懷寶付 ，梁春英 ，王熙 ，李愛平 ，張紅霞

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，大慶 163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院）

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，除了依靠生物技術(shù)的進(jìn)步和耕地面積、灌溉面積的擴(kuò)大外，基本上是在化肥與農(nóng)藥等化學(xué)品和礦物能源的大量投入條件下獲得的。但由此引起的水土流失、農(nóng)產(chǎn)品和地下水污染、土壤生產(chǎn)力下降、水體富營(yíng)養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問題，已經(jīng)引起了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注，并推動(dòng)了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)理論的產(chǎn)生和發(fā)展。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代信息技術(shù)，作物栽培管理技術(shù)，農(nóng)業(yè)工程裝備技術(shù)等一系列高新技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種重要的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式和管理模式，其核心思想是獲取農(nóng)田小區(qū)作物產(chǎn)量和影響作物生產(chǎn)的環(huán)境因素（如土壤結(jié)構(gòu)、地形、氣候、土壤肥力、病蟲草害等）實(shí)際存在的空間和時(shí)間差異信息，分析影響小區(qū)產(chǎn)量差異的原因，采取技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上有效的調(diào)控措施，改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大面積、大樣本平均投入的資源浪費(fèi)作法，對(duì)做物栽培管理實(shí)施定位，按需變量投入。它包括精確變量播種，精確噴灑農(nóng)藥，精確變量灌溉，精確變量施肥，收獲信息采集這幾個(gè)環(huán)節(jié)。而精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的興起對(duì)合理施肥提出了新的理論和技術(shù)要求。從化肥的使用來看，肥料利用率低不僅使生產(chǎn)成本偏高，而且造成地表水和地下水污染等環(huán)境問題。精確變量施肥的理論和技術(shù)將是解決這一問題的有效途徑。

1 控制系統(tǒng)方案

選定液壓馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)排肥機(jī)構(gòu)的執(zhí)行器，采用電磁液壓比例閥作為液壓馬達(dá)控制部件，通過閉環(huán)控制器輸出不同的電信號(hào)，來進(jìn)行控制電磁液壓比例閥閥門的開度大小調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)排肥機(jī)構(gòu)（排肥器）轉(zhuǎn)速的控制，以達(dá)到變量施肥的目的[1]。

變量施肥驅(qū)動(dòng)控制裝置是一個(gè)獨(dú)立的變量施肥播種機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制裝置，把它與現(xiàn)有的播種施肥播種機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)顆?；实淖兞靠刂啤Ｗ兞渴┓黍?qū)動(dòng)裝置可安裝在國(guó)產(chǎn)大豆施肥精密播種機(jī)上，由大型輪式拖拉機(jī)牽引進(jìn)行大豆變量施肥播種作業(yè)。安裝在拖拉機(jī)上DGPS確定播種機(jī)在田間的位置，將此位置信息通過RS-232串行接口傳送到車載計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，車載計(jì)算機(jī)將播種機(jī)在田間的位置顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，將變量施肥數(shù)據(jù)庫(kù)中與田間位置對(duì)應(yīng)的變量施肥數(shù)據(jù)查找出來，輸出到變量閉環(huán)控制器中，變量閉環(huán)控制器控制電磁液壓比例閥的開度，改變大豆精播機(jī)排器肥軸轉(zhuǎn)速，達(dá)到改變播種機(jī)排肥量的目的。變量施肥控制裝置組成原理如圖1所示。

圖1 變量施肥控制裝置組成原理框圖Fig.1 Diagram of variable rate fertilization control device components

液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速通過磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器反饋到閉環(huán)控制器主控芯片中形成了閉環(huán)控制，另外，多普勒車速雷達(dá)傳感器（或者通過DGPS測(cè)定拖拉機(jī)行駛速度）將獲得的變量施肥播種機(jī)前進(jìn)的速度信號(hào)，并將信號(hào)輸入到閉環(huán)控制器中參與施肥量的調(diào)節(jié)。

2 電液比例閥控馬達(dá)系統(tǒng)

我們通過圖2可知，閥控馬達(dá)閉環(huán)系統(tǒng)包括指令元件、比較元件、電液比例閥、比例放大器、液壓馬達(dá)和轉(zhuǎn)速傳感器等六部分[2]。各基本元件的作用如下：

圖2 電液比例閥控馬達(dá)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Diagram of electrohydaulic proportional valve control motor closed-loop system

（1）轉(zhuǎn)速傳感器：它用來檢測(cè)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，測(cè)出控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，用于滿足控制系統(tǒng)比較的要求。測(cè)速時(shí)，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于氣隙處的磁力線發(fā)生變化，磁路中的磁阻也隨之改變，從而可在傳感器中產(chǎn)生變化的電信號(hào)，經(jīng)處理變?yōu)槊}沖信號(hào)，此外，由于磁阻傳感器具有很強(qiáng)的方向性，傳感器探頭對(duì)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)十分敏感，而對(duì)齒輪沿軸向的抖動(dòng)不敏感。這對(duì)保證測(cè)速精度十分有利。

（2）指令元件：也稱輸入元件。指令信號(hào)可以程序設(shè)定或手動(dòng)設(shè)定。在我們研究開發(fā)的電液控制系統(tǒng)中，指令元件是車載計(jì)算機(jī)，由車載計(jì)算機(jī)通過RS-232串行接口輸出指令信號(hào)。

（3）比較元件：比較元件的作用是將給定輸入信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，計(jì)算出偏差信號(hào)作為比例放大器的輸入。在本控制系統(tǒng)中，比較元件采用單片計(jì)算機(jī)。

（4）比例放大器：電液比例閥電磁鐵需要的控制電流較大，一般得幾百毫安才能驅(qū)動(dòng)，但是從比較元件輸出的偏差控制電流較小，通過比例放大器對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行加工、整形和放大，使之達(dá)到電液比例閥的控制要求。

（5）電液比例閥：它是控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件。電液比例閥內(nèi)部由電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器和液壓放大元件兩部分組成。電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器是電液控制接口元件，它把輸入的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成與電流成正比的力或位移。把電氣控制信號(hào)放大到足以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載。也可稱之為整個(gè)系統(tǒng)的功率放大部分。

（6）液壓馬達(dá)：它是控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件，用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載。產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)作用力加在變量控制系統(tǒng)排肥器軸上，實(shí)現(xiàn)排肥器軸轉(zhuǎn)速無級(jí)調(diào)節(jié)。

3 閉環(huán)控制器總體方案

本閉環(huán)系統(tǒng)研究采用自主研制的閉環(huán)控制器控制施肥軸的轉(zhuǎn)速[3]，以期達(dá)到變量控制施肥量的目的，因此自主研制的閉環(huán)控制器是研究的重點(diǎn)。上位計(jì)算機(jī)接收GPS定位數(shù)據(jù)，通過自行研制的變量施肥控制專用軟件對(duì)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)當(dāng)前位置進(jìn)行網(wǎng)格識(shí)別，讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的施肥量數(shù)據(jù)。然后將變量施肥數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)RS-232串行接口送到下位機(jī)（閉環(huán)控制器）中，將施肥數(shù)據(jù)由數(shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量輸出；通過放大驅(qū)動(dòng)器將變量信號(hào)放大，以控制電磁液壓比例閥的開度，控制液壓油的流量，從而控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速；播種機(jī)施肥軸由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)變量控制施肥。變量施肥電控液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 變量施肥電液控制系統(tǒng)原理框圖Fig.3 Diagram of electric-hydraulic control variable rate fertilization system

控制系統(tǒng)選用液壓馬達(dá)作為自動(dòng)變量施肥的執(zhí)行部分，因?yàn)橐簤厚R達(dá)的力矩大，大型拖拉機(jī)都是液壓系統(tǒng)的拖拉機(jī)，不用額外增加設(shè)備。很多學(xué)者對(duì)于控制系統(tǒng)，經(jīng)常選用步進(jìn)電機(jī)作為自動(dòng)變量施肥的執(zhí)行部分，步進(jìn)電機(jī)工作原理是每接收一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，在扭矩允許的范圍內(nèi)，不會(huì)因?yàn)榕ぞ氐淖兓Р剑梢员苊庖簤厚R達(dá)或直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要使用減速裝置，也便于進(jìn)行控制，對(duì)于控制機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性是有利的；但是引入步進(jìn)電機(jī)，需要提供額外的電力供應(yīng)，需要拖拉機(jī)又額外增加發(fā)電設(shè)備。

閉環(huán)控制器主要由穩(wěn)壓電源電路、單片機(jī)系統(tǒng)、復(fù)位監(jiān)控電路、設(shè)置參數(shù)存儲(chǔ)電路、LED數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)、4位LED顯示數(shù)碼管電路、頻率電壓（V/F）轉(zhuǎn)換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、串口RS-232通信轉(zhuǎn)換電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，電磁比例閥放大驅(qū)動(dòng)電路等部分電路組成。閉環(huán)控制器硬件電路組成框圖如圖4所示。閉環(huán)控制器接收車載計(jì)算機(jī)控制指令和反饋信號(hào)并進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果對(duì)電液比例閥的開度進(jìn)行控制，從而控制排肥軸轉(zhuǎn)速。

4 變量施肥閉環(huán)控制程序設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，確定控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，將軟件分成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能模塊，并根據(jù)各模塊間的相互關(guān)系確定軟件的總體結(jié)構(gòu)[4]。在此基礎(chǔ)上，畫出流程圖，根據(jù)流程圖，采用編輯軟件編寫源程序，生成目標(biāo)代碼，調(diào)試后燒錄進(jìn)單片機(jī)。

圖4 閉環(huán)控制器的硬件電路組成框圖Fig.4 Diagram of closed-loop controller hardware circuit

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main program

變量施肥閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)程序的總體流程如圖5所示。變量施肥閉環(huán)控制程序主要包括控制系統(tǒng)主程序、串口通信子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、LED數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)子程序、參數(shù)設(shè)置讀寫子程序、輸出控制子程序等。將各個(gè)子程序模塊組合到一起，得到系統(tǒng)主程序流程圖，如圖5所示。

5 結(jié)論

本文研究開發(fā)了以單片計(jì)算機(jī)為核心的變量施肥閉環(huán)控制器，為了驗(yàn)證理論分析的正確性以及變量施肥控制系統(tǒng)性能，開展了電液驅(qū)動(dòng)式變量施肥控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，驗(yàn)證了電液驅(qū)動(dòng)式變量施肥機(jī)控制系統(tǒng)方案的可行性和穩(wěn)定性，并對(duì)大豆變量施肥播種機(jī)進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)和田間試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的大豆變量施肥播種機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、操作方便、具有較高的控制精度、可以在不同作業(yè)方式下進(jìn)行田間作業(yè)，滿足了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

［1］王熙.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)大豆變量施肥控制技術(shù)研究［D］.大慶：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，2010.

［2］梁春英，衣淑娟，王熙，等.變量施肥控制系統(tǒng)PID控制策略［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（7）：157-162.

［3］于英杰，張書慧，齊江濤，等.基于傳感器的變量施肥機(jī)定位方法［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（10）:165-168.

［4］陳立平，黃文倩，孟志軍，等.基于CAN總線的變量施肥控制器設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（8）:101-105.