苗間除草部件入土深度PID自動控制系統設計與臺架試驗

韓 豹，楊亞楠，王宏偉，范 偉

（1. 東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030；2. 綏化市北林區農機推廣站，綏化 152053；3. 哈爾濱市農機推廣站，哈爾濱 150031）

0 引 言

東北大豆作物采用壟作雙行種植模式，一般每公頃保苗32～38萬株，農田雜草是東北大豆早期生長階段最主要災害之一[1-2]。尤其是大豆出苗后，地表覆蓋率小、溫升快，土壤易板結，雜草滋生快，嚴重危害大豆幼苗生長發育。因此，大豆出苗后，疏松苗間表土、除掉幼草，是大豆保苗增產提質的重要措施。當前，機械除草被視為作物生長初期最經濟有效的非化學除草方法[3-6]。但是，苗間機械除草作業一直存在傷苗率和埋苗率偏高問題亟待解決[5-12]。

研究表明，苗間除草部件入土深度控制不可靠是導致上述問題的重要原因之一[9-12]。國內外相關苗間機械除草裝置的研究成果頗多、形式多樣，然而受到壟上秧苗等因素的限制，針對部件入土深度的控制普遍通過限深輪相對行間地表進行控制。因受壟高一致性、土壤特性和除草機構質量等因素的影響，部件入土深度很難穩定控制在期望松土深度范圍內。當松土過深時，不僅易損傷秧苗根須，甚至將秧苗連根除掉，而且攪動表土層過厚，導致埋苗；反之，苗間除草效果差且易損傷秧苗莖葉。因此，針對苗間機械除草部件入土深度更加穩定、可靠的控制系統研究十分必要與迫切。

當前，國內外對苗間除草機構（裝置）的研究比較多[12-18]，而針對機械除草部件在苗間入土深度穩定控制的文獻較少。相關研究文獻主要有蔡國華等設計的基于ATmega128單片機的開溝深度控制系統試驗臺，用于模擬播種機開溝深度過深與過淺時的穩態響應過程以及地表高低起伏時的動態響應過程[19]；Weatherly等研制了一種播種機播種深度自動控制系統[20]；Saeys等對泥漿和施肥深度自動控制系統進行研究[21-22]；S?gaard對指盤式除草機作業部件入土深度自控系統進行研究[23]；Linden等研究了一種檢測除草部件工作深度的激光傳感器[24]；梁麗娜針對水稻種子帶育秧設備種子封固系統設計了下紙帶勻速進給控制系統，通過超聲波所測到紙帶的距離變化對驅動紙帶的步進電機進行實時調速控制[25]；李君等設計了一種懸掛式電動柔性疏花機，利用超聲波探測方法，開發了嵌入式仿形疏花控制系統[26]；譚祖庭等利用超聲波傳感器對種層厚度進行實時檢測與播種量自動控制[27]；陳進等設計了一種基于PID控制算法的梳脫臺高度調節自動控制系統，采用超聲測距的方法來檢測收獲作物的高度，使梳脫臺按照作物高度的變化進行自動調節[28-29]。

本文在已有研究基礎上[10-12]，基于超聲測距技術，設計了一種苗間機械除草部件入土深度自動控制系統，建立了除草機構（部件）升降調節液壓系統的數學模型，采用PID控制算法在Matlab/Simulink中對模型進行了仿真和校正，結合研制的梳齒式苗間除草機構對該控制系統進行了臺架試驗，以期獲得比較理想的控制效果。

1 臺架組成及深度控制原理

1.1 臺架組成和主要技術參數

苗間機械除草部件松土深度自動控制系統臺架是在東北農業大學工程學院割前摘脫試驗臺[30-31]基礎上建立起來的，結構如圖 1所示。主要由支撐臺、移動土槽、傳動系統、控制臺、液壓系統、松土深度自動控制苗間機械除草單體和支架等組成。臺架主要技術參數如表 1所示。

圖1 苗間機械除草部件入土深度自動控制系統臺架Fig.1 Bench for automatic control system of depth into earth for intra-row mechanical weeding components

表1 臺架主要技術參數Table 1 Main technical parameters of bench

其中松土深度自動控制苗間機械除草單體為臺架的核心部分，由深度控制系統和機械除草單體所構成。前者包括超聲波測距模塊、控制器和驅動板；后者通過 U形螺栓與臺架支架橫梁連接，其結構構成如圖 2所示，主要包括單體架、苗間仿形臺（滑橇、連桿和平臺等）、深度調節機構（單體架連接座、四連桿）以及由梳齒和梳齒盤構成的苗間除草機構等。

試驗時，首先將松土深度h調至30 mm，將此時平臺5到延長架6下表面間距作為深度控制系統的設定值L0。當除草單體相對土槽向左以一定速度移動時，梳齒盤帶動梳齒繞其軸以角速度ω旋轉，采用PID控制的控制系統將實時檢測的平臺至延長架下表面的距離 L與設定值L0相比較，并將二者之差轉換成控制信號控制液壓系統中油缸工作，使深度調節機構相應調整苗間除草機構升降，實現松土深度自動調整。

圖2 松土深度自動控制苗間機械除草單體結構Fig.2 Structure of intra-row mechanical weeding monomer with automatic control system for loosening depth

1.2 控制原理

苗間除草機構與單體架連接，除草部件（梳齒）入土深度取決于單體架距地表高度。理想除草作業狀態為穩定維持這一高度在很小范圍內變化。本文由位于單體延長架下表面的超聲波集成模塊實現單體架距地表高度的測量。超聲測距技術在農業領域有著廣泛應用，但是超聲波測距不具備分辨苗、草及土壤的能力[32-33]。為避免壟表苗、草等對超聲波測距的影響，設計了一個由滑橇、連桿和高度可調的平臺構成的滑橇式仿形臺，如圖2所示。該仿形臺通過 2根連桿與單體延長架鉸接成一個平行四桿仿形機構。滑橇在壟上雙行苗之間的地表滑行時，支撐平臺隨地表上下起伏運動，而仿形臺高度L1為定值且高于秧苗，所以超聲波測距模塊能夠避免苗草的影響，并能夠準確檢測單體架下表面到仿形臺之間距離L，而該距離L的變化即為單體架下表面到苗間地表距離的變化。另外，考慮到控制系統存在滯后問題，故將仿形臺安裝在除草機構前部的單體延長架上，其與除草部件之間的水平距離由機構行進速度與控制系統的響應時間來確定，并將其安裝位置設計成可調。

由圖2可知，松土深度

式中單體延長架下表面到梳齒盤回轉軸心的距離 L2、梳齒長度L3、梳齒盤回轉半徑R和仿形臺高度L1均為定值，即C=L2+L3+R–L1為常數，松土深度h僅隨實測距離L的增加而減少。故只要控制距離 L的變化，即可實現對松土深度 h的控制。通常大豆苗間機械除草期望松土深度為（30±10）mm，松土深度過深或過淺均會影響苗間除草作業性能[12]。

松土深度自動控制系統工作原理如圖3所示。由PID控制器、放大器、比例方向閥、液壓缸、調節機構以及超聲測距模塊等組成。在控制系統單片機的控制下，超聲波測距模塊實時檢測單體架到仿形平臺之間距離L，并將檢測到的距離信號輸入單片機處理。當松土深度 h與設定松土深度h′之間存在偏差時，控制系統采用PID控制對松土深度與設定松土深度之間存在的偏差進行校正，單片機輸出控制信號經放大器進行功率放大，控制比例方向閥使油缸動作，調整機構帶動單體架向上或向下運動，實現苗間除草部件入土深度調整。

圖3 松土深度自動控制原理方塊圖Fig.3 Principle block diagram of automatic control of loosening depth

2 控制系統及液壓系統設計

2.1 控制系統設計

2.1.1 系統硬件

該系統以單片機 STC89C52系統為控制核心，由電源模塊、按鍵模塊、顯示模塊、超聲波模塊、驅動板集成設計構成控制系統硬件，如圖4所示。

圖4 系統硬件結構圖Fig.4 Structure diagram of system hardware

所采用的控制器為STC90C516 RD+單片機，具有超強抗干擾、高速、低功耗特點的CMOS 8位微控制器，Flash程序存儲器為61 K字節（1 K字節=1 024字節），SRAM為1 280字節，有四個8位并行端口和7個附送I/O端口，共39個I/O口。工作電壓為3.5～5.5 V，頻率范圍為0～40 MHz。

該系統采用 HC-SR04超聲波測距模塊作為檢測單元，包括超聲波發射器、接收器和控制電路。HC-SR04超聲波測距模塊可提供20～4 000 mm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達3 mm，其供電電壓為DC 5 V，輸入觸發信號為10 μs的TTL脈沖，輸出回響信號為TTL電平信號，測量角度小于15°。

圖5 超聲波時序圖Fig.5 Ultrasonic sequence diagram

其基本工作原理為：1）采用I/O口TRIG觸發測距，給至少10 μs的高電平信號；2）模塊自動發送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；3）有信號返回，通過I/O口ECH0輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。測試距離=（高電平時間× 聲速（340 m/s））/2。超聲波時序圖如圖5所示。以上時序圖表明只需提供一個10 μs以上脈沖觸發信號，該模塊內部將發出8個40 kHz周期電平并檢測回波，一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號。回響信號的脈沖寬度與所測得距離成正比。由此通過發射信號與收到回響信號的時間間隔可以計算出距離，其測量周期為60 ms。

2.1.2 軟件設計

利用Keil軟件，對C程序編輯、修改以及生成單片機芯片識別的HEX文件；再利用STC-ISP-V 6.75軟件，對單片機STC90C516 RD+進行燒錄，將在Keil中生成的HEX程序文件導入芯片中。控制系統軟件主程序的流程圖如圖6所示。

圖6 控制系統軟件主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart of control system software

系統通電后，進行初始化，設定苗間機械除草期望松土深度值。當采集實際松土深度 h與設定松土深度 h′之間的偏差等于0時，系統中電液比例方向閥處于中位，油缸不動作；當實測松土深度h大于設定松土距離h'時，說明除草部件入土深度過深，電液比例方向閥右位接通，使油缸有桿腔進油，驅動調節機構帶動單體架上升，使部件入土深度變淺；反之，使油缸無桿腔進油，驅動調節機構向下運動，單體架隨之下降，使部件入土深度變深。

2.2 液壓系統設計

單體架通過調節機構與支架橫梁固定連接，控制系統控制液壓油缸伸縮使單體架升降，實現梳齒入土深度調整。本文選擇4WRA6E32-2X/G24K4型電液比例方向閥作為控制閥（自帶比例放大器），STC90C516 RD+單片機控制器，采用 PID控制算法，集成液壓控制系統。液壓系統工作原理如圖 7所示。主要由油箱、電機、液壓泵、溢流閥、單向閥、電液比例方向閥、節流閥和液壓油缸等構成。

圖7 液壓系統原理圖Fig.7 Schematic diagram of hydraulic system

2.3 比例閥控液壓系統數學模型的建立

對于比例閥控液壓系統，其自身具有系統非線性及參數時變性的特點，本文根據文獻[34-37]等方法對比例閥控液壓系統進行數學模型的建立。

2.3.1 PID控制算法

根據所設計的自動控制系統的結構原理，其偏差方程可表示為

式中u0()t為初始設定值（mm），即期望的除草齒入土深度；u()t為測量值（mm），即除草齒當前入土深度；e()t為偏差，mm。

利用PID控制算法對設定松土深度值進行跟蹤控制，建模中PID對偏差進行校正的方程為

式中KP為比例系數；T1為積分時間常數；TD為微分時間常數；ea(t)為校正后的偏差。

2.3.2 液壓比例方向閥數學模型

液壓比例方向閥輸入電流ia（A）為

式中Ka為比例放大系數。

比例方向閥是具有非線性特性的功率放大器，其傳遞函數可用二階振蕩形式近似表示為

式中 Q()s為通過比例閥的流量，m3/s；I()s為比例放大器輸出電流，A；D0()s為比例閥傳遞函數；Kv為比例閥流量增益系數，m/A；ωv為比例閥固有頻率，rad/s；δv為比例閥阻尼比；s為復變數。

2.3.3 液壓缸傳動數學模型

液壓缸傳動一般近似等效為積分與二階振蕩形式的結合，其傳遞函數式中ωh為液壓缸固有頻率，rad/s；δh為動力元件阻尼比。

2.3.4 比例閥控液壓系統

根據式（5）、（6）建立的液壓比例方向閥數學模型與缸體傳動數學模型，建立電液比例閥控液壓系統數學模型，如圖8所示，液壓系統各部分參數如表2所示。

圖8 比例閥控液壓系統數學模型Fig.8 Mathematical model of hydraulic system controlled by proportional valve

表2 液壓系統參數Table 2 Parameters of hydraulic system

2.3.5 比例閥控液壓系統仿真分析

該控制系統采用PID控制算法對測量偏差進行校正，所謂的PID校正，其實質即為比例（proportional）、積分（integral）、微分（derivative）校正，其校正調節的規律為

式中KP、KI和KD分別為比例增益系數、積分增益系數和微分增益系數；e為偏差，即輸出值與設定值之差；ea為控制量，作用于被控對象并引起輸出量的變化。

對于KP、KI和KD數值的選擇，需要先根據經驗公式確定大致范圍，然后選取不同參數進行校正仿真，再通過對仿真圖形的分析比較進行逐步的校正調節。本文采用傳統PID控制算法，在Matlab/Simulink中取不同參數對該比例閥控液壓系統進行校正仿真，通過對仿真圖形的分析比較，最終選定校正參數 KP=2.75、KI=0.10、KD=0.08。仿真時間為5 s，采樣周期的選取綜合考慮了整個控制系統的響應時間，為防止超聲波傳感器發射信號對回響信號產生影響，仿真的采樣周期選為60 ms。

PID控制深度跟蹤仿真結果如圖9所示。

圖9 PID控制深度跟蹤仿真結果Fig.9 Depth tracking simulation results controlled by PID

圖9 a為采用PID控制算法對系統作業深度跟蹤仿真實際調試中的控制曲線。經過分析，通過該控制系統將作業深度調節至期望松土深度值（30 mm）達穩定狀態所需時間約0.48 s。圖9b為PID控制深度跟蹤靜差曲線，由圖可得出靜差范圍為0.06～0.09 mm。

綜上，采用 PID控制算法的深度控制調節機構液壓系統能夠在短時間內對設定期望值進行跟蹤控制，達到系統要求的控制精度與穩定性要求。

3 試驗與結果分析

臺架試驗內容包括：1）應用 HC-SR04型超聲波測距模塊進行直接測距與結合苗間仿形臺進行測距的可行性進行評價；2）對基于 HC-SR04超聲測距模塊設計的深度自動控制系統進行除草部件入土深度控制試驗，并對其控制精度與穩定性進行評價。為田間除草作業裝置除草部件入土深度自動控制系統的開發做鋪墊。

3.1 試驗條件與設備

3.2 試驗方法

3.2.1 超聲測距試驗

超聲測距試驗是將苗間表土作為被測對象，在被測槽土表面有苗、無苗以及有無滑橇式仿形臺4種情況下，評價超聲測距應用于苗間地表測距的可行性。

為保持重復試驗條件的一致性，避免超聲測距動態試驗過程中，除草部件對槽土試驗條件的破壞，試驗前，拆下苗間除草機構。苗間機械除草單體（如圖2）在松土深度為30 mm工作狀態下，延長架下表面（超聲波發射頭）到仿形平臺設計高度范圍L為240～300 mm，本次超聲測距試驗將L的初始值調整為270 mm；不安裝仿形臺試驗時，將延長架立柱及與其鉸接的仿形臺拆下，并調整單體延長架下表面到槽土表面高度為270 mm。然后由控制臺控制土槽分別以0.278、0.556和0.833 m/s 3種速度進行超聲波測距試驗，每種速度重復5次。

基于超聲測距的深度測量方法示意圖如圖10所示。

圖10 基于超聲測距的深度測量示意圖Fig.10 Depth measurement diagram based on ultrasonic distance measurement

在超聲測距模塊3正下方的槽土表面5上，沿土槽長度方向，將動態試驗有效行進距離 11 m均勻設置88個測點，在土槽沿口 8上對應測點位置設置一根標識桿并用數字編號，同時在每1 m行程范圍內任選2個測點作為精確對比的人工測量樣本點，人工測出樣本點到延長架下表面高度。在設置測點標識桿的土槽一側，調整高速攝像機 6正對超聲測距模塊顯示屏上標記的發射頭中心線位置。試驗時，先開啟攝像機與超聲測距模塊，然后再啟動土槽開關。試驗后在計算機上讀取顯示屏上標記的發射頭中心線位置與各個標識桿對應時的讀數，即為應用超聲測距模塊所測各動態試驗測點高度。

3.2.2 部件入土深度控制臺架試驗

為了檢驗深度控制系統是否可實現對部件入土深度的自動控制以及達到的控制精度與穩定性是否滿足系統要求，在超聲測距試驗基礎上，將拆下的苗間除草機構重新組裝到單體架上。土槽內按東北大豆壟上雙行種植模式移栽大豆缽苗，并按上述方法將8 m有效行進距離均勻設置80個測點，在土槽沿口上對應80個測點位置均設置一根標識桿并用數字編號。調整除草部件（梳齒）入土深度達到30 mm，延長架下表面到仿形平臺高度為270 mm（設定值），并將控制系統期望松土深度設置為30 mm；由式（1）可知，仿形臺上表面至延長架下表面距離L的變化，即為松土深度h的變化。因此，位于各測點位置的仿形臺上表面至延長架下表面高度 Li(i=1,2,3……80)與設定值（270 mm）之差即為相應各測點松土深度誤差。

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該試驗仍采用上述超聲測距試驗中測量方法，將土槽移動速度分別設置為0.278、0.556和0.833 m/s，在控制系統采用和不用 PID控制算法條件下進行除草部件入土深度自動控制試驗。

3.3 結果分析

3.3.1 超聲測距試驗結果分析

結果表明，由于土壤條件變化，試驗過程中不可能獲得完全一致的試驗條件。所以在不同速度條件下由測點高度所形成的軌跡圖沒有精確對準，但相對于整個行進距離，其差異是很小的。同一速度下不同重復試驗之間的對準亦是如此，超聲測距動態試驗測點高度如圖 11所示。

圖11 超聲測距動態試驗測點高度Fig.11 Height of measuring points in dynamic experiment of ultrasonic distance measurement

圖11a與圖11b為不帶仿形臺，在行進速度為0.278 m/s以及有苗和無苗條件下所獲得的動態測點高度軌跡。由圖11a測點高度軌跡圖可見，在被測地表面生長有大豆苗的情況下，應用超聲波直接對苗間地表進行動態測距試驗過程中，超聲波根本不具備分辨秧苗與地表的能力，其投射到秧苗上也如同投射到苗間地表上一樣被返回接收，無法獲得針對苗間地表面的準確測點，所以測點高度軌跡十分紊亂。圖11b為在圖11a動態試驗條件下，將大豆秧苗緊貼地表面切除后所獲得的測點高度軌跡圖，由圖可見，雖然測點高度軌跡圖基本體現出針對被測地表面的仿形效果，但有很多間斷與跳躍點，如在 730～850、3 370～3 430和5 650～6 010 mm等處出現了數值無法顯示或顯示數值誤差很大的現象。這是為模擬田間除草作業時地表狀況，而在地表設置凹坑和一些大小不一的土塊所致。因此，應用超聲波直接對有苗與無苗的地表進行測距均存在一定的缺陷。

圖11c、11d、11e為應用滑橇式仿形臺，在行進速度分別為0.278、0.556和0.833 m/s以及地表長有秧苗條件下所進行的超聲測距動態試驗。由圖11c、11d和11e測點高度軌跡圖可見，應用滑橇式仿形臺后，由于其滑橇緊貼地表滑行，高于秧苗的臺面能夠完美對地表進行仿形，被測地表面由臺面取代，應用超聲波測距時不僅可避免秧苗的影響，而且因滑橇與地面接觸面積大，又可降低地表凹坑與土塊的影響，所以應用滑橇式仿形臺后，測點高度軌跡平緩、無缺口，仿形效果更加完美。圖11d和11e為速度分別提高到0.556和0.833 m/s時測點高度軌跡仍比較平緩、連續。為評價超聲波測距誤差，在圖11c、11d和 11e中的水平軸上標示出了人工測量樣本點的位置。在 3種速度條件下，針對各個樣本點的位置應用HC-SR04型超聲波模塊測量與人工測量所獲得的測量值的對照誤差如表3所示。平均對照誤差分別為：4.95、5.36和5.90 mm，最大對照誤差分別為：6.6、7.4和8.3 mm，這些誤差在應用中均是可以接受的。因此結合仿形臺應用HC-SR04型超聲波測距模塊相對苗間地表進行測距是可行的。

表3 0.278、0.556和0.833 m·s-1 3種速度條件下樣本點的位置及對照誤差Table 3 Positions and contrast errors of sample points for different speeds of 0.278, 0.556 and 0.833 m·s–1 mm

3.3.2 松土深度控制臺架試驗結果分析

為評價所設計的深度控制系統是否能夠實現對苗間機械除草部件入土深度的控制以及所能達到控制精度與穩定性。在0.278 、0.556 和0.833 m/s 3種行進速度以及采用、不用 PID控制算法條件下，在室內臺架上進行了部件入土深度自動控制試驗，獲得的松土深度誤差變化如圖12所示。

圖12 不同行進速度下有無PID控制算法的松土深度誤差變化Fig.12 Loosening depth error variations under different speeds with or without PID control algorithm

由圖12d、12e和12f可見，采用PID控制算法的深度控制系統在0.278、0.556和0.833 m/s 3種行進速度條件下均能夠將松土深度誤差控制在±8 mm變化范圍內，即松土深度可控制在(30±8) mm范圍內，并且受行進速度影響很小；不采用PID控制算法的深度控制系統在上述3種行進速度條件下，對應深度誤差變化范圍分別為±10、±16和±23 mm，即深度誤差變化隨著行進速度的增大而變大，如圖12a、12b和12c。雖然在行進速度較低（0.278 m/s）試驗條件下，深度控制系統采用 PID控制算法前后的臺架試驗結果均能滿足除草部件入土深度控制要求，而且差異并不十分明顯，但是綜合分析 3種行進速度條件下的深度控制效果可知，采用 PID控制算法的深度控制系統表現出更好的控制性能。

4 結 論

1）本文在研發的梳齒式苗間機械除草機構研究基礎上設計了除草部件入土深度自動控制系統，該系統采用超聲測距技術并基于 PID控制算法對設定期望松土深度值進行跟蹤控制，建立了比例閥控液壓系統的數學模型，并得出液壓系統傳遞函數。對得到的傳遞函數在Matlab/Simulink中進行了仿真和PID校正，仿真結果表明：系統達到穩態的響應時間為0.48 s，穩態誤差范圍為0.06～0.09 mm。

2）在室內苗間除草臺架上，應用 HC-SR04型超聲波測距模塊對有苗與無苗的地表進行了超聲測距動態試驗。試驗表明，超聲波測距受地表秧苗、土塊和凹坑等影響，均無法獲得準確測量值。設計滑橇式苗間仿形平臺后，超聲波測距不再受秧苗、地表凹坑與土塊的影響，且測點高度軌跡平緩。在0.278、0.556和0.833 m/s 3種行進速度下，與人工測量值相比，平均對照誤差分別為：4.95、5.36和5.90 mm，最大對照誤差分別為：6.6、7.4和8.3 mm。試驗結果表明，結合仿形臺應用HC-SR04型超聲波測距模塊相對苗間地表進行測距是可行的。

3）除草部件入土深度控制系統臺架試驗表明，采用PID控制算法的控制系統能夠實現機械除草作業松土深度的穩定控制。而且在 3種行進速度 0.278、0.556和0.833 m/s時，松土深度均可穩定控制在(30±8) mm范圍內，能夠滿足苗間除草的深度控制要求。

田間試驗環境與室內試驗臺試驗條件存在較大程度的差異與不確定影響因素，需針對大豆苗間除草作業期的試驗環境與作業裝備開展應用試驗研究，完善控制系統的設計。

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