基于PID控制的小麥智能播種機研制與試驗

關鍵詞：播種機；PID；小麥；精量播種；電驅動；田間試驗

0 引言

河西走廊一帶是甘肅省小麥主產區，播種是小麥種植的關鍵環節[1]。目前，小麥播種機大多采用由地輪驅動的外槽輪式排種器和由風機提供壓差的氣力式排種器[2]。外槽輪式排種器在作業過程中，當田間地面起伏不平時，由于地輪打滑無法驅動排種軸轉動，導致漏播現象，嚴重影響小麥產量[3]。氣力式排種器雖能解決漏播和種子破損等問題，但主要適用于大地塊作業，而且價格較高，暫不適合在河西走廊一帶推廣。近年來，為提高小麥播種質量和減少漏播率，針對傳統機械驅動播種機存在的問題，研究人員對電驅動精密播種技術進行了大量研究[4-10]。KAMGARS等[11]設計了一種小麥電驅動排種控制裝置，有效提高了高速作業條件下播種的均勻性。JAFARIM等[7]基于直流電機工作原理研發了谷物播種機閉環控制系統，有效縮短了控制系統響應時間，提高了播種機作業效率。閆青[12]研發了一款能實現玉米單粒精播和小麥精量條播的電驅動排種控制系統，具有良好的可靠性和穩定性，降低了小麥玉米輪作模式的作業難度。彭強吉等[13]設計了一種由電機驅動代替地輪驅動的小麥單粒精密播種機，提高了小麥播種的智能化水平。

本設計在前人研究的基礎上，研發了一種基于PID控制的小麥智能播種機，利用電驅動技術可根據不同地區農戶的要求快速調整單位面積播種量，也能避免因地輪打滑造成的漏播問題，精確控制小麥單位面積播種量，提高小麥播種質量。

1 設計方案及工作原理

1.1 總體方案設計

根據河西走廊一帶小麥種植農藝要求和田間作業條件，設計了基于PID控制的小麥智能播種機，主要由電控系統、編碼器、直流無刷電機、測速編碼器、雙圓盤開溝器、種箱、排種器和鎮壓輪等組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

小麥智能播種機田間作業時，與地輪同軸安裝的速度傳感器采集播種機行進速度，驅動電機根據其行進速度、單位面積播種量及小麥智能播種機的相關參數，計算出播種輪轉速的給定值，利用PID控制器實現對播種輪轉速的控制，使排種輪轉速根據播種機行進速度快速變化。排出的種子通過排種管落入種溝內，鎮壓輪進行覆土鎮壓。電控系統由拖拉機電瓶進行供電。

1.3 電驅動控制系統

小麥智能播種機電驅動排種控制系統主要由低速直流減速電機驅動模塊、人機界面、微處理器、DC/DC升壓模塊和48V直流無刷電機組成，如圖2所示。控制系統運行時，通過微處理器計算獲得小麥智能播種機行進速度，駕駛員在人機交互模塊的參數界面輸入用戶要求的單位面積播種量后，通過安裝在地輪上的速度傳感器采集機具前進速度；系統通過作業速度和預先設定的單位面積播種量得出外槽輪排種軸的實際轉速；由PID控制器自動調節電機轉速；最終由電機帶動排種軸轉動，控制排種軸快速響應排出預先設定的種子質量，實現小麥精量播種。

2 關鍵部件設計

（1）微處理器。電驅動排種控制系統微處理器模塊選用艾莫迅公司生產的CPU224XP處理器，具有高速技術、光電隔離、通信方便和低成本等特點。

（2）直流減速電機。根據小麥智能播種機作業時的行進速度要求和作業環境，驅動電機選用額定電壓24V、額定功率600W、額定電流21A的直流減速電機，如圖3所示。并配備100A的調節器，其轉速范圍0～100r/min。

（3）測速編碼器。選用空心軸光電旋轉電梯編碼器作為速度傳感器，安裝在地輪軸上采集小麥智能播種機行進速度，編碼器與地輪同軸[14]。根據小麥智能播種機作業環境，將編碼器安放在保護殼內，編碼器轉軸通過連接器、測速軸套與測速軸連接，測速編碼器安裝示意如圖4所示。

（4）人機交互界面。小麥智能播種機人機交互模塊選用的是MCGS昆侖通態TPC7012EL觸摸屏，主要由校準界面與參數界面組成，如圖5所示。用戶可以通過觸摸屏界面調整小麥單位面積播種量作業參數，也可以通過界面統計已播面積和行進速度。

（5）物料傳感器。物料傳感器為漏播監測傳感器，選用電容式傳感器，如圖6所示。種箱內均勻布置3個物料傳感器，如遇種箱內的小麥種子低于傳感器安裝位置，監測裝置自動報警。

3 室內試驗

為了驗證研發的電驅動排種控制系統的準確性和可靠性，針對不同小麥智能播種機行進速度，進行不同單位面積播種量下的排種精度室內試驗。

3.1 試驗材料與準備

試驗材料選用甘肅瑞豐種業有限公司研制的寧春11號小麥品種，千粒質量44.2g。播種機作業行數13行，排種器為外槽輪式排種器。

3.2 試驗方法

影響小麥智能播種機單位面積播種量的主要因素是外槽輪的有效工作長度[15-17]。由前期預試驗結果和文獻得出，當外槽輪排種器有效工作長度固定為某一數值時，排種量與排種軸轉速呈線性關系[18-19]。

利用裝有減速器的交流調速電機模擬小麥智能播種機在作業加速、勻速和減速3個階段的不同行進速度，分別測試小麥智能播種機行進速度在4、6、8和10km/h作業條件下對電驅動排種控制系統控制精度進行測量，分別測量每行排種量和整機總排種量，每組試驗重復3次，取平均值，測量過程如圖7所示，得出不同作業條件下的總排種量試驗數據，如表1所示。

3.3 試驗結果

由表1可知，小麥智能播種機在低速、中速、中高速和高速等不同作業條件下實際單位面積播種量與設定單位面積播種量誤差均lt;2%，滿足農藝上對小麥精量播種的技術要求。在中速和中高速作業條件下，智能排種控制系統控制精度高于低速和高速作業條件，穩定性好。每行排種量變異系數平均值1.21%。

4 田間試驗

為測試小麥智能播種機控制系統的穩定性和可靠性，以甘肅畜牧工程職業技術學院與武威市農業機械化技術推廣中心、甘肅天誠農機具制造有限公司聯合研制的13行小麥智能播種機為平臺，試驗材料選用未分級的寧春11號小麥品種。

田間播種試驗于2022年10月6日在武威市涼州區武南鎮下中畦村高標準農田示范點，土壤類型為沙質土，如圖8所示。田間試驗時，在泰山-554C型拖拉機安裝北斗導航無人駕駛系統，設定拖拉機行進速度5.6km/h；設定單位面積播種量450、525、600和675kg/hm2，每組試驗重復3次，實際小麥單位面積播種量田間試驗結果如表2所示。在各種單位面積播種量下，小麥智能播種機單位面積播種量相對誤差≤2.33%；結合室內試驗與田間驗證試驗結果表明，基于PID控制的小麥智能播種機在大田環境作業時，不同行進速度、單位面積播種量條件下均能滿足小麥種植農藝要求，無缺苗斷壟現象。

由表2可知，小麥智能播種機田間作業相對誤差大于室內試驗結果，主要是受到作業環境的影響，如振動、地面起伏等因素的影響。田間試驗結果滿足農藝上對小麥精量播種的技術要求。

5 結束語

設計了基于PID控制的小麥智能精量播種機，并開展了室內試驗和田間驗證試驗。

（1）搭建了以PLC控制器為核心的電驅動小麥智能排種系統。預先在人機交互界面設定單位面積播種量，由編碼器采集播種機行進速度；然后利用PID控制器控制電機轉速，并由物料傳感器監測種箱剩余種子情況，實現小麥精量播種。

（2）室內試驗表明，播種機在低速、中速、中高速和高速等不同作業條件下實際單位面積播種量與設定單位面積播種量誤差均lt;2%，滿足小麥精量播種的農藝要求。在中速和中高速作業條件下，電驅動智能排種系統控制精度高于低速和高速作業條件，穩定性好。每行排種量變異系數平均值1.21%。

（3）田間試驗表明，在各種單位面積播種量下，小麥智能播種機單位面積播種量相對誤差≤2.33%；田間作業的相對誤差大于室內試驗結果，主要是受到作業環境的影響，如振動、地面不平等因素的影響。