基于PID控制的小麥智能播種機(jī)研制與試驗(yàn)

關(guān)鍵詞：播種機(jī)；PID；小麥；精量播種；電驅(qū)動；田間試驗(yàn)

0 引言

河西走廊一帶是甘肅省小麥主產(chǎn)區(qū)，播種是小麥種植的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。目前，小麥播種機(jī)大多采用由地輪驅(qū)動的外槽輪式排種器和由風(fēng)機(jī)提供壓差的氣力式排種器[2]。外槽輪式排種器在作業(yè)過程中，當(dāng)田間地面起伏不平時，由于地輪打滑無法驅(qū)動排種軸轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致漏播現(xiàn)象，嚴(yán)重影響小麥產(chǎn)量[3]。氣力式排種器雖能解決漏播和種子破損等問題，但主要適用于大地塊作業(yè)，而且價格較高，暫不適合在河西走廊一帶推廣。近年來，為提高小麥播種質(zhì)量和減少漏播率，針對傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動播種機(jī)存在的問題，研究人員對電驅(qū)動精密播種技術(shù)進(jìn)行了大量研究[4-10]。KAMGARS等[11]設(shè)計了一種小麥電驅(qū)動排種控制裝置，有效提高了高速作業(yè)條件下播種的均勻性。JAFARIM等[7]基于直流電機(jī)工作原理研發(fā)了谷物播種機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，有效縮短了控制系統(tǒng)響應(yīng)時間，提高了播種機(jī)作業(yè)效率。閆青[12]研發(fā)了一款能實(shí)現(xiàn)玉米單粒精播和小麥精量條播的電驅(qū)動排種控制系統(tǒng)，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，降低了小麥玉米輪作模式的作業(yè)難度。彭強(qiáng)吉等[13]設(shè)計了一種由電機(jī)驅(qū)動代替地輪驅(qū)動的小麥單粒精密播種機(jī)，提高了小麥播種的智能化水平。

本設(shè)計在前人研究的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種基于PID控制的小麥智能播種機(jī)，利用電驅(qū)動技術(shù)可根據(jù)不同地區(qū)農(nóng)戶的要求快速調(diào)整單位面積播種量，也能避免因地輪打滑造成的漏播問題，精確控制小麥單位面積播種量，提高小麥播種質(zhì)量。

1 設(shè)計方案及工作原理

1.1 總體方案設(shè)計

根據(jù)河西走廊一帶小麥種植農(nóng)藝要求和田間作業(yè)條件，設(shè)計了基于PID控制的小麥智能播種機(jī)，主要由電控系統(tǒng)、編碼器、直流無刷電機(jī)、測速編碼器、雙圓盤開溝器、種箱、排種器和鎮(zhèn)壓輪等組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

小麥智能播種機(jī)田間作業(yè)時，與地輪同軸安裝的速度傳感器采集播種機(jī)行進(jìn)速度，驅(qū)動電機(jī)根據(jù)其行進(jìn)速度、單位面積播種量及小麥智能播種機(jī)的相關(guān)參數(shù)，計算出播種輪轉(zhuǎn)速的給定值，利用PID控制器實(shí)現(xiàn)對播種輪轉(zhuǎn)速的控制，使排種輪轉(zhuǎn)速根據(jù)播種機(jī)行進(jìn)速度快速變化。排出的種子通過排種管落入種溝內(nèi)，鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓。電控系統(tǒng)由拖拉機(jī)電瓶進(jìn)行供電。

1.3 電驅(qū)動控制系統(tǒng)

小麥智能播種機(jī)電驅(qū)動排種控制系統(tǒng)主要由低速直流減速電機(jī)驅(qū)動模塊、人機(jī)界面、微處理器、DC/DC升壓模塊和48V直流無刷電機(jī)組成，如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行時，通過微處理器計算獲得小麥智能播種機(jī)行進(jìn)速度，駕駛員在人機(jī)交互模塊的參數(shù)界面輸入用戶要求的單位面積播種量后，通過安裝在地輪上的速度傳感器采集機(jī)具前進(jìn)速度；系統(tǒng)通過作業(yè)速度和預(yù)先設(shè)定的單位面積播種量得出外槽輪排種軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速；由PID控制器自動調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速；最終由電機(jī)帶動排種軸轉(zhuǎn)動，控制排種軸快速響應(yīng)排出預(yù)先設(shè)定的種子質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)小麥精量播種。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

（1）微處理器。電驅(qū)動排種控制系統(tǒng)微處理器模塊選用艾莫迅公司生產(chǎn)的CPU224XP處理器，具有高速技術(shù)、光電隔離、通信方便和低成本等特點(diǎn)。

（2）直流減速電機(jī)。根據(jù)小麥智能播種機(jī)作業(yè)時的行進(jìn)速度要求和作業(yè)環(huán)境，驅(qū)動電機(jī)選用額定電壓24V、額定功率600W、額定電流21A的直流減速電機(jī)，如圖3所示。并配備100A的調(diào)節(jié)器，其轉(zhuǎn)速范圍0～100r/min。

（3）測速編碼器。選用空心軸光電旋轉(zhuǎn)電梯編碼器作為速度傳感器，安裝在地輪軸上采集小麥智能播種機(jī)行進(jìn)速度，編碼器與地輪同軸[14]。根據(jù)小麥智能播種機(jī)作業(yè)環(huán)境，將編碼器安放在保護(hù)殼內(nèi)，編碼器轉(zhuǎn)軸通過連接器、測速軸套與測速軸連接，測速編碼器安裝示意如圖4所示。

（4）人機(jī)交互界面。小麥智能播種機(jī)人機(jī)交互模塊選用的是MCGS昆侖通態(tài)TPC7012EL觸摸屏，主要由校準(zhǔn)界面與參數(shù)界面組成，如圖5所示。用戶可以通過觸摸屏界面調(diào)整小麥單位面積播種量作業(yè)參數(shù)，也可以通過界面統(tǒng)計已播面積和行進(jìn)速度。

（5）物料傳感器。物料傳感器為漏播監(jiān)測傳感器，選用電容式傳感器，如圖6所示。種箱內(nèi)均勻布置3個物料傳感器，如遇種箱內(nèi)的小麥種子低于傳感器安裝位置，監(jiān)測裝置自動報警。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證研發(fā)的電驅(qū)動排種控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，針對不同小麥智能播種機(jī)行進(jìn)速度，進(jìn)行不同單位面積播種量下的排種精度室內(nèi)試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)材料與準(zhǔn)備

試驗(yàn)材料選用甘肅瑞豐種業(yè)有限公司研制的寧春11號小麥品種，千粒質(zhì)量44.2g。播種機(jī)作業(yè)行數(shù)13行，排種器為外槽輪式排種器。

3.2 試驗(yàn)方法

影響小麥智能播種機(jī)單位面積播種量的主要因素是外槽輪的有效工作長度[15-17]。由前期預(yù)試驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)得出，當(dāng)外槽輪排種器有效工作長度固定為某一數(shù)值時，排種量與排種軸轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系[18-19]。

利用裝有減速器的交流調(diào)速電機(jī)模擬小麥智能播種機(jī)在作業(yè)加速、勻速和減速3個階段的不同行進(jìn)速度，分別測試小麥智能播種機(jī)行進(jìn)速度在4、6、8和10km/h作業(yè)條件下對電驅(qū)動排種控制系統(tǒng)控制精度進(jìn)行測量，分別測量每行排種量和整機(jī)總排種量，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值，測量過程如圖7所示，得出不同作業(yè)條件下的總排種量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，小麥智能播種機(jī)在低速、中速、中高速和高速等不同作業(yè)條件下實(shí)際單位面積播種量與設(shè)定單位面積播種量誤差均lt;2%，滿足農(nóng)藝上對小麥精量播種的技術(shù)要求。在中速和中高速作業(yè)條件下，智能排種控制系統(tǒng)控制精度高于低速和高速作業(yè)條件，穩(wěn)定性好。每行排種量變異系數(shù)平均值1.21%。

4 田間試驗(yàn)

為測試小麥智能播種機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，以甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院與武威市農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣中心、甘肅天誠農(nóng)機(jī)具制造有限公司聯(lián)合研制的13行小麥智能播種機(jī)為平臺，試驗(yàn)材料選用未分級的寧春11號小麥品種。

田間播種試驗(yàn)于2022年10月6日在武威市涼州區(qū)武南鎮(zhèn)下中畦村高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田示范點(diǎn)，土壤類型為沙質(zhì)土，如圖8所示。田間試驗(yàn)時，在泰山-554C型拖拉機(jī)安裝北斗導(dǎo)航無人駕駛系統(tǒng)，設(shè)定拖拉機(jī)行進(jìn)速度5.6km/h；設(shè)定單位面積播種量450、525、600和675kg/hm2，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，實(shí)際小麥單位面積播種量田間試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。在各種單位面積播種量下，小麥智能播種機(jī)單位面積播種量相對誤差≤2.33%；結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)與田間驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，基于PID控制的小麥智能播種機(jī)在大田環(huán)境作業(yè)時，不同行進(jìn)速度、單位面積播種量條件下均能滿足小麥種植農(nóng)藝要求，無缺苗斷壟現(xiàn)象。

由表2可知，小麥智能播種機(jī)田間作業(yè)相對誤差大于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，主要是受到作業(yè)環(huán)境的影響，如振動、地面起伏等因素的影響。田間試驗(yàn)結(jié)果滿足農(nóng)藝上對小麥精量播種的技術(shù)要求。

5 結(jié)束語

設(shè)計了基于PID控制的小麥智能精量播種機(jī)，并開展了室內(nèi)試驗(yàn)和田間驗(yàn)證試驗(yàn)。

（1）搭建了以PLC控制器為核心的電驅(qū)動小麥智能排種系統(tǒng)。預(yù)先在人機(jī)交互界面設(shè)定單位面積播種量，由編碼器采集播種機(jī)行進(jìn)速度；然后利用PID控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，并由物料傳感器監(jiān)測種箱剩余種子情況，實(shí)現(xiàn)小麥精量播種。

（2）室內(nèi)試驗(yàn)表明，播種機(jī)在低速、中速、中高速和高速等不同作業(yè)條件下實(shí)際單位面積播種量與設(shè)定單位面積播種量誤差均lt;2%，滿足小麥精量播種的農(nóng)藝要求。在中速和中高速作業(yè)條件下，電驅(qū)動智能排種系統(tǒng)控制精度高于低速和高速作業(yè)條件，穩(wěn)定性好。每行排種量變異系數(shù)平均值1.21%。

（3）田間試驗(yàn)表明，在各種單位面積播種量下，小麥智能播種機(jī)單位面積播種量相對誤差≤2.33%；田間作業(yè)的相對誤差大于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，主要是受到作業(yè)環(huán)境的影響，如振動、地面不平等因素的影響。