馮慧敏　高娜娜　孟志軍　陳立平　李　由　郭玉明

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 太谷 030801； 2.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心， 北京 100097；3.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097)

0　引言

冬小麥返青后追施氮肥對產(chǎn)量提高作用顯著，改變傳統(tǒng)的氮肥地表撒施，采用機(jī)械深施技術(shù)可以降低氮肥揮發(fā)速率[1-2]，有效提高氮肥利用率，減少環(huán)境污染；還可以提高作物干物質(zhì)積累量，提高小麥產(chǎn)量，提升籽粒品質(zhì)[3-4]，同時(shí)也是一種減少極端天氣造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失的有效途徑[5]。

目前，國內(nèi)小麥追施氮肥以人工和機(jī)械表層撒施為主，氮肥因NH3揮發(fā)而浪費(fèi)，肥效利用率低，增產(chǎn)作用發(fā)揮不充分[6-8]。國內(nèi)外許多學(xué)者對氮肥深施技術(shù)給予了廣泛關(guān)注和研究[9-10]，通過對氮肥施用量的精確決策與合理施用，提高氮肥利用率，目標(biāo)集中在充分發(fā)揮效率，減少施肥量[11-12]。國內(nèi)冬小麥追肥技術(shù)研究主要集中在追肥方法對小麥生長性狀的影響[5,13]和精確控制施肥技術(shù)方面[14-17]，針對小麥深施追肥農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)緊密結(jié)合的追肥技術(shù)作業(yè)裝備研究相對較少。小麥屬于密植作物，在追肥作業(yè)過程中存在因追肥機(jī)不易走直導(dǎo)致深施肥作業(yè)部位不精準(zhǔn)及小麥苗根嚴(yán)重?fù)p傷致使產(chǎn)量降低等問題。

因此，針對冬小麥返青后深施追肥作業(yè)需求，基于拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)[18]，開展精準(zhǔn)對行精量深施技術(shù)研究，設(shè)計(jì)小麥精準(zhǔn)對行精確深施追肥機(jī)，以小麥追肥農(nóng)藝要求為指導(dǎo)，精確控制排肥量，將氮肥準(zhǔn)確深施在兩相鄰小麥種植寬行行間，實(shí)現(xiàn)降低氮肥施用量，提高氮肥利用率；同時(shí)降低小麥苗根損傷風(fēng)險(xiǎn)，提高小麥產(chǎn)量和品質(zhì)。

1　主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1　總體結(jié)構(gòu)

小麥精準(zhǔn)對行深施追肥機(jī)包括精量排肥控制系統(tǒng)、追肥裝置、精準(zhǔn)對行系統(tǒng)3部分。精量排肥控制系統(tǒng)主要包括車載終端、施肥控制器、液壓馬達(dá)、電液比例閥、角位移傳感器、壓力傳感器、RTK-GNSS接收機(jī)及天線等；追肥裝置由肥箱、排肥軸、排肥器、雙圓盤開溝器、覆土輪等組成。追肥機(jī)與拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)連接，其動(dòng)力傳動(dòng)采用液壓傳動(dòng)?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示，追肥機(jī)安裝有7個(gè)排肥器，間隔30 cm，在小麥種植寬行內(nèi)進(jìn)行深施追肥。

圖1　小麥精準(zhǔn)對行深施追肥機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Structure sketch of precisely control topdressing fertilization applicator1.GNSS天線　2.肥箱　3.外槽輪排肥器　4.液壓馬達(dá)　5.電液比例閥　6.機(jī)架　7.覆土輪　8.雙圓盤開溝器　9.車載終端　10.施肥控制器　11.RTK-GNSS接收機(jī)

1.2　工作原理

小麥精準(zhǔn)對行深施追肥機(jī)根據(jù)小麥種植寬行分布位置設(shè)定機(jī)具作業(yè)路徑，在帶有自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的拖拉機(jī)牽引下，追肥機(jī)按照設(shè)定的路徑前進(jìn)；作業(yè)過程保證拖拉機(jī)在精準(zhǔn)對行的前提下，行駛速度與電液系統(tǒng)控制液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)匹配，實(shí)現(xiàn)精確控制排肥量。車載終端接收RTK-GNSS接收機(jī)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)獲取拖拉機(jī)行進(jìn)速度信息，根據(jù)追肥控制模型計(jì)算出液壓馬達(dá)對應(yīng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，通過CAN總線將目標(biāo)轉(zhuǎn)速指令發(fā)送給施肥控制器；施肥控制器根據(jù)編碼器測量馬達(dá)的實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過調(diào)節(jié)電液比例閥開度實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制；液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)排肥軸，從而帶動(dòng)排肥槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)，排肥器將肥料排至雙圓盤式開溝器在小麥種植寬行中間所開的肥溝內(nèi)，覆土輪覆土將肥料覆蓋，防止肥料揮發(fā)。

2　追肥深施開溝裝置設(shè)計(jì)

追施氮肥的施入深度達(dá)10 cm及以上時(shí)可有效提高肥料利用率，達(dá)到作物增產(chǎn)的目的[19-21]。本追肥裝置主要實(shí)現(xiàn)在相鄰小麥種植行間開溝作業(yè)，達(dá)到深施肥農(nóng)藝要求的落肥深度，盡可能減少開溝器對土壤擾動(dòng)作用。因此追肥深施裝置由雙圓盤開溝器和覆土輪構(gòu)成，通過兩圓盤滾動(dòng)前進(jìn)完成切土開溝，其開溝寬度較小，對土層擾動(dòng)小，既有利于土壤保水保墑?dòng)挚蓽p少苗根損傷。所用雙圓盤開溝器參數(shù)為：圓盤直徑為350 mm，圓盤夾角θ為10°，聚點(diǎn)m位置高度為100 mm，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，所開溝形輪廓如圖3所示。

圖2　雙圓盤開溝器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Structure diagrams of double-disc opener

圖3　開溝輪廓圖Fig.3　Profile of furrow

當(dāng)雙圓盤開溝器開溝深度為100 mm時(shí)，根據(jù)圖3及公式計(jì)算地面開溝寬度

(1)

式中β——圓盤位置夾角，(°)

R——圓盤半徑，mm

H——開溝深度，mm

L——聚點(diǎn)位置對應(yīng)弦長，mm

d——開溝寬度，mm

代入上述圓盤參數(shù)，得出d=55.12 mm，即理論地面開溝寬度為55.12 mm，當(dāng)小麥種植行距大于20 cm時(shí)，可避免開溝器對小麥根系割傷，但實(shí)際中表層土壤板結(jié)等原因會(huì)出現(xiàn)裂縫形成土塊，開溝作業(yè)時(shí)的擾動(dòng)范圍要偏大。由于雙圓盤開溝器回土效果較差，本機(jī)選用雙圓盤覆土器，安裝在對應(yīng)開溝器正后方位置，當(dāng)肥料落入肥溝后及時(shí)覆土掩蓋肥料，避免肥效損失。

3　精量排肥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1　精量排肥控制系統(tǒng)原理

精量排肥控制系統(tǒng)主要以目標(biāo)施肥量和追肥機(jī)作業(yè)參數(shù)等信息為依據(jù)，通過控制液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速與拖拉機(jī)行駛速度信息相匹配，達(dá)到精量均勻排肥的目標(biāo)，系統(tǒng)工作原理如圖4所示。

圖4　精量排肥系統(tǒng)原理圖Fig.4　Schematic diagram of precise topdressing fertilization

系統(tǒng)包括RTK-GNSS接收機(jī)、車載終端、施肥控制器、電液比例閥、液壓馬達(dá)、排肥軸等。由RTK-GNSS接收機(jī)完成拖拉機(jī)位置信息的實(shí)時(shí)采集，RTK-GNSS接收機(jī)與車載終端通過RS232串口實(shí)現(xiàn)通信。車載終端通過解析GNSS語句完成拖拉機(jī)行進(jìn)速度信息與經(jīng)緯度坐標(biāo)獲取，通過控制軟件中的追肥模型計(jì)算液壓馬達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并通過CAN總線將指令發(fā)送到施肥控制器。施肥控制器根據(jù)接收到的控制指令，獲取編碼器采集的液壓馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速，通過PID控制算法計(jì)算控制量，控制電液比例閥開度實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速精確控制達(dá)到精量排肥。由于精量排肥系統(tǒng)采用RTK-GNSS進(jìn)行速度測量，采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)排肥裝置工作，可有效避免由于地輪打滑等造成排肥不均及地輪對土壤過度壓實(shí)的問題。

3.2　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)包括比例電磁閥、液壓馬達(dá)，其動(dòng)力來自拖拉機(jī)后液壓輸出，系統(tǒng)原理圖如圖5所示。系統(tǒng)主要通過電控系統(tǒng)輸出的電流信號(hào)改變電磁閥閥門開度，調(diào)節(jié)電磁閥的流量，流量流經(jīng)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到精準(zhǔn)控制馬達(dá)與排肥軸轉(zhuǎn)速的目的。其中PV08-30型比例型電磁閥最大控制電流為(1 400±150) mA；AGM-6型液壓減速馬達(dá)最大恒定轉(zhuǎn)速為120 r/min，可滿足農(nóng)機(jī)作業(yè)中對排肥軸轉(zhuǎn)速的需求。

圖5　液壓系統(tǒng)原理圖Fig.5　Schematic diagram of hydraulic system

3.2.2電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)通過CAN總線實(shí)現(xiàn)與車載終端的實(shí)時(shí)通信[22]，完成液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)采集與精確控制，從而實(shí)現(xiàn)排肥過程的精準(zhǔn)化控制。電控系統(tǒng)采用北京凱商公司的C102N型控制器，內(nèi)置16位微控制器模塊，設(shè)置為閉式回路控制，比例電磁鐵輸出經(jīng)過脈沖調(diào)制(PWM)實(shí)現(xiàn)閥門的高精度比例控制，施肥控制器接收到由車載終端下發(fā)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速指令，根據(jù)編碼器采集的液壓馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速，通過PID算法[23-24]完成電液比例閥電流的計(jì)算與調(diào)節(jié)。

精量排肥控制系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)PID算法，實(shí)時(shí)計(jì)算并控制液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，根據(jù)液壓馬達(dá)通過流量與轉(zhuǎn)速關(guān)系求出比例系數(shù)在0.05左右，根據(jù)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)分別對PID參數(shù)進(jìn)行整定，最終確定比例系數(shù)Kp為0.055，積分時(shí)間常數(shù)Ti為0.003，微分時(shí)間常數(shù)Td為0.003，控制頻率為100 Hz。施肥控制器流程如圖6所示。被控對象為電液比例閥和液壓馬達(dá)。車載計(jì)算機(jī)計(jì)算的液壓馬達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速Rin作為PID控制器的輸入信號(hào)，輸出信號(hào)Ir(t)為經(jīng)PID控制器計(jì)算得到的電磁閥輸出電流，輸出信號(hào)Rout為經(jīng)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)得到的液壓馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速?？刂破髟趫?zhí)行過程中，通過液壓馬達(dá)內(nèi)置編碼器實(shí)時(shí)測量馬達(dá)的轉(zhuǎn)速并反饋到CAN總線構(gòu)成閉環(huán)控制，系統(tǒng)控制偏差e(t)為液壓馬達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速Rin與實(shí)際轉(zhuǎn)速Rout差值。

圖6　排肥器轉(zhuǎn)速控制流程圖Fig.6　Flowchart of rotate speed control system

圖7　馬達(dá)轉(zhuǎn)速測試結(jié)果Fig.7　Test results of motor rotate speed

3.2.3PID控制精度分析

為檢驗(yàn)PID控制精度，分別在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下對馬達(dá)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了測試分析，結(jié)果如圖7所示。靜態(tài)測試時(shí)間為1 min，上位機(jī)下發(fā)轉(zhuǎn)速指令后，串口每隔100 ms回傳一次指令并記錄下馬達(dá)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，圖7a為轉(zhuǎn)速設(shè)定25 r/min時(shí)，記錄的馬達(dá)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)所用PID控制方法可實(shí)現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速精準(zhǔn)控制，馬達(dá)轉(zhuǎn)速平均控制誤差為1.46%，最大控制誤差為6.5%。動(dòng)態(tài)測試條件下，拖拉機(jī)前進(jìn)速度為5 km/h，上位機(jī)根據(jù)拖拉機(jī)前進(jìn)速度每隔1 s下發(fā)一次轉(zhuǎn)速指令，串口每隔100 ms回傳一次指令并記錄馬達(dá)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。圖7b為其中一組試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)條件下，PID控制系統(tǒng)可以在0.2 s以內(nèi)完成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，馬達(dá)轉(zhuǎn)速平均控制誤差為1.52%，最大控制誤差為10.2%。試驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)可滿足精量排肥需求。

3.3　測控軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用VMC1000型車載終端，利用MFC集成開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)了精量排肥控制系統(tǒng)[25]，系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、參數(shù)配置模塊、系統(tǒng)標(biāo)定模塊、追肥控制決策模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等功能模塊，軟件系統(tǒng)工作界面如圖8所示。系統(tǒng)主要完成：采集處理衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)；追肥機(jī)物理參數(shù)設(shè)置；追肥作業(yè)參數(shù)設(shè)置；通過CAN總線與施肥控制器進(jìn)行通信；發(fā)送控制指令；接收施肥控制器上報(bào)的反饋信息等。系統(tǒng)根據(jù)模型

(2)

求得液壓馬達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速為

(3)

式中S(t)——t時(shí)刻對應(yīng)作業(yè)面積，hm2

Q0(t)——t時(shí)刻對應(yīng)目標(biāo)追肥量，kg/hm2

n0(t)——t時(shí)刻液壓馬達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，r/min

VG(t)——t時(shí)刻GNSS采集的拖拉機(jī)行駛速度，km/h

W——追肥機(jī)作業(yè)幅寬，m

Q0——單位面積追肥量，kg/hm2

NT——排肥管數(shù)量，個(gè)

q——排肥槽輪單轉(zhuǎn)排量，kg/r

圖8　系統(tǒng)工作界面Fig.8　System display interface

車載終端通過CAN總線將液壓馬達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速指令發(fā)送到施肥控制器，完成精量追肥控制過程。系統(tǒng)根據(jù)編碼器反饋的液壓馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速，計(jì)算出實(shí)際追肥量為

(4)

式中Q(t)——t時(shí)刻實(shí)際追肥量，kg/hm2

n(t)——t時(shí)刻馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min

4　精準(zhǔn)對行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1　精準(zhǔn)對行系統(tǒng)原理

圖10　機(jī)具對行作業(yè)偏差Fig.10　Deviation of applicator row-following operation

由安裝自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的拖拉機(jī)牽引追肥機(jī)在小麥種植行中間位置行走，實(shí)現(xiàn)追肥機(jī)精準(zhǔn)對行追肥作業(yè)。系統(tǒng)由以車載計(jì)算機(jī)和RTK-GNSS為核心的導(dǎo)航控制部分[26]以及轉(zhuǎn)向控制器部分、轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。以追肥機(jī)上第4個(gè)雙圓盤開溝器所在小麥種植寬行的中心線生成導(dǎo)航基準(zhǔn)線，系統(tǒng)根據(jù)拖拉機(jī)位置與導(dǎo)航基準(zhǔn)線的偏差距離、拖拉機(jī)前進(jìn)速度及當(dāng)前車輪角度等信息，通過PID控制算法計(jì)算出當(dāng)前車輪需要轉(zhuǎn)動(dòng)角度，采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)至目標(biāo)角度，達(dá)到直線跟蹤的目的。該系統(tǒng)牽引追肥機(jī)進(jìn)行追肥作業(yè)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)追肥機(jī)按指定路線精確作業(yè)，最大直線跟蹤偏差為±2 cm，保證開溝深施追肥部件在相鄰小麥種植行間作業(yè)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對行，最大限度降低了農(nóng)機(jī)作業(yè)壟間的重疊和遺漏，有效提高了作業(yè)效率，避免了開溝部件傷苗、傷根。精準(zhǔn)對行系統(tǒng)原理如圖9所示。

圖9　精準(zhǔn)對行系統(tǒng)原理圖Fig.9　Schematic diagram of specific row following system

4.2　機(jī)具對行作業(yè)偏差分析

機(jī)具對行作業(yè)偏差來源包括拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)自身誤差，三點(diǎn)懸掛擺動(dòng)和作業(yè)工況引起的機(jī)具振動(dòng)等。試驗(yàn)通過在追肥機(jī)具中心位置處安裝GNSS天線，拖拉機(jī)車頭安裝RTK-GNSS接收機(jī)來采集機(jī)具軌跡[27]。所用GNSS高精度接收機(jī)RTK靜態(tài)定位精度為10 mm+1 μm。試驗(yàn)分別選在平坦的水泥路上和田間進(jìn)行，將拖拉機(jī)速度控制在3～6 km/h，浮動(dòng)范圍為±0.3 km/h，分別沿著導(dǎo)航線方向往返行駛100 m，每個(gè)速度下往返行駛3組，記錄下軌跡數(shù)據(jù)。以標(biāo)準(zhǔn)軌跡線為依據(jù)，分別計(jì)算行駛速度在3～6 km/h時(shí)機(jī)具對行作業(yè)偏差結(jié)果，分析結(jié)果如圖10所示。

根據(jù)偏差分析結(jié)果可以看出，追肥機(jī)田間對行作業(yè)偏差范圍大于平地對行作業(yè)偏差，且行駛速度越快，機(jī)具對行作業(yè)偏差范圍逐漸增大。當(dāng)行駛速度為3 km/h時(shí)，機(jī)具田間對行偏差范圍為-4.5～4.0 cm；行駛速度達(dá)到6 km/h時(shí)，機(jī)具對行偏差范圍為-6.7～6.0 cm。

以此分析結(jié)果和開溝器作業(yè)參數(shù)為依據(jù)確定追肥機(jī)適宜的追肥作業(yè)參數(shù)，當(dāng)追肥作業(yè)速度在3～6 km/h，追肥行大于20 cm時(shí)，可保證開溝盤準(zhǔn)確行駛在小麥寬行間，避免開溝器對幼苗根部的切割損傷。

5　試驗(yàn)

參照GB/T 20346.2—2006《施肥機(jī)械 試驗(yàn)方法 第2部分：行間追肥機(jī)》和JB/T 7864—2013《中耕追肥機(jī)》對追肥機(jī)進(jìn)行標(biāo)定及田間試驗(yàn)。

5.1　追肥均勻性測定

對追肥機(jī)在不同開度和轉(zhuǎn)速條件下的排量進(jìn)行標(biāo)定，選用尿素作為試驗(yàn)材料，粒度范圍為0.85～2.80 mm，測定行數(shù)為7行，試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)排肥槽輪開度：10、12、15、18、20、24 mm，6種馬達(dá)轉(zhuǎn)速：10、15、20、25、30、40 r/min，用7個(gè)料桶在對應(yīng)排肥管下對肥料進(jìn)行收集，對應(yīng)排量通過稱取料桶中肥量質(zhì)量求得。每個(gè)開度和轉(zhuǎn)速下重復(fù)3次試驗(yàn)，共采樣756次。部分分析結(jié)果見表1。

表1為槽輪開度為12 mm和15 mm時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下各槽輪排肥量數(shù)據(jù)。在槽輪開度不變的情況下，隨著槽輪轉(zhuǎn)速的提高，槽輪排肥量逐漸增大，各槽輪間平均排量的變異系數(shù)減小。在槽輪轉(zhuǎn)速一定的情況下，槽輪開度越大，平均排量逐漸增大，各槽輪平均排肥量變異系數(shù)逐漸減小。其他開度和轉(zhuǎn)速測定條件下，試驗(yàn)結(jié)果有相同規(guī)律。因此以外槽輪作為追肥機(jī)計(jì)量工具時(shí)，應(yīng)盡量選擇稍大的槽輪開度，以減小各槽輪間差異性[15]。

表1　各行排肥量一致性標(biāo)定結(jié)果Tab.1　Consistency measurement results of each row fertilizer amount

5.2　田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證追肥機(jī)作業(yè)性能，開展了田間追肥試驗(yàn)。2017年4月初進(jìn)行追肥試驗(yàn)，小麥播種行距為(10+20) cm寬窄行，工作幅寬為2.1 m，追肥面積為0.3 hm2。2017年6月底收獲，田間試驗(yàn)如圖11所示。

圖11　田間試驗(yàn)Fig.11　Field experiments

追肥試驗(yàn)時(shí)，拖拉機(jī)行駛速度為5 km/h，追肥深度10 cm，追肥量為200 kg/hm2，在20 cm寬行內(nèi)進(jìn)行深施追肥試驗(yàn)，機(jī)具對行作業(yè)偏差在±6 cm內(nèi)，通過測量，雙圓盤開溝器開溝寬度范圍為8～12 cm，表層擾動(dòng)范圍為23～30 cm。將試驗(yàn)地塊劃分出10個(gè)2.1 m×100 m的小區(qū)域，對施肥量均勻性進(jìn)行分析。結(jié)果見表2，施肥量偏差小于9%。

收獲后對小麥產(chǎn)量等進(jìn)行了測定，以15 cm等行距播種，撒肥機(jī)表層撒施追肥225 kg/hm2處理為對照組，深施追肥組小麥產(chǎn)量為5 086.5 kg/hm2，對照組小麥產(chǎn)量為4 600 kg/hm2，每公頃追氮肥量減少25 kg左右，小麥產(chǎn)量每公頃提高486.5 kg左右。

表2　田間試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2　Statistical results of field experiments

6　結(jié)論

(1)針對小麥深施追肥的需求，設(shè)計(jì)了小麥精準(zhǔn)對行深施追肥機(jī)，設(shè)計(jì)了配套精量排肥系統(tǒng)和精準(zhǔn)對行系統(tǒng)，通過合理調(diào)節(jié)PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了馬達(dá)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制，其中馬達(dá)轉(zhuǎn)速平均控制誤差為1.46%，最大控制誤差為6.5%；動(dòng)態(tài)條件下，馬達(dá)轉(zhuǎn)速平均控制誤差為1.52%，最大控制誤差為10.2%；優(yōu)先選擇槽輪開度15 mm，保證了各行排肥量一致性。

(2)田間試驗(yàn)表明，在(10+20) cm寬窄行種植模式下，作業(yè)速度為5 km/h，追肥量為200 kg/hm2，機(jī)具對行作業(yè)偏差在±6 cm以內(nèi)，追肥量偏差小于9%，與撒肥機(jī)表層撒施對照組相比，每公頃減少氮肥施用量25 kg，小麥產(chǎn)量提高486.5 kg/hm2。

1高鳳菊, 呂金嶺. 尿素追肥深施對小麥產(chǎn)量及氮肥利用率的影響[J]. 耕作與栽培, 2006(1): 28.

2LIU Tianqi, FAN Daijia, ZHANG Xingxing, et al. Deep placement of nitrogen fertilizers reduces ammonia volatilization and increases nitrogen utilization efficiency in no-tillage paddy fields in central China[J]. Field Crops Research, 2015,184: 80-90.

3王弘菲. 冬小麥?zhǔn)┯镁徔蒯尩实沫h(huán)境效應(yīng)及其經(jīng)濟(jì)效益研究[D]. 保定: 河北農(nóng)業(yè)大學(xué), 2012.

WANG Hongfei. Effects of applying slow control released nitrogen on the environmental and economic benefit of winter wheat[D]. Baoding: Hebei Agricultural University, 2012.(in Chinese)

4YUAN Weiling, YUAN Shangyong, ZHANG Feng, et al. Ammonia volatilization from soils fertilized with different nitrogen type and application method in germination and early seedling stages from the radish field[J]. Agricultural Science and Technology, 2016,17(4): 896-899.

5BANDAOGO A O, BIODJOKAZO F, YOUL S, et al. Effect of fertilizer deep placement with urea supergranule on nitrogen use efficiency of irrigated rice in Sourou Valley (Burkina Faso)[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2015,102(1): 79-89.

6梁靖越, 張敬昇, 王昌全, 等. 控釋尿素對小麥籽粒產(chǎn)量和氮素利用率的影響[J]. 核農(nóng)學(xué)報(bào), 2018,32(1): 157-164.

LIANG Jingyue, ZHANG Jingsheng, WANG Changquan, et al. Effect of controlled release urea on grain yield and nitrogen use efficiency in wheat[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2018,32(1): 157-164.(in Chinese)

7ROCHETTE P, ANGERS D A, CHANTIGNY M H, et al. Ammonia volatilization and nitrogen retention: how deep to incorporate urea?[J]. Journal of Environmental Quality, 2013,42(6): 1635-1642.

8霍中洋, 葛鑫, 張洪程, 等. 施氮方式對不同專用小麥氮素吸收及氮肥利用率的影響[J]. 作物學(xué)報(bào), 2004,30(5): 449-454.

HUO Zhongyang, GE Xin, ZHANG Hongcheng, et al. Effect of different nitrogen application types on N-absorption and N-utilization rate of specific use cultivars of wheat[J]. Acta Agronomica Sinica, 2004,30(5): 449-454.(in Chinese)

9MAZID M, GAIHRE Y K, HUNTER G, et al. Fertilizer deep placement increases rice production: evidence from farmers’ fields in southern Bangladesh[J]. Agronomy Journal, 2016,108(2): 805-812.

10舒時(shí)富, 唐湘如, 羅錫文, 等. 機(jī)械定位深施超級(jí)稻專用肥提高土壤肥力和稻產(chǎn)量[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2013, 29(23): 9-14.

SHU Shifu, TANG Xiangru, LUO Xiwen, et al. Deep mechanized application of super rice special fertilizer increasing soil fertility and yield of super rice[J]. Transactions of the CSAE, 2013,29(23): 9-14. (in Chinese)

11朱兆良, 金繼運(yùn). 保障我國糧食安全的肥料問題[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2013,19(2): 259-273.

ZHU Zhaoliang, JIN Jiyun. Fertilizer use and food security in China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2013,19(2): 259-273.(in Chinese)

12張福鎖, 王激清, 張衛(wèi)峰, 等. 中國主要糧食作物肥料利用率現(xiàn)狀與提高途徑[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2008,45(5): 915-924.

ZHANG Fusuo, WANG Jiqing, ZHANG Weifeng, et al. Nutrient use efficiencies of major cereal crops in China and measures for improvement[J]. Acta Pedologica Sinica, 2008,45(5): 915-924.(in Chinese)

13孫曉然, 孫綠, 趙長星, 等. 追肥深度對旱地小麥花后旗葉衰老特性及產(chǎn)量的影響[J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào), 2015,30(增刊): 420-424.

SUN Xiaoran, SUN Lü, ZHAO Changxing, et al. Effects of fertilization application depth on senescence characteristics of flag leaf after anthesis and yield of dry-land wheat[J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2015,30(Supp.): 420-424.(in Chinese)

14陳滿, 施印炎, 汪小旵, 等. 基于光譜探測的小麥精準(zhǔn)追肥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2015,46(5): 26-32. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20150505&journal_id=jcsam. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2015.05.005.

CHEN Man, SHI Yinyan, WANG Xiaochan, et al. Design and experiment of variable rate fertilizer applicator based on crop canopy spectral reflectance[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015,46(5): 26-32. (in Chinese)

15王秀, 趙春江, 孟志軍, 等. 精準(zhǔn)變量施肥機(jī)的研制與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2004,20(5): 114-117.

WANG Xiu, ZHAO Chunjiang, MENG Zhijun, et al. Design and experiment of variable rate fertilizer applicator[J]. Transactions of the CSAE, 2004,20(5): 114-117.(in Chinese)

16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): 101-104,185.

CHEN Liping, HUANG Wenqian, MENG Zhijun, et al. Design of variable rate fertilization controller based on CAN bus[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2008,39(8): 101-104,185. (in Chinese)

17王金武, 潘振偉, 周文琪, 等. SYJ-2型液肥變量施肥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2015,46(7): 53-58. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20150708&journal_id=jcsam. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2015.07.008.

WANG Jinwu, PAN Zhenwei, ZHOU Wenqi, et al. Design and test of SYJ-2 type liquid variable fertilizer[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015,46(7): 53-58. (in Chinese)

18姬長英, 周俊. 農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展分析[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2014,45(9): 44-54. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20140908&flag=1. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2014.09.008.

JI Changying, ZHOU Jun. Current situation of navigation technologies for agricultural machinery[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014,45(9): 44-54.(in Chinese)

19NKEBIWE P M, WEINMANN M, BAR-TAL A, et al. Fertilizer placement to improve crop nutrient acquisition and yield: a review and meta-analysis[J]. Field Crops Research, 2016, 196: 389-401.

20PAN Shenggang, WEN Xiangcheng, WANG Zaiman, et al. Benefits of mechanized deep placement of nitrogen fertilizer in direct-seeded rice in South China[J]. Field Crops Research, 2017, 203: 139-149.

21FENG Huimin, GAO Nana, LI You, et al. Effects of topdressing depth and row spacing on the SPAD and plant height of winter wheat[C]∥2017 ASABE Annual International Meeting, ASABE Paper 1700924,2017.

22付衛(wèi)強(qiáng), 孟志軍, 黃文倩, 等. 基于CAN總線的變量施肥控制系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2008,24(增刊2): 127-132.

FU Weiqiang, MENG Zhijun, HUANG Wenqian, et al. Variable rate fertilizer control system based on CAN bus[J]. Transactions of the CSAE, 2008,24(Supp.2): 127-132. (in Chinese)

23梁春英, 呂鵬, 紀(jì)建偉, 等. 基于遺傳算法的電液變量施肥控制系統(tǒng)PID參數(shù)優(yōu)化[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2013,44(增刊1): 89-93,88. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=2013s117&journal_id=jcsam. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2013.S1.017.

LIANG Chunying, Lü Peng, JI Jianwei, et al. Optimization of PID parameters for electro-hydraulic variable rate fertilization system based on genetic algorithm[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013,44(Supp.1): 89-93,88. (in Chinese)

24陳滿, 魯偉, 汪小旵, 等. 基于模糊PID的冬小麥變量追肥優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2016,47(2): 71-76. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160210&journal_id=jcsam. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.02.010.

CHEN Man, LU Wei, WANG Xiaochan, et al. Design and experiment of optimization control system for variable fertilization in winter wheat field based on fuzzy PID[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016,47(2): 71-76. (in Chinese)

25左興健, 武廣偉, 付衛(wèi)強(qiáng), 等. 風(fēng)送式水稻側(cè)深精準(zhǔn)施肥裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016, 32(3): 14-21.

ZUO Xingjian, WU Guangwei, FU Weiqiang, et al. Design and experiment on air-blast rice side deep precision fertilization device[J]. Transactions of the CSAE, 2016,32(3): 14-21. (in Chinese)

26劉兆祥, 劉剛, 籍穎, 等. 基于自適應(yīng)模糊控制的拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2010,41(11): 148-152,162.

LIU Zhaoxiang, LIU Gang, JI Ying, et al. Autonomous navigation system for agricultural tractor based on self-adapted fuzzy control[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010,41(11): 148-152,162. (in Chinese)

27吉輝利, 王熙. 農(nóng)機(jī)衛(wèi)星定位導(dǎo)航精度評估方法研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2016，38(11): 242-245,262.

JI Huili,WANG Xi.The research of agricultural machinery is about satellite navigation accuracy of the evaluation method[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research,2016,38(11):242-245,262.(in Chinese)