精准农业大豆变量施肥控制技术研究

【摘要】： 精准农业是现代信息技术、生物技术、工程技术等一系列高新技术最新成就的基础上发展起来的一种重要的现代农业生产形式,其核心技术是地理信息系统、全球定位系统、遥感技术和计算机自动控制技术。精准农业系统是一个综合性很强的复杂系统,是实现农业低耗、高效、优质、安全的重要途径。精准农业的实施包括多个环节,如农田信息采集、信息的管理与决策、变量作业等,其中变量作业特别是变量施肥作业是实施精准农业的一个重要环节。 自动控制变量施肥播种可以根据土壤特性、谷物产量、田间大地高程、作物品种、当地的气候条件等,通过农业专家决策系统,制定变量施肥数字处方图,并将变量数据输入到变量施肥播种机自动控制系统中,实现变量自动控制。黑龙江垦区是大豆主产区,根据黑龙江垦区的实际情况,在国产大豆精密播种机上应用变量控制施肥技术,可以提高国产大豆精量播种机的技术水平,提高大豆生产科技含量,在现有农业资源和生产水平的基础上,提高农作物产量,可以减少化肥施用数量,节约化肥,提高化肥利用率,降低生产成本,避免不必要的浪费,提高农业综合经济效益,保护农业生态环境,发展绿色有机农业,实现农业可持续发展,具有广阔的应用前景和学术价值。 本文依托国家“863”计划项目课题“大豆作物精准作业系统构建与应用示范”和黑龙江省重点攻关项目“基于GPS自动控制的变量施固体肥播种机研制”,重点研究精准农业大豆变量施肥控制技术。调研了国内外精准农业变量施肥控制技术进展情况,查阅了相关文献资料,针对黑龙江垦区大规模农业机械化特点,提出了大型拖拉机配套大豆精密播种机变量施肥控制系统设计研究方案,在深入分析影响施肥主要因素的基础上,确定了以液压马达为执行机构的变量施肥控制方案。变量施肥控制系统由DGPS接收机、车载计算机、变量施肥闭环控制器、电液比例阀、液压马达、排肥器等组成。通过液压马达驱动排肥器轴,控制播种机肥器轴转速,调节施肥量,以实现精准农业按需变量施肥。当排肥器采用液压马达驱动,不用地轮驱动时,变量施肥设计研究必须考虑播种机前进速度对施肥量的影响。 根据变量施肥控制原理,结合设计要求,提出了一种以车载计算机和闭环控制器为核心的变量施肥控制系统方案,并以此为基础,对控制系统的两大核心部分进行了细致深入研究。论文首先在分析车载计算机软硬件组成结构的基础上,重点研究了变量施肥的车载计算机控制策略和GPS信息获取方法,利用Visual Basic 6.0编程语言和Map Objects地理信息控件,自行研究开发了变量施肥控制软件,提出并解决了变量施肥作业处方数据在车载计算机的储存和解析问题。研究开发了以单片计算机为核心的变量施肥闭环控制器,设计了中央处理器的电路、复位监控电路、信号输入电路、串口通信电路、LED数码管显示电路、输出驱动电路、稳压电源电路等,根据自动控制理论建立了PID控制数学模型,并将此控制数学模型用于液压马达转速闭环控制,提高了变量施肥控制精度。 分析了变量施肥播种机前进速度对施肥量的影响,推导出了变量施肥播种机前进速度变化时,车载计算机理论排肥量与马达转速之间的计算公式。 为了验证理论分析的正确性以及变量施肥控制系统性能,进行了控制系统液压台架试验和数据采集与分析,并将变量控制系统安装在大豆播种机上,对大豆变量施肥播种机进行了标定试验和田间试验。试验结果表明,研制的大豆变量施肥播种机控制系统技术先进、性能可靠、操作方便、具有较高的控制精度、可以与大型播种机配套使用,可以满足精准农业变量施肥控制要求。