液压变量施肥控制系统设计与试验.pdf

第 1 2期 2 0 1 2年 1 2月 机 械设 计 与制 造 Ma c hi ne r y De s i g nMa n u f a c t u r e 2 5 7 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 1 2 0 2 5 7 0 3 液压 变量施肥控制 系统设计与试验 陈书法赵真封成龙杨进 淮海工学院 机械工程学院， 连云港 2 2 2 0 0 5 De s i g n a n d E x p er i me n t o n Co n t r o l Sy s t e m o f Se l f - Pr o p e l l e d Va r i a b l e Ra t e F e r t i l i z e r C HEN S h u - f a ， Z HAO Z h e n ， F ENG C h e n g - l o n g ， YANG J i n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， H u a i h a i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， L i a n y u n g a n g 2 2 2 0 0 5 ， C h i n a 【 摘要】 为解决现有水田撒肥机械存在肥量调节控制技术落后、不能适应变量作业工作要求等 问题， 设计了一种 变量撒肥控制系统。通过分析国内外变量施肥技术研 究情况， 概述了变量撒肥机总体 结构和工作原理， 研究了控制 内容和控制策略 ， 确定了以 A T 8 9 C 5 I 单片机作为主控制核心元件的计算机 控制系统， 进行软硬件设计和系统集成。通过场地和田间撒肥试验表明， 撒肥机作业效率达到6 h m ， 施肥量偏差小于 5 ％， 排肥量稳定性变异系数仅为 6 ． 2 ％， 撒肥机工作性能和控制 系统设计满足水田变量 撒肥工作要求。 关键词 变量撒肥机； 控制系统； 单片机； 控制策略； 施肥决策 【 A b s t r a c t 】 ／ n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m o f b a c k w a r d ma n u r e r e g u l a t i o n c o n t r o l t e c h n o l o g y w h i c h w a s n o t s u i t a b l e f o r v ari abl e 一 九 面 e f e r t i l i z ati o n n e e d s ofp ad f e r t i l i z i n g mach i n e ． a v ari a b l e n e f e r t i l i z ati o n c o n t r o l s y s t e m W a S d e s i g n e d ． B a s e d o n t h e d o m e s t i c a n d f o r e i gn r e s e arc h s i t u at i o n s oft h e v a r i abl e r ate f e r t i l i n g t e c h n o l o gy． t h e o v e r a l l s t r u c t u r e a n d w o r k i n g me c h ani s m of t h e v ari a b l e r e f e r t i l i n g m ach i n e { w e r e d e s c r i b e d， a n d c o n t r o l c o n t e n t an d s t r ate gy we r e s t u d i e d ， A T8 9 C 5 1 s i n g l e c W as u s e d as a c o r e c o n - ‘ t r o l e l e m en t i n t h e c o n t r O l s y s t e m, h ard w are a n d s 窃e r e d e s i g n e d , a n d c o n t r o l s y s t e m W as i n t e g r ate e 1 ．{ T h e v ari a b l e - r a t e ／ e r t i l i z i n g e x p e r i m e n t i n s p ace andp a d d y fie l d s h o w s t h a t t h e w o r k i n g e f fic i e n c y i s u p t o 6 h m2 ／ h ， e f e r t i l i z i n g e r r o r i s l e s s t h an 5 ％， a n d t h e f e 舷 s t abi l i t y v ari ati o n c o e f fic i e n t is o n Z y 6 ． 2 ％， S O t h e w o r k i n g p e r f o r m anc e and c o n t r o l s y s t e m d e s i g n oft h e f e r t i l i z e r i s s u i t abl e f o r s p r e adi n g t h e f e r t i l i z e r i n { v ar i a b l e r at e w i d e ly and e ffic ie n t l y i n p a d fi e l d ． Ke y W o r d s Va r i a b l e - Ra t e Fe r t i l i z e r ； Co n t r o l S y s t e m ； S i n g l e Ch i p； Co n t r o l S t r a t e g y； F e r t i l i z a - t i o n De c i s i o n 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 1引言 国外已有撒施液态肥的变量技术成果，采用液压驱动控制 技术， 系统结构简单， 但在我国液态化肥的品种和生产量很少、 运 输不便， 推广应用受限， 不适合我国化肥供应以颗粒、 粉末状为主 的实际情况； 现有变量施肥机具多与通用的拖拉机悬挂连接， 两 轮驱动， 底盘低， 采用普通轮胎， 不适合水田行走要求的过埂通过 性、 高地隙、 转弯半径小的工作要求 。 根据现有研究成果， 设计和试验了一种适合水稻生长期、 撒 施颗粒或粉末状化肥的水田自主行走的高地隙液压变量撒肥机。 整机结构由机械本体及其控制系统组成， 文中主要介绍实现田间 液压变量施肥的控制系统设计、 原理与实现过程。 2变量撒肥机结构与工作原理 2 ． 1变量撒肥机结构 水稻变量撒肥机整机设计主要以合理配置整机重心，降低 接地压力， 提高水田作业性能， 改善驾驶操作条件等方面出发， 尽 量简化机构， 增加功用， 满足变量施肥作业要求。如图 1 所示， 整 机由高地隙底盘、 发动机、 显示器、 控制器及控制系统、 G P S系统、 测速传感器、 液压顶升系统、 连接悬挂支架、 撒肥装置与液压驱动 系统等系统与部件组成， 撒肥装置通过三点连接悬挂支架与高地 隙底盘连接， 由液压油缸调节撒肥装置至合适的工作高度。撒肥 装置主要由肥箱、 撒肥盘 、 步进电机与排肥 口调节装置、 液压马 达、 齿轮传动装置、 支架等组成㈣。 2 ． 2变量撒肥工作原理 变量撒肥机结构简图及变量施肥工作原理图， 如图 1 、 图 2 所示。撒肥机用于水田撒肥作业时， 控制系统能根据接收的 G P S 位置信号和测速传感器测得的实际作业速度以及作业幅宽， 自动 识别地块信息， 调用施肥决策卡中的施肥决策信息， 控制器自动 控制步进电机的开合和通电时间长短， 由步进电机驱动的排肥口 调节装置自动调节肥箱排肥口开度， 由排肥口流出的肥料经由液 压马达驱动的可无级调速的撒肥圆盘离心抛洒出， 实现 自动变量 连续撒肥； 整机由高地隙底盘驱动， 实现水田自走撒肥作业 。 ★来稿 E l 期 2 0 1 2 0 2 1 7 -R 基金项目 江苏省苏北科技发摩 } 计 划项目 B C 2 0 1 2 4 2 5 ， B C 2 0 1 2 4 2 6 ， B C 2 0 1 1 4 2 6 ； 江苏省农机三项工程项目 N J 2 0 1 0 - - 1 7 ； 连云港市科技攻关项目 C G 1 1 3 0 - ， ，■ 女 综 述 t 2 5 8 陈书法等 液压变量施肥控制系统设计与试验 第 1 2期 图 1变量撒肥机结构简图 F i g ． 1 Va r i a b l e Di s t rit u t o r S t r u c t u r e Di a g r a m 1 ．发动机与油泵 2 驾驶室 3 ．显示器 4 ． 高地隙底盘 5 ．控制器及控制系统 6 ． G P S 系统 7 ．连接悬挂支架总成 8 腋 压顶升系统 9 ， 撒肥装置总成 1 0 肥箱及排肥口 l 1 ．步进电机与排肥口调节装置 1 2 ．撒肥盘 1 3 ． 齿轮传动装置 1 4 ．液压马达与驱动系统 1 5 ． 支架 1 6 ． 行走轮及测速传感器 施肥决策卡 J m G P S 系统 S／ _ A s 地块信息模型 速度传感器及信号调理电路 } ‘ _ 1 变量撒肥机 1 0 l 1 l 2 1 3 1 4 图 2变量]淹肥工作原理图 F i g ． 2 Va r i a b l e F e r t i l i z a t i o n P rin c i p l e Di a g r am 3控制系统控制内容分析及控制策略 3 ． 1控制内容分析 控制内容分析的目的主要是确定所需的控制信息、信号性 质， 以便确定其所需的控制方式。由图 1 、 图2 撒肥机结构与工作 原理， 可以确定采用计算机控制系统时的主要控制内容如下[5 - 6 ] 1 G P S 全球定位系统定位导航的实时定位信号与撒肥机 所处的位置信号处理； 2 施肥决策卡的地块信息与G P S 定位信息的融合； 驾驶操 作与G P S 、 施肥决策之间的信息融合； 3 施肥决策控制 主要完成对变量撒肥的实时控制， 这是 计算机控制系统设计的核心， 主要完成对步进电机控制和液压驱 动系统电磁阀控制。 4 测速传感器的速度信息、 限位开关、 液压系统油温超限、 油位信号的处理、 报警等。 其中 1 、 2 是数字化信息， 由相关软件直接与计算机 C P U 进行数据处理和交换， 属于弱电性质； 3 是主要控制设计内容， 属于强电性质 ； 4 中速度信号为模拟信号， 属于弱电性质， 须经 调理电路处理成数字量； 液压系统油温超限、 油位信号的处理 、 限 位开关信号报警为开、 关信号可直接调理成 1 、 0 信号由计算机处 理 ， 属于弱电性质 。 3 - 2控制策略研究 根据变量施肥工作需要， 确定控制策略如下 1 采用以硬件设计为主的计算机控制系统， 满足系统的 稳定性、 可靠性要求。 撒肥机工作于室外大田水田， 工作环境差； 而且不同季节、 不同地区的温差变化也较大， 对系统的影响和要 求较高， 其他还有防雷电、 防腐蚀 、 防潮防水等多方面的可靠性 要求。 2 采用高性能单片机作为主控核心元件， 满足系统对施肥 决策卡、 G P S 数据处理的需要。 控制系统对强电、 弱电以及软硬件 要求很高， G P S 、 施肥信息卡的控制信息处理数据量大， 为此应加 强信息信号方面处理的能力。 3 模块化软硬件设计， 以简化设计难度， 提高可维护陛。系 统中所需处理的信息、 信号复杂， 有强电、 弱电； 有数字信息、 模拟 信号、 开关信号等。 4 软件设计以定时中断子程序为主。系统中需要处理的信 息、 信号量较多， 如 变量施肥量与撒肥机实时位置的确定和校 正； 机械系统的迟滞性与计算机控制系统的快速性之间的协调处 理； 速度传感器模拟信号等。采用定时中断以便在中断时序内及 时处理完成数据， 互相不干扰。 控制系统的可选技术方案 1 、 2如图 3 所示。左侧为计算机 侧， 弱电性质； 方案右侧为机械本体侧， 强电性质。 其中 方案 1以 硬件界面设计为主， P L C控制器采用独立式结构、步进电机的脉 冲分配为硬件环形分配器；方案 2以软件界面设计为主， P L C控 制器采用内装式结构设计， 与计算机控制系统共用 C P U ， 步进电 机为软件环形分配器。 综合以上分析及控制策略， 选择技术方案 1 。 i i r一一一一‘。。。。⋯。一一一一’ 信 息 系 统 馨 ．i ．i 主 控 制 系 统 撒肥机 - ， 一 蓊 控制器H 琶矗卜 变 量 撒 卜 亚巫圉 薹巫卜 - 肥 装 置 传 感 器 、 开 关 等 及 其 信 号 调 理 电 路 I ． J 方累 1 方案 2 ． ． 1_ 计算机侧 机械本体侧 图3撒肥机控制系统原理图 F i g ．3 F e rti l i z e r C o n t r o l S y s t e m Di a g r a m 4计算机控制系统设计 由控制系统技术方案 1 可知， 控制系统由信息处理系统 、 计 算机软硬件、 主控制系统所组成。控制系统的硬件由主控制电路 和微型计算机硬件控制电路组成， 其中主电路控制系统主要对系 统中强电执行器件进行通电及热、 过电流电压、 开断路等安全保 护的设计与控制， 这是一些常规设计不再详述。 4 ． 1计算机硬件控制系统设计 微型计算机硬件控制电路由 A T 8 9 C 5 1 单片机作为主控制 核心元件， 完成对步进电机、 液压驱动系统电磁铁、 流量阀、 方向 阀、速度控制阀等的控制以及机器运行状态相关数据的采集 、 处 理、 显示等。 A T 8 9 C 5 1 的主要特点有 与 MC S - 5 1 系列的单片机在 指令系统和引脚上完全兼容；片内有 4 k字节在线可重复编程快 擦写程序存储器； 全静态工作， 工作范围 0 - 2 4 MH z ； 1 2 8 x 8 位 内部 R A M； 3 2位双向输入输出线； 两个十六位定时器计数器 ； 五 个中断源， 两级中断优先级； 一个全双工的异步串行 口； 间歇和掉 电工作方式。单片机控制系统硬件系统框图16 l ， 如图 4 所示。 No ． 1 2 D e c ． 2 0 1 2 机械 设 计与 制造 2 5 9 图 4撒肥机计算机控制系统框图 F i g ．4 F e r t i l i z e r Co mp u t e r Co n t r o l S y s t e m Bl o c k Di a g r a m A T 8 9 C 5 1 单片机对步进电机的控制采用硬件环形分配器方 式， 增加系统的可维护性、 操作安全陛， 但也增加硬件电路的设计 难度。 4 ． 2控制系统程序设计 系统程序采用模块化结构设计 ，主要由主程序模块及相应 子程序模块组成。 如图5所示。 主程序主要完成系统上电自检、 系 统初始化、 相关子程序调用等， 为系统工作做好准备。 子程序模块 主要有 测速传感器模块； 步进电机运行循环、 升降速及正反转控 制模块； 中断服务程序模块； 输入愉 出／ 显示模块等。 图 5控制系统主程序设计流程图 F i g ．5 Ma i n Pr o g r am De s i g n F l o w Ch a r t o f t h e C o n t r o l S y s t e m 5变量施肥性能试验 试验条件 时间 2 0 1 0年 8月 l 6 、 1 7日， 天气晴朗， 温度 2 9 3 1 ℃， 空气湿度 4 9 ～ 5 1 ％， 微风， 试验肥料 尿素 颗粒尺寸 1 ．0 ～ 4 ． 6 ram、 堆密度 6 6 2 k m 3 、 含水量 0 ． 4 ％ 。 性能检测试验场地 连云港市元天农机研究所试验场地， 场 地面积 8 0 x 8 0 m， 水泥地面， 平整无坡度， 地表覆盖一层帆布， 便 于收集肥料17 --9 1 。 田间试验地点 连云港市某农场 ， 试验面积 5 O亩， 水稻品 种 连稻 3 号， 水稻正处拔节期。 试验检测仪器设备 机械秒表 0 1 5 m i n ， t O ． 1 s 、 钢卷尺 0 5 m， l m m、 电子天平 E S 一 3 0 K H T S O 3 0 k g ， l g 、 台式干燥箱 D G ／ 2 0 - 0 0 2 A 0 ～ 2 o o o c， l o C 、 温湿度计j ws 2 2 一 1 0 ． - 4 0 c C， 1 O ～ 1 0 0 ％R H； I C， 5 ％、 温度表 D M一 6 9 0 2 一 5 0 7 5 0 C ， l c c、 方孔 筛 1 ． 0 5 ． 6 m m， 0 ． 0 1 ra m。撒肥机撒肥试验结果， 如表 l 所示。 表 1撒肥机撒肥试验结果 T a b ． 1 Ma n u r e Sp r e a d e r S p r e a d i n g Te s t Re s u l 试验结果分析 由表 1 试验结果可以看出， 撒肥机施肥量偏 差为 5 ％， 总排肥量稳定性变异系数为 6 ．2 ％， 施肥均匀性变异系 数仅为 1 4 ％， 整机性能达到施肥机械国家标准要求 ， 且撒肥盘离 地高度、 撒肥幅宽、 工作效率等性能指标均达到预期设计目标要 求。 6结论 1 通过调节电磁式流量阀开度从而改变液压马达输出轴 转速的液压系统设计保证了撒肥盘在 0 9 0 0 r ／ mi n连续变速的 变量撒肥工作要求； 2 通过场地和田间撒肥试验， 撒肥盘离地高度可达 1 1 0 0 m m， 作业效率达到 6 h m 2 P n ， 撒肥幅宽达到 1 4 m， 撒肥机控制系统设计 和工作性能满足稻田变量撒肥工作要求。 参考文献 [ 1 ] 林昌华， 唐群峰， 唐树梅 动变量施肥技术的研究与应用现状[ J J _ 华 南热带农业大学学报 ， 2 0 0 6 ， 1 2 2 7 6 7 9 ． [ 2 ] 陈书法， 李宗岭， 申屠留芳． 变量施肥液压系统设计与试验研究[ J ] ． 液 压与气动， 2 0 1 1 1 2 1 0 2 1 0 5 ． [ 3 ] 王金武， 纪文义， 冯金龙 等．液态施肥机的设计与试验研究[ J j ． 农业工 程学报 ， 2 0 0 8 ， 2 4 6 1 5 7 1 5 9 ． [ 4 ] 李志红， 李锦泽， 侯桂凤． 变量施肥机的设计[ J ] ．农机化研究， 2 0 0 8 8 1 0 9 - 1l 1 ． [ 5 ] 张书慧， 马成林， 杜巧玲． 精确农业自 动变量施肥机控制系统设计与实 现[ J ] _ 农业工程学报 ， 2 0 0 4 ， 2 0 1 1 1 3 1 1 6 ． [ 6 ] 李华， 孙晓民．MC S 一 5 1 系列单片机实用接口技术[ M] ．北京 北京航空 航天大学出版社 ， 1 9 9 3 8 ． [ 7 j C h e n S h u f a ， Z h o n g J i l i a n g ， Ya n g J i n ， e t a 1 ．K i n e ma t i c m o d di n g a n d e x p e r i m e n t o n s p i n n i n g d i s c o f c e n t ri f u g a l m a n u r e s p r e a d e r[ A L P r o c e e d i n g of t h e S e c o n d I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Mo de l l i n g a n d S i m u l a t i o n ， [ c ] ． M a n c h e s t e r ， E n g l a n d ， U K ， 2 0 0 9 5 2 3 6 2 4 1 ． [ 8 ] G B ／ I 2 0 3 4 6 ． 1 - 2 0 0 6 ， 施肥机械试验方法．全幅宽施肥机[ s ] ．