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双变量施肥机定比施肥控制系统设计与试验分析

李振  
【摘要】:精准农业是现代农业发展的必然趋势,并已在我国取得了较为显著的经济效益与社会效益。变量施肥是精准农业重点研究的领域之一,变量施肥技术是以不同空间单元的目标产量与土壤理化性质等为依据进行综合测算分析,结合营养专家系统、作物生长模型进行施肥量决策,指导变量施肥机进行田间网格差异性施肥,而变量施肥机是变量施肥技术的基础和载体,同时变量施肥机的排肥控制系统又是实现变量施肥系统的重要组成部分,是实现精准变量施肥的关键。因此,综合考虑国内外变量施肥机及施肥控制系统现状与发展趋势的基础上,提出了一种基于上位工控机下位单片机的电控液压传动闭环双变量施肥控制系统,同时考虑到系统的可靠性及信号完整性,本文将系统从硬件上划分为液压传动系统、基于工控机的上位主控系统、基于STC单片机下位控制系统以及GPS/DGPS定位系统四块相互独立的部分来设计。为了实现对排肥主轴转速的无极调节,实现精准变量施肥,设计了双变量液压无级调速变量施肥系统,以液压油路的稳定性和排肥槽轮机构驱动控制方法为研究重点,并在液压油路中设置了液压稳压环节和液压压力传感器,实现更好的控制施肥精度。基于工控机的上位主控系统是施肥决策的主控制系统,上位工控机可以提供良好的人机交互界面及高效的数据运算。研究主要内容是通过对图形化的人机交互界面进行设计,实时获取数据库中施肥处方信息和DGPS/GPS模块数据信息,并对数据进行管理与解析,实现排肥轴转速与开度闭环控制等,目的是便于控制系统进行氮肥、磷肥及钾肥(N、P、K)等营养元素的自动配比施肥,并将施肥配比与控制信号发送给下位控制系统。基于STC单片机下位控制系统重点研究利用AD转换将上位给定的施肥量信息转化为电液比例调速阀和开度电磁阀所需的控制信号,该系统的设计主要是基于PCA转速测控系统,利用PCA脉冲捕获的高速度和高可靠性,采集变量施肥机行驶速度,实时的将拖拉机的速度通过串口总线发给基于工控机的上位机主控系统,用于实时的施肥闭环控制。GPS/DGPS定位系统设计主要研究重点通过GPS/DGPS定位模块获取当前机具位置信息,利用串口将定位数据发送到上位主控制系统,使上位控制系统从数据库中获取该位置下的处方施肥信息。为了使施肥决策系统得到精确的施肥量,本文通过试验建立了排肥量与排肥轴转速、开度的函数关系,建立了外槽轮排肥器每转排肥量Q数学的模型、液压驱动马达转速与给定信号的数学模型及变量施肥机Q=F(L,N,V)数学控制模型,并得出了影响变量施肥机排肥量的主次因素。最后,为了综合验证本文所设计的变量施肥控制系统的性能,进行了动态条件下的排肥试验。试验结果表明:研制的变量施肥机工作稳定、排肥可靠、具有较高的控制精度,满足了系统的设计要求,为下一步开发大型自动变量施肥机提供了理论和技术参考。本文研制的双变量施肥机目前已通过专家组的验收。


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