高原源 王 秀 楊 碩 趙學(xué)觀 竇漢杰 趙春江

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 北京 100083； 2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097；3.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心， 北京 100097)

0 引言

精密播種技術(shù)可以在不改變播種密度的前提下，提高播種粒距均勻性和播深一致性，達(dá)到節(jié)本增效的作用，這也是當(dāng)前研究的重點[1]。播種深度是種子萌發(fā)、出苗及生長發(fā)育的關(guān)鍵[2-4]，不一致的播種深度會影響出苗整齊度，造成大小苗現(xiàn)象，進(jìn)而影響產(chǎn)量[5-6]。傳統(tǒng)播種深度控制方式是根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整單體四連桿處彈簧預(yù)緊力，以達(dá)到適宜的對地壓力和播種深度。實際作業(yè)中，存在地表起伏和殘茬覆蓋等現(xiàn)象，土壤阻力區(qū)間變化較大[7-9]，造成作業(yè)機具振動，特別是在高速作業(yè)時，被動彈簧方式下的單體對地下壓力變化波動較大，影響開溝深度和播深穩(wěn)定性。

由于被動式播種深度控制性能不穩(wěn)定，國內(nèi)外學(xué)者開始側(cè)重于對主動壓力控制方式的研究[10-12]。文獻(xiàn)[13]設(shè)計了液壓式加載仿形深度控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)播種機下壓力和仿形量的調(diào)節(jié)；文獻(xiàn)[14]設(shè)計了一種基于位移傳感器的播種開溝深度控制系統(tǒng)，通過控制仿形機構(gòu)處的液壓缸，實現(xiàn)了同步仿形和開溝深度可控；文獻(xiàn)[15]則對四連桿處的電液播深調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行了運動仿真和優(yōu)化，確定相關(guān)設(shè)計參數(shù)；文獻(xiàn)[16-17]采用位移傳感器和超聲波傳感器實時測量開溝深度，通過控制液壓油缸實現(xiàn)開溝下壓力自動控制和開溝深度的監(jiān)控。上述研究主要通過對播種深度的監(jiān)測反饋間接控制播種下壓力，控制精度有待提高。隨著精密播種技術(shù)的發(fā)展，面向農(nóng)藝需求的播種環(huán)境不僅要求一致的開溝深度，還需要適宜的土壤壓實力，對播種下壓力的實時監(jiān)測和控制成為研究重點。文獻(xiàn)[18]通過監(jiān)測鎮(zhèn)壓輪壓力調(diào)節(jié)覆土輪高度，以改變覆土量，調(diào)整播種深度和種上壓實度；文獻(xiàn)[19-20]則對種溝壓實度進(jìn)行監(jiān)控，通過安裝在限深輪上的壓電薄膜傳感器監(jiān)測對地壓力，調(diào)節(jié)四連桿上氣囊，以實現(xiàn)單體對地下壓力的控制；文獻(xiàn)[21]采用軸銷傳感器采集限深輪對地壓力，并通過液壓式仿形機構(gòu)進(jìn)行調(diào)控；美國Precision Planting公司[22]采用壓力傳感器檢測單體限深輪對地壓力，以氣動或液壓方式對仿形四連桿進(jìn)行控制，從而調(diào)整播種下壓力。由于壓電傳感器通用性不高，已有基于平滑濾波的軸銷傳感器測量方式靈敏度低，且缺乏合適的下壓力控制模型，影響了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制準(zhǔn)確性，此外，相比氣壓驅(qū)動，液壓方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對拖拉機自身動力和油路要求較高。

本文采用氣動式播種下壓力控制方式，提出一種基于氣囊壓力和仿形四連桿傾角的播種下壓力控制方法，以實現(xiàn)下壓力快速精準(zhǔn)控制?；谝浑A濾波的軸銷傳感器下壓力監(jiān)測方式，設(shè)計相應(yīng)的氣動式下壓力控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)播種深度的主動調(diào)節(jié)和限深輪對地下壓力的穩(wěn)定一致，為實現(xiàn)精密播種作業(yè)奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

播種機氣動式單體下壓力控制系統(tǒng)主要由氣壓驅(qū)動裝置、仿形四連桿、傾角傳感器、軸銷下壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集控制卡(DAQ)和上位機等組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of system1.橫梁 2.仿形四連桿 3.破茬刀 4.開溝器 5.限深輪 6.鎮(zhèn)壓輪 7.播深調(diào)節(jié)機構(gòu) 8.軸銷下壓力傳感器 9.種箱 10.傾角傳感器 11.氣囊 12.氣囊固定座 13.控制箱 14.氣罐

作為主動式播種下壓力調(diào)節(jié)機構(gòu)，氣壓驅(qū)動裝置包括氣泵、氣罐、氣囊、溫度傳感器、氣壓傳感器、電氣比例閥等，其中，氣囊一端通過固定座與單體橫梁固定，另一端通過改裝的支架與仿形四連桿固定；氣壓和溫度傳感器用于監(jiān)測氣泵工作狀態(tài)和氣罐內(nèi)部氣壓，保證裝置安全工作；電氣比例閥實時控制氣囊內(nèi)部壓力，通過氣囊形變改變四連桿向下作用力，進(jìn)而帶動單體運動；軸銷下壓力傳感器安裝在原有限深塊擺動銷孔處，用于監(jiān)測限深輪對地下壓力；而四連桿上臂處的傾角傳感器則可以實時獲取仿形四連桿擺動角度，結(jié)合氣囊內(nèi)部氣壓和軸銷傳感器信號，通過DAQ傳輸給上位機，由上位機實時顯示氣囊氣壓和實際下壓力，并與設(shè)定播種下壓力進(jìn)行比較，當(dāng)兩者差值超過設(shè)定閾值時，上位機經(jīng)過計算發(fā)送控制指令給DAQ，由DAQ輸出控制信號到氣壓驅(qū)動裝置，進(jìn)而改變氣囊對地作用力，實現(xiàn)播種下壓力穩(wěn)定控制。

1.2 力學(xué)分析

如圖1所示，播種單體實際作業(yè)時，在仿形四連桿作用下，開溝圓盤刀沿著破茬刀方向切入土壤并開出種溝，兩側(cè)的限深輪則始終貼地運動并壓實土壤，其中圓盤刀與限深輪相對位置差即為開溝深度。當(dāng)?shù)孛嫫鸱蛲寥牢锘匦愿淖儠r，土壤開溝和壓實阻力發(fā)生變化，造成開溝器(單體)振動和仿形四連桿傾角改變。根據(jù)四連桿力矩平衡可知，此時氣囊對單體作用下壓力

(1)

式中F′——四連桿對單體下壓力，N

F——單體對四連桿反作用力，N

FAS——氣囊對四連桿作用力，N

L1——四連桿上臂長度，m

L2、L3——力FAS和F力臂長度，m

α——四連桿傾角，(°)

忽略破茬刀和鎮(zhèn)壓輪豎直方向所受土壤阻力，則單體總的對地下壓力為

(2)

式中G——播種單體自身重力，N

Ft——橫梁對四連桿牽引力，N

FD——播種下壓力，N

由于單體對地下壓力主要作用在限深輪和開溝器上，即

FD=FC+FW

(3)

式中FC——地面對開溝器作用力，N

FW——地面對限深輪作用力，N

另一方面，地面對單體反作用力主要來源于兩者接觸時的形變阻力和土壤變形摩擦力，根據(jù)流變學(xué)理論，土壤近似為非線性彈性材料，其力學(xué)模型可用Kelvin并聯(lián)模型描述[4]。假設(shè)作業(yè)過程中單體與地面之間形變量主要來源于土壤，根據(jù)式(3)，則地面對單體作用力

(4)

式中K1——單體豎直方向的阻力系數(shù)，N/m

C——單體豎直方向的運動阻尼系數(shù)，N·s/m

H——開溝器相比地表下壓深度，m

h——限深輪相比地表下壓深度，m

此時，播種深度

Δh=H-h

(5)

其中，模型系數(shù)K1和C主要取決于土壤特性，如濕度、粘性、機械組成和土壤比阻等。由式(4)看出，當(dāng)播種下壓力一定時，土壤物化特性變化會帶來開溝器和限深輪作用力的重新分配，如開溝器作用力FC增大必然會導(dǎo)致限深輪作用力FW的減小，進(jìn)而影響開溝深度和壓實深度，造成播種深度的變化。換言之，當(dāng)播種下壓力無法滿足土壤特性變化帶來的開溝壓力需求時，限深輪脫離地面，播種深度均勻性將無法保證；反之，超出需求時，限深輪過度壓實地表，影響后期種子出苗。結(jié)合式(2)，當(dāng)?shù)孛嫫鸱騿误w自重發(fā)生變化時，四連桿角度和單體對地下壓力隨之改變，土壤開溝和壓實作用力發(fā)生變化，假設(shè)作業(yè)土壤特性一致，則同樣影響播種深度。

為保證穩(wěn)定的播種深度和適宜的播種壓實力，本系統(tǒng)通過在單體四連桿處安裝氣囊，對四連桿施加額外力，為單體提供一個豎直方向的補償力，一方面滿足地表殘茬覆蓋下破茬和開溝需要，保證穩(wěn)定的開溝深度，另一方面減小開溝器對限深輪作用力的分?jǐn)傋饔?，使限深輪和?zhèn)壓輪始終貼緊并壓實土壤，營造一個“上松下實”的種溝環(huán)境，減少落種跳動，利于蓄水保墑，保證種子后期發(fā)育。

1.3 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由氣壓驅(qū)動裝置、四連桿傾角傳感器、數(shù)據(jù)采集控制卡等組成。

圖2 系統(tǒng)組成Fig.2 System components

1.3.1氣壓驅(qū)動裝置

氣壓驅(qū)動裝置包括氣泵、單向閥、氣罐、油液分離器、電氣比例閥、氣囊以及相應(yīng)的溫度、壓力傳感器等，如圖2所示。其中，氣泵作用是產(chǎn)生高壓空氣，并經(jīng)單向閥存入氣罐中，在電氣比例閥的控制下，將一定壓力的空氣輸入氣囊。同時，為保證比例閥工作性能，在比例閥與氣罐之間裝有油液分離器(AFC-2000型，亞德客國際集團(tuán))，壓力范圍0.05～0.9 MPa，以過濾氣體中的水分。在空壓機和氣罐后安裝溫度傳感器和壓力傳感器(CS-PT1100型，西安中星測控有限公司)，實時監(jiān)測氣泵作業(yè)溫度和氣壓以及氣罐內(nèi)部氣壓。其中，溫度傳感器量程0～200℃，精度0.2%(FS)，壓力傳感器量程0～1.0 MPa，測量精度1.0%(FS)，兩者輸出信號均為4～20 mA。當(dāng)氣泵溫度或氣罐內(nèi)部氣壓超過安全范圍時，通過控制固態(tài)繼電器(MGR-1 DD220D60型，美格爾電子有限公司)斷開來關(guān)閉氣泵，保證了裝置使用安全性和可靠性，其中繼電器最大負(fù)載電流60 A，控制電壓3～32 V DC。

(1)氣泵選型和氣罐設(shè)計

為保證裝置穩(wěn)定可靠的工作性能，選用深圳市德平國瀚汽車電子科技有限公司的DOWN D444型工業(yè)用電動氣泵，工作電壓12 V DC，工作電流23 A，工作壓力為1.5 MPa，工作溫度為-40～80℃，長時間作業(yè)性能可靠。同時，對氣泵進(jìn)行了充氣速度試驗以測試氣泵啟停時間間隔。結(jié)果顯示，對20 L氣罐滿負(fù)荷充氣情況下，充氣時間為5.5 min。

氣罐設(shè)計直徑為225 mm，長度580 mm，容積約為23 L，材質(zhì)為不銹鋼。同時在氣罐上下對稱方向焊接支架，便于固定安裝。此外，氣泵支架上安裝有不銹鋼控制箱，內(nèi)部安裝氣泵、電氣比例閥、信號采集控制模塊及相關(guān)傳感器等部件，實現(xiàn)播種作業(yè)過程中相關(guān)硬件的防水防塵。

(2)氣囊和電氣比例閥選型

由裝置工作原理可知，通過調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)部氣壓，進(jìn)而改變氣囊作用力，可實現(xiàn)對播種下壓力的控制。其中，氣囊作用力公式為

FAS=pA×106

(6)

式中A——氣囊端蓋面積，m2

p——氣囊內(nèi)部氣壓，MPa

對氣囊而言，氣壓作用面積即氣囊端蓋面積，即

A=πd2/4

(7)

式中d——氣囊端蓋直徑，m

由式(6)、(7)可得氣囊作用力

FAS=25pπd2×104

(8)

玉米播種作業(yè)時，其播種下壓力參照文獻(xiàn)[23]選取為2 000 N，為此設(shè)定單體對地下壓力FD=2 000 N，測量空載下播種單體質(zhì)量約為80 kg，即G=800 N，由式(2)可知，不考慮橫梁對四連桿牽引力影響，則四連桿對單體作用力F′約為1 200 N，即在氣囊作用下，單體獲得額外下壓力約為1 200 N。假設(shè)四連桿水平，L1=2L2，則FAS≈2F′=2 400 N。經(jīng)過篩選，最終選用青島歐美亞橡膠工業(yè)有限公司生產(chǎn)的A180型車用氣囊，直徑74 mm，工作行程為131 mm。由氣囊作用力公式(8)計算可知，在0.6 MPa氣壓作用下，氣囊向下作用力為2 580 N，滿足設(shè)計需求。

參照氣罐的最大安全工作壓力0.72 MPa，設(shè)定本系統(tǒng)工作氣壓范圍為0～0.6 MPa。電氣比例閥選用FESTO公司VPPM系列比例閥，其工作氣壓范圍0～1.0 MPa，控制信號4～20 mA，控制精度1%(FS)，用于根據(jù)給定的氣壓設(shè)定值，按比例調(diào)節(jié)輸出氣壓。其所配備的集成式壓力傳感器可檢測輸出口氣壓，并將其與設(shè)定值進(jìn)行比較，實現(xiàn)壓力的閉環(huán)控制，保證輸出氣壓的穩(wěn)定。

1.3.2傾角傳感器

播種作業(yè)過程中，仿形四連桿會隨著地表起伏而上下波動，造成作用于單體的下壓力變化，為建立準(zhǔn)確壓力控制模型，本文選用深圳維特智能科技有限公司的SINVT-232型高精度電壓型傾角傳感器，通過將傳感器固定在仿形四連桿上臂來測其相對機架水平面擺動角度。傳感器支持0～5 V模擬量輸出，角度測量范圍為-90°～90°，分辨率為0.01°，響應(yīng)時間為0.01 s。

對傾角傳感器進(jìn)行固定安裝，保證傳感器在四連桿上浮輸出角度為正，下沉輸出角度為負(fù)。同時，在實際使用之前，需對傳感器進(jìn)行試驗標(biāo)定。通過手動測量四連桿上臂相對機架垂直面夾角，算出四連桿水平傾角，并記錄傳感器信號輸出值。最終建立輸出信號值與實際四連桿傾角之間關(guān)系模型為

α=36U-70.52

(9)

式中U——傾角傳感器輸出信號值，V

1.3.3軸銷下壓力傳感器

為保證限深輪下壓力的穩(wěn)定控制，需對限深輪下壓力進(jìn)行實時檢測。參照國內(nèi)外文獻(xiàn)可知，基于限深輪壓力傳感器的測力方式檢測可靠、通用性強，如圖3所示。

圖3 壓力傳感器安裝示意圖Fig.3 Force sensor installation diagrams1.機架 2.傳感器固定片 3.軸銷傳感器 4.限深塊 5.限深臂 6.限深塊

圖3中，F(xiàn)W為地面對限深輪作用力，N；F1為限深塊對擺臂作用力，N；F′1為擺臂對限深塊作用力，其與F1大小相等，方向相反，N；F2為播深調(diào)節(jié)機構(gòu)對限深塊作用力，N；F3為軸銷對限深塊作用力，N；F3x、F3y分別為F3在水平和豎直方向分量，N；F′3y為限深塊對軸銷傳感器豎直方向反作用力，其與F3y大小相等，方向相反，N；F4為機架對軸銷作用力，N。圖3b為軸銷傳感器安裝剖視圖，通過傳感器固定片將軸銷傳感器固定在機架上，限制其作業(yè)時轉(zhuǎn)動，進(jìn)而保證豎直方向壓力檢測準(zhǔn)確性。

根據(jù)現(xiàn)有播種機結(jié)構(gòu)尺寸，替換限深塊擺動銷軸為軸銷傳感器，由軸銷傳感器豎直方向受力形變量來監(jiān)測限深塊對擺臂作用力，進(jìn)而獲得限深輪對地壓力。據(jù)前述設(shè)定單體對地下壓力FD=2 000 N，則限深輪垂直作用力FC最大為2 000 N，參照文獻(xiàn)[21]選型公式，考慮一定的安全系數(shù)，最終選擇蚌埠眾城傳感器有限公司生產(chǎn)的ZHZX-N18型軸銷傳感器，量程訂制為0～600 kg，精度為0.5%(FS)，搭配BSQ-8型壓力變送器，可實現(xiàn)0～5 V模擬量輸出。

由于軸銷傳感器與限深塊剛性接觸，作業(yè)中地表變化會帶來傳感器的碰撞和沖擊，造成傳感器輸出值波動較大，需對輸出值進(jìn)行濾波。文獻(xiàn)[21]采用的平滑濾波方式存在靈敏度低問題，影響反饋控制。為此本研究采用一階低通濾波方式對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，公式為

y(n)=ax(n)+(1-a)y(n-1) (0

(10)

式中x(n)——傳感器采樣值

y(n)——本次濾波輸出值

y(n-1)——上次濾波輸出值

a——濾波系數(shù)

濾波系數(shù)越小，濾波結(jié)果越平穩(wěn)，但靈敏度越低。綜合考慮靈敏度和平穩(wěn)度，本文所選濾波系數(shù)a=0.7。如圖4所示，對前期試驗獲取傳感器原始數(shù)據(jù)對比處理發(fā)現(xiàn)，一階低通濾波能及時跟進(jìn)數(shù)據(jù)變化，且能過濾較大數(shù)據(jù)波動，滿足控制需求。

圖4 壓力傳感器原始數(shù)據(jù)濾波處理結(jié)果Fig.4 Force sensor filtering

建立輸出信號值與實際限深輪壓力之間關(guān)系模型為

FW=845.4u-86.26

(11)

式中u——壓力傳感器輸出信號值，V

1.3.4數(shù)據(jù)采集控制卡

信號采集控制器選用北京聚英翱翔電子有限公司的JY-DAM0A02型采集控制模塊，7～30 V DC寬壓供電，通信接口支持RS485的標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議。模塊支持10路12位分辨率模擬量輸入和2路12位分辨率模擬量隔離輸出。對本設(shè)計而言，由于傳感器輸出信號的不同，需對采集卡采集控制電路進(jìn)行隔離變換，為此將現(xiàn)有采集卡10路模擬量輸入變換為4路4～20 mA模擬量輸入和6路0～5 V模擬量輸入，2路模擬量輸出變換為1路0～5 V模擬量輸出和1路4～20 mA模擬量輸出，其中0～5 V輸出用于控制固態(tài)繼電器。本系統(tǒng)主要涉及到控制器的查詢和控制指令，其中查詢返回指令的字節(jié)數(shù)根據(jù)查詢路數(shù)而定，默認(rèn)查詢?nèi)?0路數(shù)據(jù)，返回20個字節(jié)數(shù)據(jù)，每2個字節(jié)數(shù)據(jù)代表1路傳感器檢測值，由于返回值范圍為0～65 535，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中傳感器檢測的實際值等于返回值的0.001倍，如采集到12 000，則實際值12 mA。同理，模擬量的設(shè)置輸出值等于實際值的100倍，如設(shè)置輸出為5 V，則在輸出數(shù)值后寫入500。

1.4 軟件設(shè)計

1.4.1上位機界面設(shè)計

上位機界面采用美國國家儀器公司的LabVIEW系統(tǒng)開發(fā)軟件進(jìn)行編程開發(fā)，播種下壓力監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖5所示。在設(shè)定的采樣間隔時間下，采集卡采集氣壓驅(qū)動裝置相關(guān)傳感器信號，包括氣泵溫度、氣泵壓力、氣罐壓力和氣囊壓力，同時實時監(jiān)測播種作業(yè)過程中傾角傳感器監(jiān)測值和限深輪對地壓力。“校準(zhǔn)”按鈕可實現(xiàn)對單體四連桿傾角檢測值的自動校準(zhǔn)，以保證田間作業(yè)下傾角測量的準(zhǔn)確性和下壓力控制精度。

圖5 播種下壓力監(jiān)控界面Fig.5 Downforce control system interface

在播種下壓力設(shè)定上，設(shè)置兩種輸入方式，分為“手動”模式和“自動”模式。在手動模式下，軟件根據(jù)壓力調(diào)節(jié)范圍設(shè)置為“無壓力”、“低壓力”、“中壓力”和“高壓力”4種選項，用戶可根據(jù)需要選擇；在自動模式下，用戶可以根據(jù)經(jīng)驗輸入播種下壓力設(shè)定值，由軟件自動調(diào)節(jié)。考慮到不同土壤特性影響，作業(yè)時可以在手動模式下測試出適宜播種下壓力，再切換到自動模式下運行。此外，運用LabVIEW的圖表工具可以監(jiān)測各參數(shù)實時值，對歷史數(shù)據(jù)以表格形式導(dǎo)出保存，便于后續(xù)分析?！罢{(diào)節(jié)閾值”框方便用戶根據(jù)經(jīng)驗輸入調(diào)節(jié)閾值，根據(jù)前期試驗?zāi)J(rèn)設(shè)置為300 N，即當(dāng)壓力監(jiān)測值與設(shè)定值差值超過設(shè)定調(diào)節(jié)閾值時，軟件才啟動壓力調(diào)整，避免作業(yè)過程中下壓力的頻繁調(diào)節(jié)，影響電氣比例閥使用壽命，降低系統(tǒng)運行負(fù)荷。

1.4.2控制程序設(shè)計

整個程序控制流程如圖6所示。

圖6 程序控制流程圖Fig.6 Flow chart of control program

系統(tǒng)上位機與下位機數(shù)據(jù)采集卡采用串口通信，默認(rèn)通信參數(shù)為波特率9 600 b/s，8位數(shù)據(jù)，無校驗。對于系統(tǒng)中電氣比例閥而言，由于其接收4～20 mA電流控制信號控制比例閥開度，當(dāng)接收低于4 mA電流信號時，比例閥會報錯，需在控制系統(tǒng)啟動后，對比例閥輸出4 mA信號以進(jìn)行設(shè)備初始化。此外，為降低氣泵在未受監(jiān)控下運行帶來的安全隱患，軟件設(shè)置在只有“系統(tǒng)監(jiān)控”開關(guān)打開的情況下才會顯示“氣泵開關(guān)”按鈕，且只有在氣泵打開情況下才會進(jìn)行后續(xù)氣泵啟?？刂坪蛪毫φ{(diào)節(jié)功能，避免因氣罐氣壓不足而無法執(zhí)行壓力調(diào)節(jié)的情況，保證了裝置作業(yè)的安全性。

2 試驗與結(jié)果分析

試驗裝置選用河北中友機電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的2BFQ-6型氣力精密播種機單體，如圖7所示。搭建了播種單體壓力控制系統(tǒng)試驗臺，以進(jìn)行相關(guān)的測試試驗。為精確測量實際下壓力值，在升降架下放置TCS-300型無線便攜式電子秤(量程0～300 kg)，可實現(xiàn)稱量數(shù)據(jù)的無線傳輸。

圖7 測試試驗臺Fig.7 Testing bench1.氣囊 2.傾角傳感器 3.控制箱 4.蓄電池 5.軸銷傳感器 6.升降架 7.電子秤

2.1 模型建立和驗證

2.1.1模型建立

由于系統(tǒng)是通過對氣囊的控制來實現(xiàn)對地下壓力的改變，為實現(xiàn)下壓力的快速準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，減少響應(yīng)時間，有必要建立系統(tǒng)對地壓力控制模型。根據(jù)上述分析，選用氣囊壓力和四連桿傾角兩個因素進(jìn)行分析。由于氣囊有一定的工作行程，超出后氣囊處于拉伸狀態(tài)，壓力作用效果降低，而四連桿擺動角直接影響氣囊作用行程，根據(jù)氣囊行程和文獻(xiàn)[24]中地形坡度實際測量，選定四連桿角度測試范圍為-6°～6°，實測單體此時上下浮動高度約為120 mm，在氣囊作業(yè)行程范圍內(nèi)。由于氣囊工作壓力受限于氣罐和氣泵組合開關(guān)安全氣壓限制，選定測試范圍為0～0.6 MPa。在所選因素各自工作范圍內(nèi)等間距選取7個水平，對應(yīng)四連桿角度為-6°～6°，氣囊氣壓為0～0.6 MPa，進(jìn)行兩因素不同組合下的全面試驗，記錄電子秤實際顯示值，每組試驗重復(fù)3次，用于建立氣囊作用下壓力與氣囊氣壓和四連桿傾角之間關(guān)系模型。同時，為保證模型擬合的準(zhǔn)確性，在已選定的四連桿傾角和氣囊壓力因素水平下，實時采集記錄四連桿傾角和氣囊壓力，以及對應(yīng)的對地下壓力。為減小單體自重對控制模型的影響，每次調(diào)節(jié)四連桿傾角后對電子秤進(jìn)行去皮操作，以扣除升降架和單體質(zhì)量，獲得限深輪處實際壓力。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data

注：fA表示實際氣囊作用下壓力，N。

為方便數(shù)據(jù)處理，以及剔除數(shù)據(jù)量綱，需對氣囊壓力進(jìn)行歸一化處理，根據(jù)電氣比例閥量程調(diào)節(jié)范圍為0～1.0 MPa，可對氣壓進(jìn)行最小最大值標(biāo)準(zhǔn)化，同理，對四連桿角度進(jìn)行弧度變換，公式為

(12)

式中x——氣囊壓力變換值

y——四連桿傾角弧度值，rad

由表1可以看出，同一氣囊壓力下，四連桿傾角減小，實際播種下壓力也逐漸減小，結(jié)合式(2)，由于四連桿初始傾角逐漸減小造成支架橫梁對單體的向上牽引作用逐漸增強，抵消了氣囊對四連桿向下的作用，也造成了傾角變化范圍的縮小。對本研究而言，為減小限深輪變形對模型擬合的影響，提取表1中四連桿實時傾角和下壓力，運用Matlab軟件的數(shù)據(jù)擬合工具箱，選擇多項式逼近的擬合方式，建立基于氣囊壓力和四連桿傾角的氣囊播種下壓力控制模型。所得模型為

fc=63.07+1 339x-643.8y+7 216xy-11 520y2

(13)

式中fc——播種下壓力輸出值，N

2.1.2試驗驗證

為對模型控制準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證，在前述試驗基礎(chǔ)上，另設(shè)置6種四連桿傾角、6種氣囊壓力，記錄實際下壓力和模型預(yù)測值，如圖8所示，并添加y=x的實際下壓力線來觀察模型預(yù)測相關(guān)性。

由圖8看出，模型預(yù)測下壓力均勻分布于y=x直線附近，說明下壓力控制誤差較小。進(jìn)一步，統(tǒng)計試驗預(yù)測誤差絕對值最大為88.53 N，預(yù)測誤差絕對值平均為35.10 N，標(biāo)準(zhǔn)偏差為20.13 N。由圖8數(shù)據(jù)得出，模型預(yù)測均方根誤差為39.51 N，可以認(rèn)為模型具有較好的下壓力控制準(zhǔn)確性。

圖8 模型預(yù)測相關(guān)性分析Fig.8 Correlation analysis of downforce predict value and corresponding actual value

2.2 控制響應(yīng)測試

由于播種下壓力控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件主要為氣囊，其響應(yīng)特性可以代表系統(tǒng)的控制性能，本文在0.1～0.6 MPa的氣壓范圍內(nèi)選取6個壓力，對氣囊進(jìn)行充氣階躍響應(yīng)測試。為實時采集氣囊內(nèi)部氣壓反饋值，綜合考慮傳感器響應(yīng)時間限制和數(shù)據(jù)采集卡反饋速度，最終選擇數(shù)據(jù)采樣頻率為10 Hz，采樣時間為20 s，得到測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 氣囊控制階躍響應(yīng)測試結(jié)果Fig.9 Response test of single air-spring

從圖9看出，在不同氣壓設(shè)定下，氣囊充氣響應(yīng)快速且平穩(wěn)，較少出現(xiàn)大的振蕩，屬于衰減振蕩型響應(yīng)，按式(14)、(15)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到表2所示響應(yīng)結(jié)果，包括響應(yīng)超調(diào)量(σp)、穩(wěn)態(tài)誤差(ess)和調(diào)節(jié)時間(Ts)。其中，調(diào)節(jié)時間為達(dá)到穩(wěn)態(tài)值5%誤差范圍內(nèi)所需時間。超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差計算公式為

(14)

ess=y(∞)-pt (15)

式中tp——峰值時間，s

y(tp)——峰值，MPa

y(∞)——穩(wěn)態(tài)值，MPa

pt——目標(biāo)設(shè)定值，MPa

由表2看出，在氣壓0～0.3 MPa設(shè)定范圍內(nèi)，氣囊響應(yīng)調(diào)節(jié)時間最短，為0.3 s；之后，調(diào)節(jié)時間隨著設(shè)定氣壓增大而增大，當(dāng)設(shè)定氣壓為0.6 MPa時調(diào)節(jié)時間最長，為0.7 s。而穩(wěn)態(tài)誤差也與設(shè)定氣壓呈正相關(guān)，最小為0.002 6 MPa，最大為0.007 9 MPa。相較而言，響應(yīng)超調(diào)量與設(shè)定氣壓值無關(guān)，系統(tǒng)最大超調(diào)量為4.97%?？紤]到實際作業(yè)過程中，較少出現(xiàn)0.6 MPa的階躍調(diào)節(jié)，大多是在一定范圍內(nèi)微調(diào)，本文取不同設(shè)定氣壓下相關(guān)參數(shù)均值來表征系統(tǒng)控制性能，即平均調(diào)節(jié)時間0.42 s，平均穩(wěn)態(tài)誤差為0.005 2 MPa，平均超調(diào)量為3.83%。為保證系統(tǒng)程序控制的穩(wěn)定性，最終選取0.5 s為播種下壓力控制系統(tǒng)采樣間隔時間，并在程序中設(shè)置500 ms為默認(rèn)值。

2.3 田間試驗

2.3.1試驗條件

為測試系統(tǒng)在不同作業(yè)速度下播種深度控制性能，于2019年4月在河北省石家莊市趙縣趙州鎮(zhèn)南姚家莊村光輝農(nóng)業(yè)機械服務(wù)專業(yè)合作社(116°16′E，39°56′N)進(jìn)行田間試驗。試驗地塊長180 m，寬20 m，土壤機械組成(參考國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn))為黏粒占3.0%、粉粒占62%、沙粒占35%。由于黃淮海地區(qū)玉米高產(chǎn)栽培農(nóng)藝要求播種深度為5～6 cm，墑情較好粘土地一般為4～5 cm[21]，本試驗設(shè)定播種深度為5.0 cm，并采用五點取樣法測得試驗區(qū)域地表下5 cm土壤溫度23.32℃，相對濕度為22.01%(RS-ECH-I20型溫濕度計測量，山東仁科測控技術(shù)有限公司)，10 cm下土壤堅實度為5.5 kg/cm2(TJSD-750-IV型土壤緊實度儀測量，浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司)。如圖10所示，在現(xiàn)有加裝系統(tǒng)的播種單體基礎(chǔ)上，增加原有機械式調(diào)節(jié)單體，行距60 cm，以測試不同下壓力調(diào)節(jié)方式下播種深度控制性能。將兩行單體通過橫梁固定在拖拉機三點懸掛上，保持三點懸掛處于浮動狀態(tài)。考慮到氣囊反作用力會改變橫梁高度，進(jìn)而影響實際作用力，試驗時在橫梁兩側(cè)各增加負(fù)載約70 kg。

圖10 田間試驗Fig.10 Field test of control system1.機械控制單體 2.鋼直尺 3.測深擋板 4.主動控制單體 5.氣壓驅(qū)動裝置 6.車載計算機

將所選試驗地塊均分為3個區(qū)塊，采用不同車速(6、8、10 km/h)進(jìn)行田間作業(yè)。實際作業(yè)時，使用拖拉機GPS測速，控制車速處于5～7 km/h、7～9 km/h和9～11 km/h 3個區(qū)間內(nèi)。同時，為保證測區(qū)內(nèi)拖拉機速度穩(wěn)定，在試驗區(qū)域前后預(yù)留出了足夠距離供拖拉機加減速。

為簡化試驗，沒有進(jìn)行播種作業(yè)，以開溝深度等效評價播種深度控制效果，以限深輪與地表接觸壓實面距溝底高度為開溝深度，試驗前調(diào)校預(yù)設(shè)開溝深度為50 mm，同時拆除覆土輪以減小覆土作業(yè)，便于開溝深度測量。待機具作業(yè)后，在試驗區(qū)域內(nèi)間隔1 m，總長100 m范圍內(nèi)進(jìn)行不同調(diào)節(jié)方式和速度下深度測量，為減小種溝兩側(cè)地表高度差異帶來的測量誤差，選取種溝中心高度作為播種深度，方式如圖10所示。根據(jù)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1768—2009《免耕播種機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》中合格播種深度(h±10) mm的判定標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定本試驗40～60 mm為合格播種深度。各參數(shù)計算公式為

(16)

(17)

(18)

(19)

式中η——播種深度合格率，%

n——播種深度合格數(shù)

N——播種深度測量點總數(shù)

hi——播種深度測量值，mm

Sh——播種深度標(biāo)準(zhǔn)差，mm

Vh——播種深度變異系數(shù)，%

2.3.2結(jié)果分析

測量播種深度數(shù)據(jù)如圖11所示。提取圖中8、10 km/h速度虛線框之外數(shù)據(jù)，加上6 km/h下播種深度數(shù)據(jù)，分析結(jié)果如表3所示。

圖11 不同下壓力調(diào)節(jié)方式和速度下播種深度Fig.11 Sowing depth with different downforce control modes at different speeds

從表3可以看出，不同車速作業(yè)下，主動調(diào)節(jié)方式的播種深度平均值相差不大，與設(shè)定播種深度最大誤差出現(xiàn)在10 km/h車速下，為0.42 mm。與之相比，機械調(diào)節(jié)方式下播種深度平均值最大誤差為4.48 mm，參照播種深度合格率可以看出，主動調(diào)節(jié)方式下播種深度穩(wěn)定性較好，合格率變化較小，不小于98.91%，而機械調(diào)節(jié)方式下，播種深度合格率隨車速升高有逐漸降低趨勢，其中最小合格率出現(xiàn)在車速10 km/h處，僅為86.96%。由播種深度標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)看出，主動調(diào)節(jié)方式下，10 km/h作業(yè)時播種深度數(shù)值波動較大，此時標(biāo)準(zhǔn)差為3.46 mm，變異系數(shù)為6.97%。機械調(diào)節(jié)方式下，車速增加帶來標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的增大，最大標(biāo)準(zhǔn)差為6.70 mm，變異系數(shù)為13.07%，即播種深度穩(wěn)定一致性降低，而在低速(6 km/h)情況下，不同調(diào)節(jié)方式區(qū)別較小，且機械調(diào)節(jié)下播種深度穩(wěn)定性效果甚至優(yōu)于主動調(diào)節(jié)方式。然而，從6～10 km/h車速范圍來看，主動調(diào)節(jié)方式下的播種深度各個參數(shù)均相對穩(wěn)定，差異較小，體現(xiàn)了氣動下壓力調(diào)節(jié)方式對播種深度穩(wěn)定一致性調(diào)節(jié)的較優(yōu)性能，實現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計目的。

表3 田間試驗測試結(jié)果Tab.3 Field test results

對圖11虛線框數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在8、10 km/h車速下，機械調(diào)節(jié)和主動調(diào)節(jié)方式分別出現(xiàn)了一段差異較大的播種深度數(shù)據(jù)，其顯著低于前后測量數(shù)據(jù)。對照查看試驗場地發(fā)現(xiàn)，拖拉機作業(yè)轉(zhuǎn)向造成地頭一段距離內(nèi)地表為輪胎所壓，土壤緊實度增加，當(dāng)單體開溝圓盤作業(yè)通過時，設(shè)定播種下壓力無法提供更大開溝深度，造成播種深度減小，如圖12a所示。此外，在10 km/h車速下發(fā)現(xiàn)，存在異常播種深度峰值，最高達(dá)79 mm，異常數(shù)據(jù)的出現(xiàn)是由于溝底緊實度小，存在土壤縫隙，造成播種深度測量值的增大(圖12b)。由此看出，播種作業(yè)過程中，拖拉機輪胎軌跡對播種深度合格率影響較大，實際工作時，應(yīng)盡量將單體安裝布置在輪胎軌跡以外，以減小輪胎壓痕對播種深度的影響。

圖12 田間播種深度測量Fig.12 Sowing depth measurement

3 結(jié)論

(1)采用氣動式播種下壓力控制方式，提出一種基于氣囊壓力和仿形四連桿傾角的播種下壓力控制方法，采用一階濾波算法實現(xiàn)軸銷傳感器數(shù)據(jù)較優(yōu)濾波，設(shè)計了相應(yīng)的氣動式下壓力監(jiān)控系統(tǒng)。

(2)使用搭建的播種下壓力控制試驗平臺，在不同氣囊壓力和四連桿傾角設(shè)置下，記錄氣囊作用下壓力，建立了壓力控制模型，模型校正系數(shù)為0.974 3，均方根誤差為49.41 N，預(yù)測均方根誤差為39.51 N，說明基于所提方法建立的模型具有較高的播種下壓力控制準(zhǔn)確性；氣囊響應(yīng)測試表明，在0.1～0.6 MPa壓力設(shè)定下，氣囊充氣階躍響應(yīng)平均超調(diào)量3.83%，平均穩(wěn)態(tài)誤差0.005 2 MPa，平均調(diào)節(jié)時間0.42 s，滿足作業(yè)需求。

(3)田間性能測試結(jié)果表明，在6～10 km/h作業(yè)速度范圍內(nèi)，氣動下壓力調(diào)節(jié)方式對播種深度具有穩(wěn)定可靠的控制性能，系統(tǒng)播種深度合格率不小于98.91%，特別在高速時，其播種深度標(biāo)準(zhǔn)差為3.46 mm，變異系數(shù)為6.97%，顯著優(yōu)于被動彈簧式下壓力調(diào)節(jié)方式。此外，研究了車輪壓痕對播種深度的影響，為播種機單體的安裝布局提供參考，為實現(xiàn)精密播種作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。