電控玉米排種系統設計與試驗

張春嶺 吳 榮 陳黎卿

(1.安徽農業大學工學院， 合肥 230036； 2.華中農業大學工學院， 武漢 430070)

電控玉米排種系統設計與試驗

張春嶺1,2吳 榮1陳黎卿1

(1.安徽農業大學工學院， 合肥 230036； 2.華中農業大學工學院， 武漢 430070)

傳統精量玉米播種機作業時，排種器的動力由地輪提供，針對由于田間作業工況復雜導致地輪打滑而造成漏播率增加等問題，設計了電控玉米排種系統。該系統在田間播種作業時，由雷達測速儀采集播種作業速度，結合所需粒距得到排種器理論轉速；通過編碼器采集排種器實時轉速，利用控制器控制策略，進行轉速的最優控制，從而得到目標排種轉速，提高排種精度。田間試驗結果表明：應用該電控排種系統進行田間玉米播種作業時，排種合格指數平均值為92.40%，與傳統排種相比提高3.63個百分點；漏播指數平均值為4.82%，與傳統排種相比降低2.04個百分點；不同播種作業工況下粒距變異系數均小于4.20%，播種效果好。

精量玉米播種機； 電控； 排種系統

引言

目前，玉米精量播種作業中多采用機械式排種器[1]，但其動力常由地輪提供，由于田間作業工況復雜，地表不平整等易造成地輪打滑，從而增加漏播率[2-5]。國內外對機械式玉米排種器的研究主要集中于結構設計和性能參數優化[6-9]，并未從根本上解決由地輪打滑帶來的漏播率增加問題。氣力式排種器雖然對種子損傷小、充填效果好，但其適宜于大豆等圓形類種子的播種，在播種玉米時漏播率和動力消耗都較大，特別是在地頭時由于風機轉速不夠、氣壓不足，漏播現象更嚴重；而且其結構復雜，價格昂貴，使其推廣使用受到限制[10-12]。

近些年，農業機械控制系統的控制策略主要依據PID控制算法[13-15]，但大部分都集中于精準施肥控制器上，且模糊算法使用居多，而在精準排種器上的研究較少[16-23]。

針對以上問題，本文設計一款電控排種系統。該系統應用雷達測速儀采集播種作業速度，采用無刷直流電動機作為排種器的動力源，基于遺傳算法整定PID參數，使得排種器旋轉速度與播種作業速度保持同步，從而提高排種精度，并實現精準排種的最優控制。

1 電控排種系統作業原理

電控排種系統作業原理框圖如圖1所示。排種作業時，由雷達測速儀檢測播種實時作業速度，將其與輸入株距聯合計算得到排種器理論轉速；同時，由旋轉編碼器檢測排種器實時轉速。控制決策系統將排種器理論轉速和排種器實時轉速作為輸入量，通過遺傳算法對PID參數進行整定，得到排種器目標轉速，然后調節控制器輸出相應的PWM占空比，進而調節施加在電動機電樞兩端的平均電壓，達到調節電動機轉速、實現精密排種的目的。

圖1 電控排種系統作業原理框圖Fig.1 Schematic of electronic control seeding system

2 電動機調速系統數學模型

2.1 播種作業速度與排種器轉速的關系

選擇玉米勺輪式排種器為研究對象，設有m個種勺，則相鄰2粒種子的落地時間差為

(1)

式中 Δt——相鄰2粒種子落地時間差，sn——排種盤轉速，r/min

株距為

(2)

式中Z——玉米株距，mmv——拖拉機行走速度，km/h

本次設計中m=18，代入式(2)可得

(3)

2.2 電動機調速系統傳遞函數

電控排種系統主要是實現電動機轉速的控制，實際上也是一個無刷直流電動機的控制系統。假設電動機在理想狀態下進行工作，由電動機學理論可得無刷直流電動機的微分方程式為[24-26]

(4)

式中Td——電磁時間常數Tm——機電時間常數n1——電動機轉速Ce——電動機反電動勢系數U0——電樞電壓

對式(4)進行拉氏變換，得電動機的傳遞函數為

(5)

選用80系列無刷直流電動機，其主要參數為：Tm=0.9 s，Td=8.1 ms，Ce=11.7 V/(r/min)，代入式(5)后可得

(6)

3 控制器控制策略

3.1 基于Ziegler-Nichols階躍響應法的PID參數整定

控制系統的設計關鍵是實現對電動機的控制，所以電動機的傳遞函數即系統的傳遞函數。通過Matlab中的Ziegler-Nichols程序得到系統傳遞函數的根軌跡圖形，如圖2所示。

圖2 電動機調速系統傳遞函數根軌跡圖形Fig.2 Root locus graph of motor speed system transfer function

由圖2可得開環增益Zm=21.057 dB，穿越頻率Wm=84.96 Hz。根據PID整定公式得

(7)

式中KP——比例系數KI——積分系數KD——微分系數

將式(7)的3個參數分別輸入系統PID控制器的Simulink模型中，得仿真結果如圖3所示。

圖4 控制系統Simulink模型Fig.4 Simulink model of control system

圖3 由Ziegler-Nichols階躍響應法整定PID參數的仿真結果Fig.3 Simulation results of PID parameters by Zieglor-Nichols step response method

由仿真結果可以看出，應用Ziegler-Nichols階躍響應法整定的PID參數雖然能使控制系統趨于穩定，但超調量大，所以仍需對PID參數進行優化整定。遺傳算法可以在初始條件選擇不當的情況下，仍能尋求合適的參數，而且避免了大量的專家經驗和知識庫整理工作，因此本文應用遺傳算法對PID參數進行優化。

3.2 遺傳算法的PID參數優化整定

由Ziegler-Nichols階躍響應法整定的PID參數確定遺傳算法中PID參數KP、KI、KD的取值范圍分別為[0，20]、[0，350]、[0，1]，采用二進制編碼方式對3個參數進行編碼。為了避免超調，采用了懲罰功能，最優指標函數選為

(8)

式中w1、w2、w3、w4——權值，且w4?w1e(t)——系統誤差u(t)——控制器輸出ey(t)——兩次采樣時間間隔系統輸出誤差

tu——上升時間

建立控制系統的Simulink模型如圖4所示。本次設計中，遺傳算法各參數取值為：w1=0.999，w2=0.001，w3=1，w4=100，種群規模N=30，交叉概率Pc=0.9，變異概率隨機且小于0.5。

經過100代進化后，代價函數J-1的優化過程如圖5所示。優化后可得各參數如下：J-1=5.046 2，KP=1.289 4，KI=0.769 2，KD=0.002。將優化后的PID參數代入Simulink模型中進行仿真，得到由遺傳算法整定的PID參數的仿真曲線如圖6所示。由仿真結果可得，將遺傳算法整定的PID參數應用于電控排種器控制，系統無超調，通過軟件中的坐標標識可得調節時間為0.25 s。

圖5 代價函數J-1的優化過程Fig.5 Cost function J-1 optimization process

圖6 遺傳算法整定的PID參數仿真結果Fig.6 Simulation results of PID parameters based onLJ optimal algorithm

4 控制系統設計

4.1 硬件設計

控制系統主要由硬件和軟件組成，其中硬件主要由電源模塊、信號采集模塊、控制模塊、電動機驅動模塊、排種執行模塊和人機交互模塊組成。其中電源模塊在田間試驗時采用逆變器將拖拉機自帶電源的12 V轉換為48 V供控制系統使用；電動機驅動模塊中，由于電動機轉速過高，設計時根據排種器作業轉速限制選用速比為40的減速器；為便于排種器、電動機、減速器和編碼器的安裝，設計時對排種軸進行了改進，安裝方式如圖7所示；信號采集模塊中，應用雷達測速儀的多普勒效應，通過采集發射與接收的頻率差來檢測播種作業速度，其安裝方式如圖8所示。硬件配置表和控制系統電路圖分別如表1和圖9所示。

圖7 排種執行模塊Fig.7 Metering executable module

圖8 雷達測速儀安裝方式Fig.8 Installation mode of radar speed device

設備名稱規格型號雷達測速儀美國帝強RadarIII編碼器38T8G524E1000BL1T2m電動機驅動器直流無刷驅動器ZM6615顯示屏TFTLCDILI9341在線調試器STLINKV2電壓轉換模塊XW36481260W開關式直流穩壓器電平信號轉換器HCPL2630雙通道邏輯輸出光電耦合器

圖9 控制系統電路圖Fig.9 Circuit diagram of control system

4.2 軟件設計

控制系統軟件設計選用Keil μ Vision 5作為開發環境，應用C語言進行編程，系統控制流程圖如圖10所示。

圖10 控制系統流程圖Fig.10 Flow chart of control system

圖11 田間試驗Fig.11 Field experiment

5 試驗與結果分析

5.1 控制精度性能試驗

試驗材料選用中單909玉米雜交種，試驗在安徽農業大學工學院試驗田進行，整機實物圖和田間試驗如圖11所示。試驗地塊長20 m，每次試驗采集平穩作業后的60個數據，重復3次，結果取平均值。以不同作業工況下的排種器理論轉速和實時轉速為檢測對象，比較兩者之間的差值大小，作為控制精度。試驗結果如圖12所示。

圖12 不同作業工況下機具部分運動參數變化曲線Fig.12 Variation curves of machine’s some motion parameters in different driving cycles

圖12中的PWM值表示在0～900范圍內調節細分數從而實現調節占空比由0～1的變化。以排種器理論轉速和實時轉速為分析對象，分析結果見表2。由圖13和表2可以看出，在播種作業開始和停止階段，排種器理論轉速和實時轉速偏差較大；當播種作業于穩定階段時，平均誤差的最大值為8.02%，最小值為2.32%，控制精度高；各播種作業工況中，以中高速行駛(8 km/h

表2 不同作業工況下排種器理論轉速和實際轉速誤差Tab.2 Analysis of theoretical speed and actual speed of metering device in different driving cycles

圖13 電控播種和傳統播種在不同作業工況下的合格指數平均值對比Fig.13 Comparison of average qualified index under different working conditions by electronic control and traditional sowing

5.2 排種性能試驗

試驗參照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，選擇合格指數、重播指數、漏播指數和粒距變異系數為排種性能指標。試驗統計結果如表3所示。

由圖13和圖14可以看出，應用該電控排種系統進行田間玉米播種作業時，排種合格指數平均值為92.40%，與作者前期對傳統排種研究的合格指數88.77%相比提高3.63個百分點[27]；漏播指數平均值為4.82%(除去個別由田間復雜工況出現的突變情況外)，與作者前期對傳統排種研究的漏播指數6.86%降低2.04個百分點。

由圖15和圖16可以看出，當遞種起始角為29°時，應用該電控排種控制系統在中高速播種作業下效果較其它作業工況差；但所有播種作業工況下粒距變異系數均小于4.2%，播種效果好。

表3 不同作業工況和不同遞種起始角下的排種性能統計結果Tab.3 Statistic results of seed performance under different working conditions and different start delivery angles

圖14 電控播種和傳統播種在不同作業工況下的漏播指數平均值對比Fig.14 Comparison of average miss index under different working conditions by electronic control and traditional sowing

6 結論

(1)針對現有播種控制系統設計時存在的速度采集誤操作問題和精準農業要求，設計了一款電控排種器，建立了相應的傳遞函數與Simulink模型，并基于遺傳算法進行了PID參數的整定和控制器設計，提高了控制精度。

圖15 不同遞種起始角與不同播種作業工況下的排種合格指數Fig.15 Sowing qualified index under different working conditions and different start delivery angles

圖16 不同遞種起始角與不同作業工況下的粒距變異系數Fig.16 Maize distance variation coefficient under different working conditions and different start delivery angles

(2)試驗結果表明，應用該電控排種系統進行田間玉米播種作業時，排種合格指數平均值為92.40%，與傳統排種相比提高3.63個百分點；漏播指數平均值為4.82%，與傳統排種相比降低2.04個百分點；不同播種作業工況下的粒距變異系數均小于4.20%，播種效果好。

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Design and Test of Electronic Control Seeding System for Maize

ZHANG Chunling1,2WU Rong1CHEN Liqing1

(1.SchoolofEngineering,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036,China2.CollegeofEngineering,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China)

When the traditional maize seeder works in the field, the power of seed metering device comes from ground steel. Aiming at the problem that the field conditions are so complicated that the ground steel will skid easily, then the miss index will be increased, an electronic maize sowing control system was designed. The police traffic radar collected the sowing operation speed when the sowing was started, then the control system will calculate the seed metering device rotational speed combined with the theoretical particle distance. The rotary encoder collected the seed metering device rotational speed, then the controller would process speed based on control strategy and obtained the last speed. The optimal process of control strategy can improve the accuracy. The results of the field test showed that when the electronic control seed metering device was working in the field, the average qualified index was 92.40%, which was increased by 3.63 percentage points compared with the traditional sowing. The average miss index was 4.82% and it was reduced by 2.04 percentage points compared with the traditional sowing. The variability of seed-spaces was less than 4.20% and the sowing effects were much more than the national standard. When the speed of sowing was more than 10km/h, the effects was worse than other cases, therefore some improvement on the structure to improve the accuracy. The design of the electronic control maize seed metering device provided some definite reference for study of sowing control system.

precision maize planter; electronic control; seeding system

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.02.007

2016-06-29

2016-10-08

農業部公益性行業專項(201503136)和安徽省科技攻關項目(1501031104)

張春嶺(1989—)，男，助教，華中農業大學博士生，主要從事精細農業理論技術與裝備研究，E-mail： ZCL158967592@163.com

陳黎卿(1979—)，男，教授，博士，主要從事玉米播種和秸稈處理類機械設計研究，E-mail： lqchen@ahau.edu.cn

S223.2

A

1000-1298(2017)02-0051-09