

e=Q-P

(11)

式中e——控制偏差，g/s

Q——目標(biāo)肥料流量，g/s

在數(shù)字化控制中，常規(guī)增量式PID控制表達(dá)式為

Δu(k)=KP(e(k)-e(k-1))+KI(e(k))+

KD(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

(12)

式中 Δu(k)——控制增量

KP、KI、KD——比例、積分與微分常數(shù)

在常規(guī)增量式PID控制中比例常數(shù)、積分常數(shù)與微分常數(shù)為固定值，當(dāng)偏差較大時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，以及造成較大的系統(tǒng)超調(diào)，這對(duì)肥料流量控制精度的影響很大。在分段式PID控制算法中，當(dāng)目標(biāo)值與實(shí)際反饋值的偏差達(dá)到切換閾值時(shí)，系統(tǒng)從現(xiàn)行的PID控制參數(shù)(KP、KI、KD)跳轉(zhuǎn)到另外一組更合適的PID參數(shù)，使控制系統(tǒng)更加精確可靠，控制器框圖如圖5所示。

圖5 控制器系統(tǒng)框圖

以肥料流量偏差e(k)作為分段PID控制的輸入變量，并按其值的域值范圍將PID控制分為以下幾段：

(1)|e(k)|

(2)e1≤|e(k)|

(3)|e(k)|≥e2時(shí)，肥料流量偏差較大，使用PD控制，即公式(12)中KI取0，KP取最大，可以防止系統(tǒng)超調(diào)且使系統(tǒng)快速響應(yīng)，達(dá)到目標(biāo)肥料流量。

分段式PID可用公式表示為

(13)

其中KP1

結(jié)合控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，運(yùn)用Matlab的Simulink建立仿真模型，如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)Simulink仿真模塊

運(yùn)用Simulink中的Control System Tuner，根據(jù)不同誤差進(jìn)行控制器參數(shù)的優(yōu)化。優(yōu)化后KP1=0.038，KP2=2.089，KP3=212.016，KI1=0.167，KI2=0.015，KD=1.317。優(yōu)化后各組參數(shù)的階躍響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 各組參數(shù)的階躍響應(yīng)曲線

肥料流量控制器加入了對(duì)偏差的選擇判斷。積分作用I與比例作用P在不同的肥料流量偏差e(t)下設(shè)定為不同的積分系數(shù)與比例系數(shù)。使控制系統(tǒng)具有更好的適應(yīng)性。

3 軟件設(shè)計(jì)

肥料流量控制系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境為NI公司推出的基于ANSI C的集成開發(fā)環(huán)境Labwindows/CVI。肥料流量控制系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、控制量計(jì)算、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等功能，軟件界面如圖8所示。

圖8 肥料流量控制系統(tǒng)軟件界面

系統(tǒng)先讀取當(dāng)前地塊目標(biāo)施肥量，將施肥量存儲(chǔ)在緩沖區(qū)。并獲取霍爾測(cè)速模塊提供的機(jī)具實(shí)時(shí)行進(jìn)速度，通過計(jì)算得出目標(biāo)肥料流量。同時(shí)通過USB轉(zhuǎn)CAN模塊接收到由肥料流量檢測(cè)模塊發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，得到實(shí)時(shí)肥料流量。根據(jù)目標(biāo)肥料流量與實(shí)時(shí)肥料流量計(jì)算出肥料流量控制器輸出量，并將輸出量通過USB轉(zhuǎn)CAN模塊發(fā)送至CAN模擬量輸出模塊形成施肥電機(jī)控制電壓。為保證控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，采用多線程方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示及控制量計(jì)算。軟件系統(tǒng)流程如圖9所示。

圖9 控制軟件程序流程圖

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 電容式流量傳感器標(biāo)定與驗(yàn)證試驗(yàn)

實(shí)時(shí)肥料流量值的采集是肥料流量控制中重要一環(huán)，而電容式流量傳感器的測(cè)量精度又決定了實(shí)時(shí)肥料流量值的采集精度，因此，先進(jìn)行電容式流量傳感器標(biāo)定試驗(yàn)。試驗(yàn)選用復(fù)合型顆粒狀肥料(史丹利農(nóng)業(yè)集團(tuán)股份有限公司)，氮磷鉀質(zhì)量比例為23∶4∶6，肥料顆粒均勻且無結(jié)塊。

在施肥試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行傳感器的標(biāo)定試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)主要由肥箱、排肥軸、伺服電機(jī)(德國(guó)Dunkermotoren公司，額定輸出功率為80 W，電壓12～24 V)及減速機(jī)、排肥管等組成。將電容式流量傳感器安裝于排肥口下方，并在傳感器的肥料出口放置一個(gè)接料盒，采用稱量法進(jìn)行傳感器標(biāo)定，如圖10所示。

圖10 施肥試驗(yàn)臺(tái)

設(shè)定排肥軸轉(zhuǎn)速為25 r/min，通過肥料流量控制系統(tǒng)分別控制排肥軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間的差別實(shí)現(xiàn)排肥質(zhì)量差異。待每次排肥結(jié)束后，采用電子秤(安衡衡器電子有限公司，(5 000±0.01)g)稱取接料盒內(nèi)的肥料質(zhì)量，同時(shí)記錄每次傳感器電容變化量的累積值。對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到電容差值與肥料質(zhì)量的關(guān)系曲線如圖11所示。

圖11 電容差值與肥料質(zhì)量關(guān)系曲線

由圖11可以看出，電容差值與肥料質(zhì)量呈線性關(guān)系，且經(jīng)Matlab擬合出電容差值與肥料質(zhì)量的關(guān)系模型為

m=18.655C+0.405 3

(14)

式中m——肥料質(zhì)量，g

C——傳感器電容與傳感器參考電容差值，pF

該關(guān)系模型決定系數(shù)R2為0.999 6，說明電容差值與肥料質(zhì)量關(guān)系顯著。

為驗(yàn)證此關(guān)系模型的可靠性以及電容式流量傳感器的測(cè)量精度，在施肥試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)量精度的驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)通過肥料流量控制系統(tǒng)控制排肥軸以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，并在排肥口下方放置接料盒，將通過擬合關(guān)系模型計(jì)算得到的肥料測(cè)量值與接料盒內(nèi)肥料稱量值對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 肥料流量傳感器測(cè)量精度驗(yàn)證結(jié)果

由表1可知，在不同排肥轉(zhuǎn)速條件下，電容式流量傳感器均能夠?qū)崿F(xiàn)施肥量的準(zhǔn)確測(cè)量，最大測(cè)量誤差為1.20%。故可采用電容式流量傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)肥料流量。

4.2 施肥試驗(yàn)臺(tái)肥料流量變化階躍響應(yīng)試驗(yàn)

肥料流量控制精度直接影響施肥量與施肥精度。為了驗(yàn)證肥料流量控制系統(tǒng)的控制精度，在施肥試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了系統(tǒng)的肥料流量變化階躍響應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)條件同4.1節(jié)。試驗(yàn)時(shí)，通過系統(tǒng)設(shè)定目標(biāo)肥料流量分別為23、34、44 g/s，同時(shí)記錄實(shí)時(shí)肥料流量，肥料流量變化如圖12所示。在肥料流量達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)讀取施肥電機(jī)轉(zhuǎn)速，分別為12、21、32 r/min。

設(shè)定施肥電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為12、21、32 r/min，同時(shí)記錄實(shí)時(shí)肥料流量。肥料流量變化如圖12所示。

圖12 肥料流量變化曲線

試驗(yàn)表明，3組恒定轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的超調(diào)量最小值為5.45%，超調(diào)量平均值為8.85%。3組肥料流量控制系統(tǒng)的超調(diào)量最大值為3.49%，超調(diào)量平均值為2.82%。3組恒定轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差最小值為1.31%，穩(wěn)態(tài)誤差平均值為3.80%。3組肥料流量控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差最大值為0.89%，穩(wěn)態(tài)誤差平均值為0.64%。肥料流量控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)時(shí)間最大為1.42 s，平均為0.98 s。肥料流量控制系統(tǒng)將肥料流量作為控制目標(biāo)，可以減小排肥器排肥時(shí)脈動(dòng)性明顯而產(chǎn)生的誤差，故肥料流量控制系統(tǒng)控制精度更高。

4.3 施肥試驗(yàn)臺(tái)施肥量控制精度試驗(yàn)

施肥量準(zhǔn)確度代表了系統(tǒng)的排肥精度。為了驗(yàn)證肥料流量控制系統(tǒng)的施肥量控制精度，在施肥試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了系統(tǒng)的施肥量控制精度試驗(yàn)，試驗(yàn)條件同4.2節(jié)。試驗(yàn)時(shí)設(shè)定3種目標(biāo)施肥量，分別為1 150、1 700、2 200 g，恒定轉(zhuǎn)速系統(tǒng)與肥料流量控制系統(tǒng)在每種目標(biāo)施肥量下分別進(jìn)行3次試驗(yàn)。恒定轉(zhuǎn)速系統(tǒng)以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，肥料流量控制系統(tǒng)以恒定肥料流量運(yùn)行，運(yùn)行50 s。在施肥管下方放置接料盒，對(duì)接料盒內(nèi)肥料稱量，將3次試驗(yàn)的稱量值求平均，記為實(shí)際施肥量，計(jì)算施肥量控制精度為

(15)

式中M1——目標(biāo)施肥量，g

M2——實(shí)際施肥量，g

θ——施肥量控制精度，%

結(jié)果如表2所示。

表2 施肥試驗(yàn)臺(tái)施肥量控制精度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)表明，恒定轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的施肥量控制精度最大值為95.74%，施肥量控制精度平均值為95.10%。肥料流量控制系統(tǒng)的施肥量控制精度最小值為97.83%，施肥量控制精度平均值為98.14%。

4.4 田間試驗(yàn)

2021年10月17—18日在河南省洛陽(yáng)市一拖孟津試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)地塊長(zhǎng)180 m，寬30 m。本文系統(tǒng)搭載在中農(nóng)機(jī)2BJ-470B型玉米免耕精量播種施肥機(jī)上，如圖13所示。試驗(yàn)前在四路排肥管下方套上接料袋，以便對(duì)施肥量進(jìn)行測(cè)量。

圖13 系統(tǒng)安裝圖

試驗(yàn)時(shí)先將肥料裝入肥箱，肥料選用復(fù)合型顆粒狀肥料(史丹利農(nóng)業(yè)集團(tuán)股份有限公司)，氮磷鉀含量比例為23∶4∶6。設(shè)定試驗(yàn)地塊目標(biāo)施肥量為200 kg/hm2，施肥播種機(jī)分別以速度4、6、8 km/h行駛60 s，如圖14所示。機(jī)具幅寬為3 m。利用公式(1)可算出目標(biāo)肥料流量Q，則目標(biāo)施肥量為

圖14 田間試驗(yàn)

M1=60Q

(16)

采用電子秤(安衡衡器電子有限公司，(5 000±0.01)g)稱取接料袋內(nèi)的肥料質(zhì)量并求和獲得實(shí)際施肥量M2。每個(gè)車速下進(jìn)行3組試驗(yàn)，根據(jù)公式(15)計(jì)算施肥量控制精度，結(jié)果如表3所示。

表3 田間施肥量控制精度試驗(yàn)結(jié)果

肥料流量控制系統(tǒng)施肥量控制精度平均值為97.81%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.28%。試驗(yàn)結(jié)果表明：肥料流量控制系統(tǒng)在田間工作環(huán)境，仍能保持良好的施肥控制精度。由于電容式流量傳感器在田間受噪聲、震動(dòng)等影響，肥料流量控制系統(tǒng)在田間工況下的施肥量控制精度比在施肥試驗(yàn)臺(tái)工況下的施肥量控制精度略低。

5 結(jié)論

(1)提出了將肥料流量作為反饋值的分段式PID控制方法，基于分段式PID算法設(shè)計(jì)了高精度施肥播種機(jī)肥料流量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括車載終端、霍爾測(cè)速模塊、施肥電機(jī)、肥料流量檢測(cè)模塊與肥料流量控制器，系統(tǒng)可根據(jù)地塊目標(biāo)施肥量和播種施肥機(jī)行進(jìn)速度調(diào)節(jié)施肥流量，實(shí)現(xiàn)了肥料流量的準(zhǔn)確控制和肥料的精確施入。

(2)通過施肥試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)建立了肥料流量與電容累計(jì)值的線性擬合關(guān)系，經(jīng)驗(yàn)證電容式流量傳感器最大測(cè)量誤差為1.20%，滿足肥料流量檢測(cè)需求。進(jìn)行了肥料流量變化階躍響應(yīng)與施肥精度的臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，肥料流量控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)時(shí)間最大值為1.42 s，均值為0.98 s；系統(tǒng)超調(diào)量最大值為3.49%，均值為2.82%；系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差最大值為0.89%，均值為0.64%；系統(tǒng)施肥量控制精度最小值為97.83%，均值為98.14%。在不同試驗(yàn)條件下，肥料流量控制系統(tǒng)的肥料流量控制精度與施肥精度均優(yōu)于恒定轉(zhuǎn)速系統(tǒng)。

(3)田間試驗(yàn)中，當(dāng)車速為 4、6、8 km/h時(shí)，肥料流量控制系統(tǒng)的施肥量控制精度分別達(dá)到97.84%、97.78%和97.82%，系統(tǒng)施肥量控制精度平均值為97.81%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.28%。滿足施肥系統(tǒng)的施肥精度要求。