玉米播種機(jī)播深和壓實(shí)度綜合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

白慧娟 方憲法, 王德成 苑嚴(yán)偉 周利明 牛 康

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

精密播種是提高玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵[1]，提高玉米的粒距一致性、播深一致性是實(shí)現(xiàn)精密播種的具體要求[2]。播深影響玉米出苗時(shí)間、出苗率、玉米冠層結(jié)構(gòu)和光合特性，進(jìn)而影響玉米產(chǎn)量[3-6]。對(duì)于特定的土壤環(huán)境，保持適宜且一致的播深和壓實(shí)度，能確保種子和土壤的良好接觸，使種子易于從土壤中汲取水分，有利于種子快速出苗且出苗整齊[7-9]。土壤質(zhì)地變化和地形變化是影響播深變異性的主要因素[10]。目前，在玉米播種機(jī)上一般采用單體仿形技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確的仿形，通過(guò)下壓力控制技術(shù)提高播種單體對(duì)土壤質(zhì)地變化的適應(yīng)性[11]。圍繞玉米播深測(cè)控，目前主要進(jìn)行了直接和間接兩種測(cè)量和控制的研究。在直接測(cè)量控制方面，蔡國(guó)華等[12]和WEN等[13]采用超聲波傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)播深，并設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，通過(guò)液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)播深。NIELSEN等[14-16]針對(duì)播種機(jī)分別設(shè)計(jì)了基于角度傳感器、基于線性位移傳感器和超聲波傳感器的兩種播深測(cè)量系統(tǒng)和一套電液控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)開(kāi)溝壓力的主動(dòng)調(diào)節(jié)提高播種機(jī)高速作業(yè)條件下的播深一致性。趙金輝等[17]設(shè)計(jì)了基于位移傳感器的播深控制系統(tǒng)，通過(guò)液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)四連桿仿形機(jī)構(gòu)，進(jìn)而調(diào)節(jié)播深，測(cè)量的播深穩(wěn)定性系數(shù)大于90%。在播深間接測(cè)量控制方面，黃東巖等[18]設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)作用式播深自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用PVDF壓電薄膜傳感器測(cè)量播種機(jī)限深輪的胎面形變量，根據(jù)胎面形變量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)播種單體對(duì)地表的壓力，通過(guò)安裝在四連桿間的空氣彈簧調(diào)節(jié)播種單體對(duì)地表的壓力，進(jìn)而調(diào)節(jié)播深。李玉環(huán)等[19]設(shè)計(jì)了玉米氣動(dòng)式播深控制系統(tǒng)，用壓力傳感器測(cè)量鎮(zhèn)壓輪的壓力，用電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)覆土器運(yùn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)覆土量調(diào)節(jié)播深，播深合格率高于90%。付衛(wèi)強(qiáng)等[20]和高原源等[21]均采用銷軸傳感器測(cè)量限深輪對(duì)地壓力，分別用液壓方式和氣壓方式調(diào)節(jié)播種單體下壓力，文獻(xiàn)[20]建立了控制系統(tǒng)輸入電壓與銷軸傳感器反饋電壓之間的傳遞函數(shù)，采用PID算法實(shí)現(xiàn)了控制，文獻(xiàn)[21]建立了基于限深輪處下壓力與氣囊壓力、四連桿傾角的數(shù)學(xué)模型，基于此數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)了下壓力控制。

以上研究通過(guò)控制播深或覆土厚度實(shí)現(xiàn)播深控制，并未綜合考慮播深和覆土鎮(zhèn)壓?jiǎn)栴}，對(duì)播種后的鎮(zhèn)壓力研究較少。玉米生長(zhǎng)受播深和覆土鎮(zhèn)壓的多重影響，鑒于鎮(zhèn)壓力難以測(cè)量、且不能實(shí)時(shí)控制的問(wèn)題，本文從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一種電液控制系統(tǒng)，對(duì)下壓力和鎮(zhèn)壓力進(jìn)行同步實(shí)時(shí)控制，間接地控制播深和壓實(shí)度，從而提高玉米播種的精密化和智能化水平。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of control system

播深和壓實(shí)度綜合控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由測(cè)控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及用于播深及壓實(shí)度控制的機(jī)械部分組成。測(cè)控系統(tǒng)主要由車載終端、PLC控制器、下壓力傳感器、鎮(zhèn)壓力傳感器和油壓傳感器等組成。其中，PLC控制器采用EasyController YW-RT2216，編程平臺(tái)為Easybuilder，使用梯形圖語(yǔ)言進(jìn)行編程，配置一個(gè)A/D信號(hào)數(shù)據(jù)采集卡，采用北京科瑞興業(yè)科技公司的K8512CAN總線模擬量采集模塊，用于采集鎮(zhèn)壓力和下壓力傳感器的輸出信號(hào)，并通過(guò)CAN總線發(fā)送給車載終端和PLC控制器。

液壓系統(tǒng)主要由電磁換向閥、比例減壓閥、液壓缸等組成。液壓元件的選型與所需工作壓力有關(guān)。由于目標(biāo)下壓力與土壤質(zhì)地、水分條件、地表殘留情況、地形、播種機(jī)速度等多種因素有關(guān)，較難確定適宜下壓力值，本文參照俄亥俄州立大學(xué)FULTON團(tuán)隊(duì)關(guān)于下壓力的農(nóng)藝研究，在耕整地上播種時(shí)，當(dāng)設(shè)定播深為50 mm，在四連桿仿形機(jī)構(gòu)處施加450 N作用力時(shí)，播深變異系數(shù)較小，為5.1%[22]，其在農(nóng)藝試驗(yàn)中采取的最大下壓力水平為1 810 N[23]，考慮到免耕播種環(huán)境，本文擬在四連桿仿形機(jī)構(gòu)處施加的目標(biāo)作用力范圍為600～2 000 N。選用SUN Hydraulics的直動(dòng)式比例減壓閥，其壓力調(diào)節(jié)范圍為0.7～7.75 MPa，對(duì)應(yīng)電流控制信號(hào)為0～1 150 mA，綜合考慮液壓缸的工作壓力和伸縮行程，確定液壓缸的內(nèi)徑為32 mm，活塞桿直徑為22 mm，缸筒長(zhǎng)度為250 mm，行程為150 mm，可以提供的下壓力范圍為562～6 230 N，可以滿足本文設(shè)計(jì)要求。

為了實(shí)現(xiàn)播深和壓實(shí)度的電液自適應(yīng)調(diào)節(jié)，需安裝各壓力傳感器和液壓缸，對(duì)中農(nóng)機(jī)2BJ-470B型玉米免耕精量播種機(jī)的播種單體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了部分修改。播種單體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由下壓力傳感器、限深輪、限深塊、圓盤(pán)開(kāi)溝器、下壓液壓缸、鎮(zhèn)壓輪、鎮(zhèn)壓力傳感器、彈簧、彈簧拉桿、鎮(zhèn)壓液壓缸等組成。由于銷軸傳感器在檢測(cè)播種單體下壓力中已被多次采用[20-21]，工作可靠，適應(yīng)性強(qiáng)，因此，被選作下壓力傳感器和鎮(zhèn)壓力傳感器。

圖2 播種單體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of planter unit1.機(jī)架 2.下壓液壓缸 3.限深塊 4.下壓力傳感器 5.鎮(zhèn)壓液壓缸 6.彈簧拉桿 7.鎮(zhèn)壓輪 8.彈簧 9.鎮(zhèn)壓力傳感器 10.限深輪拐臂 11.限深輪 12.圓盤(pán)開(kāi)溝器

下壓力傳感器安裝方式如圖3所示。下壓力傳感器安裝在限深塊安裝座上，限深塊帶孔，鉸接在下壓力傳感器上，限深塊外壁與限深塊安裝座孔的內(nèi)壁之間留有適當(dāng)空隙δ，限深輪拐臂對(duì)限深塊施加作用力，隨之限深塊對(duì)下壓力傳感器產(chǎn)生作用力，從而下壓力傳感器測(cè)得限深輪拐臂與限深塊之間的作用力，即下壓力。

圖3 下壓力傳感器安裝示意圖Fig.3 Installation diagram of downforce sensor1.限深塊安裝座 2.播深調(diào)節(jié)手柄 3.機(jī)架 4.轉(zhuǎn)軸Ⅰ 5.限深輪拐臂 6.限深塊 7.下壓力傳感器 8.轉(zhuǎn)軸Ⅱ

鎮(zhèn)壓液壓缸和鎮(zhèn)壓力傳感器的安裝方式如圖4所示。鎮(zhèn)壓液壓缸安裝在機(jī)架和彈簧拉桿之間，鎮(zhèn)壓力傳感器安裝在機(jī)架上，彈簧一端與鎮(zhèn)壓力傳感器掛接，另一端與彈簧拉桿掛接，在鎮(zhèn)壓液壓缸作用下，彈簧拉桿可繞其與鎮(zhèn)壓輪架的鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)彈簧伸縮，從而鎮(zhèn)壓力傳感器測(cè)得彈簧力，根據(jù)彈簧力與鎮(zhèn)壓力之間的關(guān)系，鎮(zhèn)壓力傳感器可以間接測(cè)得鎮(zhèn)壓力。

圖4 鎮(zhèn)壓力傳感器安裝示意圖Fig.4 Installation diagram of compaction pressure sensor1.機(jī)架 2.鎮(zhèn)壓輪 3.鎮(zhèn)壓液壓缸 4.彈簧拉桿 5.鎮(zhèn)壓輪架 6.彈簧 7.鎮(zhèn)壓力傳感器

1.2 工作原理

系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)車載終端設(shè)定目標(biāo)下壓力和目標(biāo)鎮(zhèn)壓力傳感器測(cè)量值，下壓力傳感器、鎮(zhèn)壓力傳感器及油壓傳感器將實(shí)測(cè)值傳給PLC控制器，計(jì)算實(shí)測(cè)值與目標(biāo)值之差，基于控制算法計(jì)算出新的控制量，傳給液壓閥組中的相應(yīng)閥。其中，主油路電磁換向閥主要調(diào)節(jié)主油路的工作狀態(tài)，即由液壓泵直接供油或由蓄能器供油；下壓油路電磁換向閥和下壓油路比例減壓閥主要調(diào)節(jié)下壓液壓缸的動(dòng)作和出口壓力，進(jìn)而調(diào)節(jié)四連桿仿形機(jī)構(gòu)的動(dòng)作；鎮(zhèn)壓油路電磁換向閥和鎮(zhèn)壓油路比例減壓閥主要調(diào)節(jié)鎮(zhèn)壓液壓缸的動(dòng)作和壓力，進(jìn)而調(diào)節(jié)覆土鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。當(dāng)各實(shí)測(cè)值在設(shè)定閾值范圍內(nèi)時(shí)，表明播深和壓實(shí)度達(dá)到設(shè)定要求，控制量保持不變。因此，該系統(tǒng)通過(guò)控制下壓力和鎮(zhèn)壓力，間接地實(shí)現(xiàn)了播深和壓實(shí)度的閉環(huán)控制。

2 播深及壓實(shí)度控制過(guò)程分析

圖5為播種單體整體受力分析圖，可用于問(wèn)題的闡述和后續(xù)分析，圖中狀態(tài)Ⅰ指限深塊與限深輪拐臂未接觸，狀態(tài)Ⅱ指限深塊與限深輪拐臂接觸。

圖5 播種單體整體受力示意圖Fig.5 Schematic of overall planter unit force1.圓盤(pán)開(kāi)溝器 2.播種單體處于狀態(tài)Ⅰ時(shí)的限深輪 3.播種單體處于狀態(tài)Ⅱ時(shí)的限深輪 4.下壓液壓缸 5.播種單體處于狀態(tài)Ⅱ時(shí)的限深輪拐臂 6.播種單體處于狀態(tài)Ⅰ時(shí)的限深輪拐臂 7.限深塊 8.機(jī)架 9.鎮(zhèn)壓液壓缸 10.鎮(zhèn)壓輪架 11.彈簧拉桿 12.鎮(zhèn)壓輪

2.1 播深控制過(guò)程

作業(yè)前通過(guò)調(diào)節(jié)限深塊的位置設(shè)定播深，播深一旦設(shè)定，限深塊的位置則相對(duì)機(jī)架固定。作業(yè)過(guò)程中，限深輪下邊緣與地表接觸，圓盤(pán)開(kāi)溝器的下邊緣決定種溝底部的位置，因此，兩者下邊緣高度之差即實(shí)際播深[24]。當(dāng)限深輪拐臂與限深塊接觸時(shí)，播深為d，此時(shí)，播深達(dá)到設(shè)定值；當(dāng)限深輪拐臂與限深塊脫離接觸時(shí)，播深為d′，此時(shí)，播深小于設(shè)定值，如圖5所示。

傳統(tǒng)播種單體在四連桿仿形機(jī)構(gòu)的上下桿之間安裝機(jī)械彈簧，用于調(diào)節(jié)下壓力。在作業(yè)前調(diào)整好彈簧兩端位置，作業(yè)過(guò)程中難以根據(jù)下壓力變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)彈簧伸長(zhǎng)量，從而不能精確調(diào)整對(duì)平行四桿的作用力，易造成播種單體下壓力不足、限深輪拐臂與限深塊脫離接觸的情況發(fā)生，從而導(dǎo)致播深合格率低且播深不一致。本文用下壓液壓缸代替機(jī)械彈簧，旨在獲得實(shí)時(shí)可調(diào)的作用力，最終實(shí)現(xiàn)合格且一致的播深。對(duì)播種單體總體進(jìn)行受力分析，研究導(dǎo)致下壓力變化進(jìn)而引起播深變化的具體原因及控制方法。

把平行四桿和播種單體整體作為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，當(dāng)豎直方向上受力平衡時(shí)，有關(guān)系式

FY=FJ+FK+FXS+FZ-G-FHY

(1)

式中FY——播種單體豎直方向所受合力，N

FJ——FJ1與FJ2之和，F(xiàn)J1、FJ2為機(jī)架對(duì)播種單體豎直方向的牽引力，N

FK——圓盤(pán)開(kāi)溝器豎直方向開(kāi)溝阻力，N

FXS——土壤對(duì)限深輪支持力，定義為限深力，N

FZ——土壤對(duì)鎮(zhèn)壓輪作用力，N

G——播種單體重力，N

FHY——下壓液壓缸對(duì)四連桿仿形機(jī)構(gòu)豎直方向的液壓力，N

假設(shè)播種單體在豎直方向上的初速度為0，且播種單體處于狀態(tài)Ⅱ。當(dāng)豎直方向合力為0時(shí)，播種單體在此方向上受力平衡，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變；當(dāng)合力大于0時(shí)，播種單體將產(chǎn)生豎直向上的加速度，從而產(chǎn)生豎直向上的速度，播種單體將向上運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致播種單體轉(zhuǎn)為狀態(tài)Ⅰ；當(dāng)合力小于0時(shí)，播種單體將產(chǎn)生豎直向下的加速度，從而產(chǎn)生豎直向下的速度，播種單體將向下運(yùn)動(dòng)，使限深輪拐臂與限深塊進(jìn)一步接觸，豎直方向上的柔性接觸發(fā)生形變。因此，只有合力不大于0時(shí)，才可以獲得合格的播深。

在作業(yè)過(guò)程中，設(shè)初始狀態(tài)時(shí)合力為0，牽引力FJ、重力G可視為常量，而地形特征、土壤質(zhì)地等外在因素的變化不可避免地會(huì)引起開(kāi)溝阻力FK、限深力FXS及FZ的變化。為了使合力不大于0，需使液壓力FHY隨著FK、FXS、FZ合力的變化做相應(yīng)變化。因此，本文的播深控制方法是通過(guò)自適應(yīng)地調(diào)節(jié)下壓液壓缸提供的液壓力，確保作業(yè)過(guò)程中，播種單體在豎直方向上所受的合力方向始終豎直向下，從而使限深輪拐臂與限深塊保持穩(wěn)定接觸狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)合格且一致的播深。

圖5中，F(xiàn)XY表示限深塊對(duì)限深輪拐臂的作用力，是下壓力傳感器檢測(cè)到的力，本文中定義此力為下壓力。當(dāng)下壓力大于0時(shí)，代表播深達(dá)到目標(biāo)值，因此，下壓力可以反映實(shí)時(shí)播深，與播深控制有關(guān)。限深力FXS是土壤對(duì)限深輪的支持力，決定種溝側(cè)壁的緊實(shí)度，其目標(biāo)值與作業(yè)環(huán)境、水分條件、地形等多種因素有關(guān)，較難確定。為明確限深力與下壓力之間的關(guān)系，參照?qǐng)D5，以限深輪和限深輪拐臂為研究對(duì)象，進(jìn)行受力分析，得到

MA(F)=FXYL1-FXSLcosα

(2)

式中MA(F)——合力對(duì)A點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩，N·m

L1——FXY的作用點(diǎn)與A點(diǎn)的距離，m

L——限深輪軸心與A點(diǎn)的距離，m

α——限深輪拐臂OA與水平面夾角，(°)

當(dāng)MA(F)=0時(shí)，力矩平衡，此時(shí)

(3)

當(dāng)播種單體工作在某一工位時(shí)，α為定值，限深力與下壓力呈線性關(guān)系。因此，當(dāng)知道適宜的目標(biāo)限深力時(shí)，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的下壓力，進(jìn)而可通過(guò)對(duì)下壓力的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)播深和種溝側(cè)壁緊實(shí)度的同步控制。

2.2 壓實(shí)度控制過(guò)程

壓實(shí)度主要由鎮(zhèn)壓輪對(duì)播后土壤的作用力決定，此作用力即鎮(zhèn)壓力。對(duì)于傳統(tǒng)播種單體，鎮(zhèn)壓輪通過(guò)鎮(zhèn)壓輪架與機(jī)架鉸接，并用彈簧連接機(jī)架與鎮(zhèn)壓輪，鎮(zhèn)壓輪在繞鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)又受到彈簧的拉力，彈簧在鎮(zhèn)壓輪上的位置固定，作業(yè)過(guò)程中，由于地表的浮動(dòng)，鎮(zhèn)壓輪會(huì)繞著鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，彈簧則隨之伸縮，鎮(zhèn)壓力實(shí)時(shí)變化，將導(dǎo)致壓實(shí)度偏大或偏小。本文通過(guò)鎮(zhèn)壓液壓缸自適應(yīng)地調(diào)節(jié)彈簧長(zhǎng)度，使彈簧力實(shí)時(shí)可調(diào)，間接地使鎮(zhèn)壓力保持穩(wěn)定，最終獲得適宜且一致的壓實(shí)度。

為明確彈簧力與鎮(zhèn)壓力的關(guān)系，對(duì)鎮(zhèn)壓輪處機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析。以鎮(zhèn)壓輪架和鎮(zhèn)壓輪為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，可得

MB(F)=(FZ-GZ)L3-FTL2

(4)

式中MB(F)——合力對(duì)B點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩，N·m

GZ——鎮(zhèn)壓輪重力，N

L3——B點(diǎn)與鎮(zhèn)壓輪軸心水平距離，m

FT——彈簧力，即鎮(zhèn)壓力傳感器測(cè)量值，N

L2——B點(diǎn)與彈簧中心線DC距離，m

當(dāng)MB(F)=0時(shí)，力矩平衡，此時(shí)

(5)

FZ為鎮(zhèn)壓力的反作用力，因此，鎮(zhèn)壓力與鎮(zhèn)壓力傳感器測(cè)量值之間呈線性關(guān)系。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 車載終端界面設(shè)計(jì)

車載終端采用IEI Ikarp型車載計(jì)算機(jī)，采用Labwindows CVI2012軟件環(huán)境進(jìn)行車載終端軟件開(kāi)發(fā)，界面如圖6所示。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要功能包括播種施肥電驅(qū)控制、種肥監(jiān)測(cè)、播深及壓實(shí)度自動(dòng)控制等。本文主要通過(guò)車載終端設(shè)置目標(biāo)下壓力和目標(biāo)鎮(zhèn)壓力，同時(shí)顯示下壓力與鎮(zhèn)壓力實(shí)測(cè)值。設(shè)定的目標(biāo)值通過(guò)CAN總線接口發(fā)送至PLC控制器。

3.2 控制程序設(shè)計(jì)

程序由主程序、主油路工作狀態(tài)控制子程序、下壓力控制子程序和鎮(zhèn)壓力控制子程序組成，主程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)子程序的調(diào)用，流程圖如圖7所示。

圖6 車載終端軟件界面Fig.6 Software interface of vehicle terminal

圖7 程序流程圖Fig.7 Program flow chart

主油路工作狀態(tài)控制子程序通過(guò)控制主油路電磁換向閥實(shí)現(xiàn)主油路在兩種工作狀態(tài)間切換，狀態(tài)1是液壓泵為主油路和蓄能器供油，狀態(tài)2是蓄能器為主油路供油，而壓力油經(jīng)主油路電磁換向閥直接返回油箱。通過(guò)兩種狀態(tài)的切換，使液壓泵間斷地為主油路供油，減少油液發(fā)熱，確保油壓位于9～11 MPa區(qū)間即可。通過(guò)油壓傳感器檢測(cè)主油路油壓，當(dāng)其位于9～11 MPa區(qū)間時(shí)，保持主油路電磁換向閥當(dāng)前控制信號(hào)不變；當(dāng)油壓小于9 MPa時(shí)，主油路處于狀態(tài)2，改變主油路電磁換向閥信號(hào)，使主油路由狀態(tài)2變?yōu)闋顟B(tài)1；當(dāng)油壓大于11 MPa時(shí)，主油路處于狀態(tài)1，此時(shí)改變主油路電磁換向閥控制信號(hào)，使主油路由狀態(tài)1變?yōu)闋顟B(tài)2。

下壓力控制子程序通過(guò)直接控制下壓液壓缸對(duì)四連桿仿形機(jī)構(gòu)的作用力，間接控制下壓力。在程序執(zhí)行過(guò)程中，通過(guò)控制下壓油路電磁換向閥，確保下壓液壓缸活塞桿在整個(gè)下壓力控制過(guò)程中，均處于伸出狀態(tài)；通過(guò)控制下壓油路比例減壓閥出口油壓，實(shí)現(xiàn)下壓液壓缸對(duì)四連桿仿形機(jī)構(gòu)作用力的控制，具體方法是讀取下壓力目標(biāo)值、實(shí)測(cè)值并計(jì)算兩者差值，根據(jù)控制算法，計(jì)算差值對(duì)應(yīng)的控制量變化量，與當(dāng)前控制量相加，得到新的控制量，賦給下壓油路比例減壓閥，調(diào)節(jié)其出口油壓，循環(huán)此過(guò)程，實(shí)現(xiàn)下壓力的控制。

鎮(zhèn)壓力控制子程序通過(guò)鎮(zhèn)壓液壓缸直接控制彈簧力，間接控制鎮(zhèn)壓力。在程序執(zhí)行過(guò)程中，主要通過(guò)控制鎮(zhèn)壓油路電磁換向閥，控制鎮(zhèn)壓液壓缸活塞桿帶動(dòng)彈簧伸縮和靜止，同時(shí)通過(guò)控制鎮(zhèn)壓油路比例減壓閥，控制鎮(zhèn)壓液壓缸對(duì)彈簧的拉力。具體方法是讀取鎮(zhèn)壓力傳感器目標(biāo)值、實(shí)測(cè)值并計(jì)算兩者差值，當(dāng)差值大于設(shè)定閾值且實(shí)測(cè)值大于目標(biāo)值時(shí)，控制鎮(zhèn)壓油路電磁換向閥，使鎮(zhèn)壓液壓缸活塞桿收回，此時(shí)鎮(zhèn)壓油路比例減壓閥電流為0，彈簧收縮；當(dāng)差值位于設(shè)定閾值范圍內(nèi)時(shí)，控制鎮(zhèn)壓油路電磁換向閥使液壓缸活塞桿保持不動(dòng)，此時(shí)鎮(zhèn)壓油路比例減壓閥電流為0，使彈簧長(zhǎng)度保持不變；當(dāng)差值大于設(shè)定閾值且實(shí)測(cè)值小于目標(biāo)值時(shí)，控制鎮(zhèn)壓油路電磁換向閥使液壓缸活塞桿伸出，通過(guò)標(biāo)定得到此時(shí)鎮(zhèn)壓油路比例減壓閥電流為500 mA，可以使液壓缸以合適的速度拉動(dòng)彈簧，循環(huán)此過(guò)程，實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)壓力的控制。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 下壓力與鎮(zhèn)壓力標(biāo)定試驗(yàn)

4.1.1試驗(yàn)臺(tái)搭建

本文主要通過(guò)控制電流信號(hào)來(lái)控制比例減壓閥的出口壓力，達(dá)到調(diào)節(jié)下壓力和鎮(zhèn)壓力的目的。為了得到控制電流信號(hào)和下壓力、鎮(zhèn)壓力之間的關(guān)系，需要分別進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定。因此，設(shè)計(jì)了如圖8所示的限深輪支撐架，搭建了如圖9所示的下壓力標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)和如圖10所示的鎮(zhèn)壓力標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)。在進(jìn)行下壓力和鎮(zhèn)壓力標(biāo)定試驗(yàn)前，為了使電子秤便于放置在限深輪和鎮(zhèn)壓輪下，均需通過(guò)拖拉機(jī)的升降閥組將播種單體整體升至適當(dāng)位置。

圖8 限深輪支撐架實(shí)物圖Fig.8 Physical figure of support frame of depth-limiting wheel

圖9 下壓力標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)Fig.9 Downforce calibration test bench1.限深輪 2.電子秤 3.限深輪支撐架 4.圓盤(pán)開(kāi)溝器

圖10 鎮(zhèn)壓力標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)Fig.10 Calibration test bench of compaction pressure

圖11 標(biāo)定時(shí)平行四桿位置Fig.11 Position of four parallel bars during calibration test1.平行四桿上桿 2.限位塊 3.平行四桿下桿

不同設(shè)定播深下，同樣壓力作用下得到的下壓力不同[25]。玉米適宜播深一般為50 mm，在此設(shè)定播深下進(jìn)行下壓力標(biāo)定試驗(yàn)。首先將限深輪支撐架置于TCS-750型帶輪可折疊電子秤(量程為0～750 kg，精度為100 g)上，然后利用支撐架的兩個(gè)支撐面分別支撐兩側(cè)限深輪，使圓盤(pán)開(kāi)溝器處于兩個(gè)支撐臺(tái)中間的空隙處懸空，升起限深輪支撐架，使限深輪緩慢上升，使平行四桿下桿和限位塊的下邊緣脫離接觸，如圖11所示，當(dāng)下壓力從0變?yōu)檩^小的正值時(shí)，限深輪停止上升，此時(shí)，給電磁換向閥信號(hào)，使液壓缸活塞桿伸出，播種單體下降，從而使播種單體和限深輪支撐架質(zhì)量全部施加在電子秤上，之后開(kāi)始標(biāo)定試驗(yàn)。

鎮(zhèn)壓力標(biāo)定時(shí)，將電子秤置于鎮(zhèn)壓輪下，通過(guò)整體升降閥組，使播種單體緩慢下降，當(dāng)鎮(zhèn)壓輪與電子秤剛接觸、電子秤開(kāi)始顯示數(shù)值時(shí)，使播種單體停止下降，為降低單體自重對(duì)鎮(zhèn)壓力數(shù)據(jù)的影響，對(duì)電子秤進(jìn)行去皮操作，之后開(kāi)始標(biāo)定試驗(yàn)。

試驗(yàn)中，限深輪支架與電子秤之間的作用力為限深力，鎮(zhèn)壓輪與電子秤之間的作用力為鎮(zhèn)壓力，通過(guò)電子秤顯示限深力和鎮(zhèn)壓力，通過(guò)油壓表顯示下壓油路比例減壓閥和鎮(zhèn)壓油路比例減壓閥的出口油壓，通過(guò)車載終端顯示下壓力、鎮(zhèn)壓力傳感器測(cè)量值，在試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)。

4.1.2下壓力標(biāo)定試驗(yàn)

靜態(tài)試驗(yàn)中，由于下壓力和限深力主要受下壓液壓缸對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)的作用力影響，下壓液壓缸產(chǎn)生的作用力由比例減壓閥出口油壓決定，出口油壓與控制電流呈正相關(guān)，因此，下壓力和限深力主要受控制電流影響。以電流為試驗(yàn)因素，在0～1 150 mA中，等間距選取24個(gè)水平，以下壓力、限深力為試驗(yàn)指標(biāo)，先后進(jìn)行電流遞增和電流遞減過(guò)程的單因素試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值，用于建立下壓力和限深力與控制電流之間的關(guān)系模型。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

(1)下壓力與限深力之間的關(guān)系

對(duì)于電流遞增和遞減兩個(gè)過(guò)程，分別提取下壓力和限深力數(shù)據(jù)，利用Excel繪制散點(diǎn)圖，用線性模型進(jìn)行擬合，得到限深力與下壓力之間的關(guān)系式

z′=0.523 1y′-66.73 7

(6)

z″=0.504 6y″-1.264 8

(7)

式中z′——電流遞增過(guò)程中的限深力，N

y′——電流遞增過(guò)程中的下壓力，N

z″——電流遞減過(guò)程中的限深力，N

y″——電流遞減過(guò)程中的下壓力，N

式(6)和式(7)的決定系數(shù)R2分別為0.975 5和0.991 5，均接近1，說(shuō)明擬合的可信度較高，由于回歸系數(shù)分別為0.523 1和0.504 6，相差不大，為了便于控制，計(jì)算兩個(gè)過(guò)程中同一電流信號(hào)對(duì)應(yīng)的下壓力平均值和限深力平均值，用線性模型對(duì)兩者之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到關(guān)系式

z=0.512y-27.085

(8)

式中z——限深力，N

y——下壓力，N

式(8)的決定系數(shù)R2為0.990 7，擬合可信度較高，以此式作為限深力和下壓力之間的關(guān)系模型。當(dāng)?shù)弥繕?biāo)限深力時(shí)，可通過(guò)此模型計(jì)算出對(duì)應(yīng)的

表1 下壓力和限深力試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experiment data of downforce and depth-limiting force

目標(biāo)下壓力，本文主要通過(guò)對(duì)下壓力的控制，實(shí)現(xiàn)播深和限深力的控制。

(2)下壓力變化量與電流變化量的關(guān)系

對(duì)于電流遞增和遞減兩個(gè)過(guò)程，分別提取電流和下壓力數(shù)據(jù)，做散點(diǎn)圖，用線性模型進(jìn)行擬合，得到下壓力與電流信號(hào)之間的關(guān)系式

y′=4.110 8x′+1 121.9

(9)

y″=3.404 7x″+2 062.9

(10)

式中x′——電流遞增過(guò)程中電流，mA

x″——電流遞減過(guò)程中電流，mA

式(9)、(10)決定系數(shù)R2分別為0.988 0、0.983 2，均接近1，說(shuō)明用線性模型進(jìn)行擬合有較高的可信度。以上公式基于臺(tái)架試驗(yàn)得到，其中下壓力受到單體重力和電流信號(hào)的影響，由于單體重力在標(biāo)定前已全部施加在系統(tǒng)上，且整個(gè)過(guò)程為常量，因此，電流信號(hào)是此過(guò)程中唯一引起下壓力變化的因素，從而由式(9)、(10)可以推導(dǎo)出電流變化量與下壓力變化量的關(guān)系。

取電流遞增過(guò)程中的任意兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(x′1，y′1)、(x′2，y′2)，和電流遞減過(guò)程中的任意兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(x″1，y″1)、(x″2，y″2)，假設(shè)x′2>x′1，x″2>x″1，則有

y′1=4.110 8x′1+1 121.9

(11)

y′2=4.110 8x′2+1 121.9

(12)

y″1=3.404 7x″1+2 062.9

(13)

y″2=3.404 7x″2+2 062.9

(14)

y′2-y′1=4.110 8(x′2-x′1)，令y′2-y′1=Δy，x′2-x′1=Δx，則有

Δy=4.110 8Δx

(15)

式中 Δy——電流遞增過(guò)程中下壓力變化量，N

Δx——電流遞增過(guò)程中電流變化量，mA

因此，式(15)即為電流遞增過(guò)程中，下壓力變化量與電流變化量的關(guān)系方程。

同理，令y″2-y″1=Δy′，x″2-x″1=Δx′，可得電流遞減過(guò)程中，下壓力變化量與電流變化量的關(guān)系式

Δy′=3.404 7Δx′

(16)

式中 Δx′——電流遞減過(guò)程中電流變化量，mA

Δy′——電流遞減過(guò)程中下壓力變化量，N

在下壓力調(diào)節(jié)過(guò)程中，控制系統(tǒng)計(jì)算下壓力實(shí)測(cè)值與目標(biāo)值之差，差值即控制系統(tǒng)的目標(biāo)下壓力變化量，為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)下壓力變化量，則給當(dāng)前的控制量一個(gè)變化量，即電流變化量。式(15)、(16)兩邊分別除以4.110 8和3.404 7，可得

Δx=0.243 2Δy

(17)

Δx′=0.293 7Δy′

(18)

式(17)、(18)分別為電流遞增和遞減過(guò)程中電流變化量與下壓力變化量的關(guān)系方程，用于兩個(gè)過(guò)程中控制量變化量的計(jì)算。控制量變化量與系統(tǒng)當(dāng)前的控制量相加，即可得到新的控制量。

4.1.3鎮(zhèn)壓力標(biāo)定試驗(yàn)

在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)給鎮(zhèn)壓油路比例減壓閥電流信號(hào)為450 mA時(shí)，減壓閥出口壓力為1.5 MPa，鎮(zhèn)壓液壓缸活塞桿無(wú)法拉動(dòng)彈簧，當(dāng)電流信號(hào)大于500 mA時(shí)，比例減壓閥出口油壓大于1.9 MPa，液壓缸可以使彈簧伸長(zhǎng)至最大量。當(dāng)鎮(zhèn)壓液壓缸活塞桿處于伸出狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)鎮(zhèn)壓油路比例減壓閥的電流信號(hào)，不能靈敏地調(diào)節(jié)彈簧伸長(zhǎng)量。對(duì)于鎮(zhèn)壓力控制，需要采用一種能靈活控制鎮(zhèn)壓液壓缸動(dòng)作的方式，本文通過(guò)控制鎮(zhèn)壓油路電磁換向閥來(lái)控制鎮(zhèn)壓液壓缸活塞桿的動(dòng)作，當(dāng)控制液壓缸伸出時(shí)，向比例減壓閥輸入500 mA電流信號(hào)，避免液壓缸伸出速度太快，當(dāng)控制液壓缸收縮和停止時(shí)，向比例減壓閥輸入電流信號(hào)為0，使減壓閥出口壓力減為零。

另外，為了標(biāo)定鎮(zhèn)壓力傳感器測(cè)量值和鎮(zhèn)壓力實(shí)測(cè)值的關(guān)系，通過(guò)編寫(xiě)程序，控制車載終端界面的“伸”、“停”、“縮”按鈕，使鎮(zhèn)壓液壓缸進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，控制彈簧伸長(zhǎng)量，通過(guò)多組試驗(yàn)，得到鎮(zhèn)壓力傳感器測(cè)量值和鎮(zhèn)壓力電子秤實(shí)測(cè)值并用線性模型進(jìn)行擬合，得到關(guān)系式

u=0.701 2v+51.614

(19)

式中u——鎮(zhèn)壓力實(shí)測(cè)值，N

v——鎮(zhèn)壓力傳感器測(cè)量值，N

式(19)決定系數(shù)R2為0.942 6，可信度較高。此模型可以用于實(shí)際作業(yè)時(shí)，設(shè)定一個(gè)合適的鎮(zhèn)壓力傳感器目標(biāo)值。

4.2 階躍響應(yīng)試驗(yàn)

4.2.1下壓力控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)試驗(yàn)

在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行該試驗(yàn)，由于播種單體所受豎直向下的合力為液壓力與重力之和，液壓力范圍為562～6 230 N，重力約為700 N，因此，豎直向下的合力范圍為1 262～6 930 N。播種單體所受豎直向上的合力為限深力和機(jī)器牽引力在豎直方向上的分力之和，由于牽引力很小，因此，限深力為主要作用力，可估算出限深力范圍為1 262～6 930 N。根據(jù)標(biāo)定的限深力與下壓力的關(guān)系可知，理想情況下，下壓力范圍為2 518～13 588 N。在階躍響應(yīng)試驗(yàn)中，考慮實(shí)際情況，同時(shí)避免試驗(yàn)臺(tái)物理?yè)p壞，分別設(shè)定目標(biāo)下壓力為5 000、4 000、3 000、2 500 N，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行階躍響應(yīng)測(cè)試，響應(yīng)曲線如圖12所示。

圖12 下壓力控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線Fig.12 Step response curves of downforce control system

表2為下壓力控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)測(cè)試結(jié)果，結(jié)果顯示，當(dāng)設(shè)定值在2 500～5 000 N之間時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差均不大于161 N，調(diào)節(jié)時(shí)間最大為2.84 s，超調(diào)量為16.40%～26.30%。在此需要說(shuō)明，盡管在臺(tái)架上進(jìn)行階躍響應(yīng)試驗(yàn)時(shí)目標(biāo)下壓力最小為2 500 N，但在田間作業(yè)環(huán)境下，沿豎直向上方向上，除限深力外，播種單體將存在開(kāi)溝阻力和土壤對(duì)鎮(zhèn)壓輪的支持力，且開(kāi)溝阻力為主要作用力，因此，對(duì)于相同的合力，限深力比重減小，從而可以達(dá)到較小的下壓力，可以滿足四連桿仿形機(jī)構(gòu)處最小作用力為600 N的農(nóng)藝要求。本文取設(shè)定值為5 000、4 000、3 000、2 500 N時(shí)相關(guān)試驗(yàn)指標(biāo)的均值來(lái)表征系統(tǒng)的控制性能，得到超調(diào)量均值為22.95%，穩(wěn)態(tài)誤差均值為91.5 N，調(diào)節(jié)時(shí)間均值為2.69 s。

表2 下壓力控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)測(cè)試結(jié)果Tab.2 Step response test results of downforce control system

4.2.2鎮(zhèn)壓力控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)試驗(yàn)

分別設(shè)定鎮(zhèn)壓力傳感器目標(biāo)值為300、250、200 N，進(jìn)行鎮(zhèn)壓力控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)試驗(yàn)。響應(yīng)曲線如圖13所示，響應(yīng)測(cè)試結(jié)果如表3所示。

圖13 鎮(zhèn)壓力控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線Fig.13 Step response curves of compaction pressure control system

表3 鎮(zhèn)壓力控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)測(cè)試結(jié)果Tab.3 Step response test results of compaction pressure control system

由表3可知，鎮(zhèn)壓力控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間最長(zhǎng)為2.07 s，穩(wěn)態(tài)誤差最大為45 N，超調(diào)量為1.10%～3.00%。本文取鎮(zhèn)壓力傳感器設(shè)定值為300、250、200 N時(shí)相關(guān)試驗(yàn)指標(biāo)的均值來(lái)表征系統(tǒng)的控制性能，得到超調(diào)量均值為1.83%，穩(wěn)態(tài)誤差均值為30 N，調(diào)節(jié)時(shí)間均值為1.44 s，可以滿足一般控制系統(tǒng)的控制精度要求。

4.3 田間試驗(yàn)

4.3.1試驗(yàn)條件

為了檢驗(yàn)控制系統(tǒng)在不同作業(yè)速度下的播深控制性能，并與傳統(tǒng)機(jī)械播種單體的性能進(jìn)行對(duì)比，于2019年9月在山東省青島市即墨區(qū)姜家莊村盛發(fā)農(nóng)機(jī)合作社進(jìn)行了田間試驗(yàn)。試驗(yàn)地塊長(zhǎng)180 m，寬30 m，地況為剛收完夏玉米的免耕地，地表殘茬清晰可見(jiàn)，采用浙江托普云農(nóng)公司TJSD-750-Ⅱ型緊實(shí)度測(cè)量?jī)x測(cè)得地表5 cm下的土壤緊實(shí)度為50 N/cm2。本文系統(tǒng)是基于中農(nóng)機(jī)2BJ-470B型4行玉米免耕精量播種機(jī)的一行播種單體設(shè)計(jì)，進(jìn)行了安裝和調(diào)試，與原播種機(jī)的一行機(jī)械播種單體的調(diào)節(jié)性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

按照該地區(qū)的農(nóng)藝要求，試驗(yàn)前通過(guò)播深調(diào)節(jié)手柄將兩種調(diào)節(jié)方式下的兩行播種單體的播深均調(diào)節(jié)為50 mm。將試驗(yàn)地塊分為3個(gè)小區(qū)，分別采用6、8、10 km/h的速度進(jìn)行試驗(yàn)，在拖拉機(jī)上安裝北斗衛(wèi)星測(cè)速模塊，駕駛員可根據(jù)車載終端顯示的實(shí)測(cè)車速對(duì)車速進(jìn)行調(diào)控，使各試驗(yàn)組的速度分別保持在5～7 km/h、7～9 km/h、9～11 km/h范圍內(nèi)。

在拖拉機(jī)開(kāi)動(dòng)前，通過(guò)車載終端將電液調(diào)節(jié)方式對(duì)應(yīng)播種單體的目標(biāo)下壓力和目標(biāo)鎮(zhèn)壓力傳感器測(cè)量值分別設(shè)定為3 000、400 N。根據(jù)用戶手冊(cè)，調(diào)整機(jī)械調(diào)節(jié)播種單體的工作參數(shù)。

田間試驗(yàn)如圖14所示，序號(hào)4、1對(duì)應(yīng)的單體為田間試驗(yàn)所用單體，另一行電液調(diào)節(jié)單體采用了不同的液壓方案，未進(jìn)行本次試驗(yàn)。圖15為作業(yè)過(guò)程中的下壓液壓缸和鎮(zhèn)壓液壓缸，圖16為播種后的地表。為了消除加減速過(guò)程對(duì)播深的影響，在距離地頭兩端30 m的中間區(qū)域選點(diǎn)測(cè)量，每隔4個(gè)理論種距選一測(cè)量點(diǎn)，如圖17所示，測(cè)量時(shí)，先用一塊平板標(biāo)記地表，用另一塊平板逐層刮去地表土壤，待漏出種粒時(shí)測(cè)量種粒與地表的距離，每組測(cè)量50個(gè)種距。

圖14 田間試驗(yàn)Fig.14 Field test1.試驗(yàn)用機(jī)械播種單體 2.蓄能器 3.液壓閥組 4.試驗(yàn)用電液調(diào)節(jié)播種單體

圖15 作業(yè)過(guò)程中的機(jī)具Fig.15 Machines during operation

圖16 播種后的地表Fig.16 Ground surface after seeding

4.3.2試驗(yàn)指標(biāo)

根據(jù)NY/T 1768—2009《免耕播種機(jī) 質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》及文獻(xiàn)[20-21]中的方法進(jìn)行平均播深、播深合格率、播深變異系數(shù)、播深標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中合格播深為h±10 mm的判定標(biāo)準(zhǔn)，本試驗(yàn)合格播深設(shè)定為40～60 mm。

圖17 播深測(cè)量Fig.17 Measurement of seeding depth

4.3.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖18為3種速度水平、2種下壓力調(diào)節(jié)方式下的播深測(cè)量數(shù)據(jù)。可以看出，主動(dòng)調(diào)節(jié)方式下的播深在設(shè)定值處小范圍上下浮動(dòng)，存在少數(shù)播深大于60 mm，導(dǎo)致播深不合格現(xiàn)象。3種速度下，機(jī)械調(diào)節(jié)方式下的播深明顯小于主動(dòng)調(diào)節(jié)方式下的播深，且大部分播深小于設(shè)定值，部分播深小于40 mm，導(dǎo)致播深不合格現(xiàn)象。

對(duì)測(cè)得的播深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，電液主動(dòng)調(diào)節(jié)方式下播深平均值最大誤差為1.98 mm，播深值略大于設(shè)定值，而機(jī)械調(diào)節(jié)方式下最大誤差為7.76 mm，播深明顯小于設(shè)定值。播深合格率數(shù)據(jù)顯示，隨著速度的提升，機(jī)械調(diào)節(jié)方式下的播深合格率降低幅度較大，由88.00%降至78.00%，而電液主動(dòng)調(diào)節(jié)方式下的播深合格率降低幅度較小。分析播深標(biāo)準(zhǔn)差和播深變異系數(shù)可知，隨著速度的增加，機(jī)械調(diào)節(jié)方式下的播深標(biāo)準(zhǔn)差最大為7.94 mm，變異系數(shù)最大為18.80%，即播深一致性降低，而電液主動(dòng)調(diào)節(jié)方式下的播深標(biāo)準(zhǔn)差和播深變異系數(shù)變化不明顯，播深一致性受速度影響較小，這體現(xiàn)了電液主動(dòng)調(diào)節(jié)方式的優(yōu)勢(shì)。

圖18 不同速度和壓力調(diào)節(jié)方式下的播深變化曲線Fig.18 Changing curves of seeding depth under different speed and force adjusting way

表4 播深測(cè)量結(jié)果Tab.4 Test results of seeding depth

本試驗(yàn)所在地區(qū)比較干旱，免耕地塊緊實(shí)度較高，采用機(jī)械調(diào)節(jié)方式的播種單體下壓力不足，一方面無(wú)法使播深達(dá)到設(shè)定值，另一方面也引起作業(yè)過(guò)程中機(jī)器振動(dòng)較大，導(dǎo)致播深一致性較低。然而，電液主動(dòng)調(diào)節(jié)方式可以根據(jù)土壤情況調(diào)節(jié)下壓力和鎮(zhèn)壓力，一方面確保開(kāi)溝器的入土深度，另一方面保證合適的壓實(shí)度。此外，足夠的下壓力減小了播種單體的振動(dòng)，提升了播深一致性。本試驗(yàn)中，電液主動(dòng)調(diào)節(jié)方式下的播深合格率均值為91.33%，播深變異系數(shù)均值為8.98%，機(jī)械調(diào)節(jié)方式下的播深合格率均值為82.67%，播深變異系數(shù)均值為16.73%。基于電液主動(dòng)調(diào)節(jié)方式的播種機(jī)試驗(yàn)指標(biāo)優(yōu)于基于機(jī)械調(diào)節(jié)方式的指標(biāo)。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了播深和壓實(shí)度綜合控制系統(tǒng)，通過(guò)下壓力和鎮(zhèn)壓力的閉環(huán)控制，間接實(shí)現(xiàn)了播深和壓實(shí)度的閉環(huán)控制。階躍響應(yīng)測(cè)試結(jié)果表明：下壓力控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間均值為2.69 s，穩(wěn)態(tài)誤差均值為91.5 N，超調(diào)量均值為22.95%；鎮(zhèn)壓力控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間均值為1.44 s，穩(wěn)態(tài)誤差均值為30 N，超調(diào)量均值為1.83%，滿足作業(yè)需求。

(2)田間試驗(yàn)表明，在6～10 km/h的作業(yè)速度下，電液主動(dòng)調(diào)節(jié)方式對(duì)于播深具有穩(wěn)定可靠的控制性能，播深合格率均值為91.33%，高于機(jī)械調(diào)節(jié)方式下的82.67%。且隨著播種速度的提升，電液主動(dòng)調(diào)節(jié)方式下的播深一致性相對(duì)穩(wěn)定，播深變異系數(shù)均值為8.98%，最大值為9.27%，而機(jī)械調(diào)節(jié)方式下的播深變異系數(shù)均值為16.73%，最大值高達(dá)18.80%。

(3)在旱作免耕及高速作業(yè)條件下，電液主動(dòng)調(diào)節(jié)方式可以為播種單體提供足夠的下壓力和適當(dāng)?shù)逆?zhèn)壓力，能保持較高的播深合格率和播深一致性，整體性能優(yōu)于機(jī)械調(diào)節(jié)方式。電液主動(dòng)調(diào)節(jié)方式為旱作免耕條件下的高速精密播種提供了技術(shù)支撐。