一種電學(xué)控制特性下的變量施肥裝置研究

周文軍,伍賢洪

(南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南寧 530008)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展及環(huán)保的高要求,設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)變量施肥裝置控制系統(tǒng),可依據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求對施肥量進(jìn)行動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)化控制調(diào)節(jié)[1]。變量施肥裝置采用一種閉環(huán)控制技術(shù),采用位移傳感器對施肥過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測,系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理器根據(jù)傳感器信息進(jìn)行施肥裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制,實(shí)現(xiàn)施肥過程中的自動(dòng)化調(diào)節(jié)。作業(yè)過程中,將所有系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)上傳至上位機(jī),并對參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,記錄變量施肥裝置運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)施肥數(shù)據(jù)[2-3]。系統(tǒng)有效提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中肥料利用率,同時(shí)減少了肥料的浪費(fèi)和肥料對環(huán)境的影響。

1 變量施肥電液比例系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變量施肥裝置上電后,上位機(jī)接收相關(guān)位置信息和環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù),計(jì)算出肥料需求量[4];施肥需求通過系統(tǒng)通信總線傳輸至裝置控制系統(tǒng),并與系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的施肥參數(shù)閾值進(jìn)行對比生成施肥控制指令,控制變量施肥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作[5-6]。

所設(shè)計(jì)的電液比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用基于液壓缸的電液比例控制方式,按照控制器指令電信號連續(xù)成比例地對液壓系統(tǒng)運(yùn)行過程中的壓力和流量等過程參數(shù)進(jìn)行控制,以提高液壓系統(tǒng)的控制精度水平。圖1所示為變量施肥裝置電液比例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 變量施肥裝置電液比例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of electro hydraulic proportional system of variable rate fertilization device

2 變量施肥裝置模塊設(shè)計(jì)

變量施肥裝置電源執(zhí)行機(jī)構(gòu)電源為12V,系統(tǒng)控制器工作電壓為5V。因此,所設(shè)計(jì)的施肥裝置控制系統(tǒng)中,采用2個(gè)三段穩(wěn)壓器進(jìn)行二級穩(wěn)壓,達(dá)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制器的需求電壓值,穩(wěn)壓過程中,采用發(fā)光二極管對電源進(jìn)行指示。圖2所示為變量施肥裝置電源模塊電路[7]。

圖2 變量施肥裝置電液模塊電路圖Fig.2 Electric hydraulic module circuit diagram of variable rate fertilization device

系統(tǒng)中的復(fù)位和時(shí)鐘控制模塊采用典型的外部晶振時(shí)鐘電路,晶振頻率為32 768Hz,利用單片機(jī)內(nèi)部PLL鎖相環(huán)模塊后,總線時(shí)鐘達(dá)到8MHz。采用低頻電路可有效降低系統(tǒng)處理器晶振電路的電磁干擾,提高系統(tǒng)可靠性;在使用過程中,利用軟件對鎖相環(huán)頻率進(jìn)行修改,以提高系統(tǒng)使用過程中的靈活性[8-9]。

選用一種MC68GP32型單片機(jī),采用8路8位置、A/D轉(zhuǎn)換器對環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,8路模擬通道信號輸入通道引腳可與并行串口進(jìn)行疊加使用。在數(shù)據(jù)采集過程中,為保證A/D轉(zhuǎn)換具有較高的可靠性,采用內(nèi)部總線時(shí)鐘,將分頻系數(shù)全部設(shè)定為8,從而使A/D時(shí)鐘頻率達(dá)到1MHz。圖3所示為變量施肥裝置微處理控制器電路。

圖3 變量施肥裝置微處理控制器電路圖Fig.3 Circuit diagram of microprocessor controller for variable rate fertilization device

變量施肥裝置控制器輸出電路采用緩沖脈寬調(diào)制方案,將定時(shí)器通道聯(lián)合起來形成通道0和通道1,信號波形通過TCH0和TCH1引腳進(jìn)行輸出。功率驅(qū)動(dòng)過程采用光電耦合器,有效消除了過程信號干擾,同時(shí)可對線路中的阻抗和負(fù)載進(jìn)行平衡,防止出現(xiàn)自感電勢對輸出電路的影響[10]。

變量施肥控制系統(tǒng)微處理器利用RS485將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)串口信號,采用雙半工通訊方式,將RRL電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換,形成RS485通訊電平[11-12]。圖4所示為RS485通信接口電路。

圖4 微處理控制器通訊接口電路圖Fig.4 Communication interface circuit diagram of microprocessor controller

為保證變量施肥裝置在使用過程中具有較高的穩(wěn)定性,同時(shí)保證電學(xué)控制過程中具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,采用數(shù)字PID控制器與單片機(jī)結(jié)合的方式,兼顧系統(tǒng)使用過程中具有較好的控制性能和靜態(tài)性能[13]。圖5所示為施肥裝置電液比例控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。

圖5 電液比例控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Dynamic structure diagram of electro hydraulic proportional control system

利用PID進(jìn)行變量施肥動(dòng)態(tài)控制過程中,確定系統(tǒng)比例增益系數(shù)KP=8,積分時(shí)間參數(shù)TI=0.04,微分時(shí)間參數(shù)TD=10,使整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)具有良好的性能。

3 變量施肥裝置軟件設(shè)計(jì)

針對變量施肥控制系統(tǒng)需求、系統(tǒng)輸入指令和系統(tǒng)輸出信號進(jìn)行分析,對控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行編程[14]。當(dāng)系統(tǒng)上電后,對時(shí)鐘總線進(jìn)行初始化處理,并利用定時(shí)器對系統(tǒng)輸出進(jìn)行初始化,對通訊接口初始值進(jìn)行設(shè)定;初始化完成后,讀取通訊總線傳送的上位機(jī)數(shù)據(jù),并通過位置參數(shù)和環(huán)境參數(shù)獲取施肥量數(shù)據(jù)[15]。圖6所示為變量施肥裝置控制系統(tǒng)軟件工作流程。

圖6 控制系統(tǒng)軟件工作流程圖Fig.6 Flow chart of control system software

4 系統(tǒng)試驗(yàn)

對變量施肥裝置控制系統(tǒng)對施肥量控制精度及施肥過程中的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)測定。進(jìn)行控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測定時(shí),采用增大施肥量和減少施肥量兩種方式進(jìn)行驗(yàn)證,如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)曲線Fig.7 Response time data curve of control system

由圖7曲線可以看出:增大施肥量時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為4s,減少施肥量時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為6s。在進(jìn)行變量施肥過程中,分別記錄每個(gè)條件下所消耗的肥料質(zhì)量,并與設(shè)定施肥量進(jìn)行對比,即可得出變量施肥裝置的施肥量控制精度。表1所示為變量施肥控制精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由表1可以看出:每種試驗(yàn)條件分別進(jìn)行兩組試驗(yàn),施肥量控制精度誤差小于4%,施肥量波動(dòng)范圍處于允許波動(dòng)范圍內(nèi)。

表1 控制系統(tǒng)精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Control system precision test data

5 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的施肥裝置電比例變量控制方案,能夠達(dá)到平穩(wěn)可靠運(yùn)行的狀態(tài),且系統(tǒng)成本低。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,其運(yùn)行過程中的控制精度高,可根據(jù)使用過程中的位置信息和環(huán)境參數(shù)信息進(jìn)行綜合控制,并自動(dòng)完成變量施肥作業(yè)。