基于播量控制模型的水稻直播機播種控制系統設計

張書彥，張文毅，祁 兵，紀 要，余山山，李 坤

(農業部南京農業機械化研究所，江蘇 南京 210014)

0 引言

水稻是世界三大主要栽培糧食作物(水稻、小麥、玉米)之一，全球有30億多人口以稻米為主食[1]。三大糧食作物中直接用于人類食用的稻米占稻米總產量的85%，而小麥為72%，玉米僅占19%。水稻也是我國種植面積最大，總產量最多的糧食作物，約是全國65%人口的主食[2]。2014 年，我國水稻種植面積達30 309khm2[3]。水稻種植是其生產過程中的重要環節，要求在合理的時間內，完成水稻的播種和培育等一系列工作，使水稻獲得良好的生長條件。水稻種植質量的好壞，將直接影響到其出苗、分蘗和生長，進一步影響水稻生產的經濟效益[4]。

目前，水稻主要的種植方式有人工育秧移栽、拋秧、機插秧和直播等幾種。我國機械種植方式以機插秧為主。水稻直播具有工序簡單、省工省時的優點，近幾年發展迅速。水稻直播是指前季作物收獲后對土地進行翻耕，不經育秧、移栽環節而將稻種直接播種到大田的一種栽培方式[2-8]。水稻播種的質量將直接影響到大田出苗、分蘗和生長，進一步影響水稻生產的經濟效益。水稻機械直播與傳統移栽稻相比具有省工、省力、省秧苗田、提高生產率，以及減少勞動強度等優勢，對實現水稻生產的輕簡化、專業化、規模化具有十分重要的意義。

大田播種作業時，播到田間的種子理想效果是播量精確、均勻一致且出苗率高，因此對于水稻直播機的播種精度提出了較高的要求。通過在農場調研和查閱相關文獻發現[1-11]，市場上現有的精量水稻直播機多數采用機械式播量可調裝置，播量在一定范圍內實現調節，存在排量不穩定、播量調節精度不高等問題，易造成播種不均勻，使得播種效果與預期值相差較大，甚至會造成大量減產，不能完全滿足農藝播種要求。因此，需要研制更加先進的播量可調式水稻精量播種機。

本設計提出了建立多因素影響下的水稻播量控制模型，將其作為控制核心部分，測速傳感器實時檢測機車前進速度，根據控制模型實時控制播種量，從而達到精確播種的效果。

1 建立水稻播量控制模型

水稻精量直播機播種裝置原理如圖1所示。工作時，PLC給出電脈沖信號，排種電機通過傳動鏈條帶動排種輪轉動，將種箱內的稻種帶出種箱，經過護舌落到種腔，通過落種管將種子播到田間，完成一次排種。

水稻直播希望達到播種均勻、出苗一致的效果。現有的直播機播量調節裝置按驅動方式大體可分為機械傳動式、電機驅動式和液壓馬達驅動式[5-9]。目前，對于水稻播種的精量控制研究多是針對電機驅動式進行的。控制器給驅動電機速度脈沖信號，電機通過傳動機構帶動排種輪旋轉從而實現播量調節。

1.種箱 2.排種輪 3.排種輪軸 4.護舌 5.落種腔 6.傳動鏈 7.排種電機 8.電機軸 9.水稻種

水稻播量Q與電脈沖信號x之間的關系式為

(1)

式中q—排種輪單圈播量(kg/r)；

i—電機與排種輪之間的傳動比；

n—n個脈沖電機轉1圈。

通過農場農機企業調研發現，在實際播種過程中，播量往往會出現實際播種量Q實與期望值Q值不相等的情況，即

|Q實-Q|=k

(2)

式中k—實際播量與期望播量的差值(kg)，k≥0。

這可能由于：①我國水稻多為浸泡、催芽、包衣處理過的潮濕水稻芽種，在播種過程中，容易出現排種器凹槽堵塞等情況降低播種精度；②排種電機由于外界負載的原因產生非線性變化，從而使得實際轉速低于PLC給出的指令轉速，降低了播種精度；③隨著排種轉速的增加，排種輪由于慣性作用將更多靜止層的種子帶出導致排種量加大。

我們期望的理想結果是：limQ實=Q，也就是當k值為0時達到最理想的效果，此時Q實=Q。假設播量精度可能影響因素有n個，其對播量的影響因子分別為k1，k2，…，kn,則k和k1，k2，…，kn之間的關系可用下列模型表示，即

k=f(k1,k2,…,kn)+ε

(3)

其中，f(k1,k2,…,kn)是k1，k2，…，kn的響應函數；ε是隨機誤差，表示不可操控噪聲因素所帶來的干擾項，通常假定ε在不同的試驗中相互獨立，且均值為0，方差為σ2。因此，可以通過上述模型的研究，確定當k達到最小值時，這n個影響因子最優組合，從而達到實際播量與期望播量差值最小的效果。

2 播量控制系統工作原理

通過農場、推廣站和農機企業等地調研，總結目前市面上水稻直播機的技術優缺點，結合已有研究水平，提出了基于播量控制模型的水稻播量控制系統設計。控制系統結構如圖2所示。

圖2 控制系統結構框圖

通過室內臺架試驗建立水稻播量多變量影響下的水稻控制系統模型，以PLC控制器為核心，霍爾測速傳感器檢測機車實時前進速度，達到直播機播量實時精確可控的效果。駕駛室內配備一臺觸摸屏，可實時顯示直播機行進狀態信息，包括前進速度、排種輪轉速、已播種面積、已前進距離和行進狀態。

該控制系統主要由電源模塊、檢測模塊、執行模塊和參數顯示模塊組成。水稻播量控制系統硬件部分包括PLC控制器、霍爾測速傳感器、步進電機、觸摸屏以及電源模塊。霍爾測速傳感器安裝于直播機主動輪內側用于采集速度信號。播種開始前，機手通過安裝在駕駛室的觸摸屏預先設置本次播種需要的畝播量、種子類型及含水率等。不同的類型和含水率的稻種播量模型已預先錄入控制系統的模型庫，在實際播種過程中，控制系統會根據機車前進速度合理調整排種輪轉速，從而達到播量精確、均勻一致的效果。

3 系統硬件設計

3.1 數據采集模塊

本控制系統數據采集模塊主要用于采集機車前進速度。霍爾測速傳感器安裝在直播機主動輪內側，主動輪上安裝磁鐵。其測速原理圖如圖3所示。當機車前進時，霍爾測速傳感器每檢測到一個磁鐵計數一次，根據單位時間內累積檢測到的電磁鐵個數換算得到前進速度。

1.霍爾測速傳感器 2.測速齒輪

假設直播機主動輪上安裝磁鐵的數目為N，輪子直徑為D，霍爾測速傳感器在t時間內檢測到n個脈沖，則直播機前進速度v為

(4)

式中D—車輪直徑(m)；

v—前進速度(m/s)。

則在t時間，直播機的前進距離和播種面積分別為

(5)

(6)

式中S—播種面積(m2)。

L—前進距離(m)；

B—直播機的作業幅寬(m)。

3.2 電源轉換模塊

該控制系統的電源由直播機的牽引拖拉機蓄電池提供，蓄電池的電壓為12V，但PLC控制器、霍爾傳測速感器以及觸摸屏的額定電壓均為24V，電機驅動器的工作電壓為48V。因此，需要一個12V轉48V的直流升壓器和一個48V轉12V的直流降壓器為控制系統各部件提供電壓。圖4為升壓/降壓器，其量程范圍可選。

圖4 直流升壓器

3.3 執行模塊

執行模塊主要由步進電機控制系統構成，如圖5所示。首先，PLC將采集到的速度脈沖信號進行分析，將電機轉速脈沖信號傳給步進電機驅動器，進而控制步進電機和排種軸轉速。該步進電機的步距角為3.6°。假設步進電機驅動器給出的速度信號是每秒N個，步進電機和排種輪的傳動比i=1，排種輪的單圈排量為q，則單位時間內的播量Q為

(7)

式中q—排種輪單圈排量(kg/r)；

Q—播量(kg)。

圖5 步進控制系統結構圖

3.4 顯示模塊

水稻直播機通過觸摸屏界面實現人機對話。該控制系統采用步科公司生產的MT4512系列觸摸屏。播種開始前,預先設置種子類型、含水率及畝播量，控制系統會選擇相應的控制模型。在播種過程中，可以實時顯示直播機當前的前進速度、排種輪轉速、已行車距離和已播面積,且水稻播量監控系統可實時顯示該直播機的行進狀態。圖6為水稻播量控制系統人機交互界面。

圖6 水稻播量監控系統人機交互界面

4 結論

1)本設計提出了基于播量控制模型的水稻直播機播種控制系統設計，充分考慮影響播量的各因素對播量精度的影響，提出多因素影響下的播量控制模型。但是未對具體影響因素進行實驗探究，后續會繼續完成。

2)自行設計控制系統，采用人機交互界面，實現播種量手動設置、行進參數的實時顯示功能，且操作靈活、界面功能豐富，為智能化大型水稻直播機的研制提供基礎。

3)該控制系統的結構簡單、成本較低、且移植性好，可適用于其他各類直播種植機械，具有良好的應用發展前景。