變量施肥自動控制系統(tǒng)設(shè)計研究.pdf

1、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代信息技術(shù)、生物技術(shù)、工程技術(shù)等一系列高新技術(shù)最新成就的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種重要的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式，是一個綜合性很強的復(fù)雜系統(tǒng)，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)低耗、高效、優(yōu)質(zhì)、安全的重要途徑。 我國化肥施用的突出問題是結(jié)構(gòu)不合理，利用率低。據(jù)估計，全國每年因盲目使用浪費化肥約100萬噸，折合人民幣5億元。加之由于長期大量施用單質(zhì)化肥，土壤板結(jié)，地下水污染，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降，未被作物吸收利用的氮素向大氣揮發(fā)、向水體淋溶，不僅浪費了資源、增加

2、了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。 為了減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的盲目投入，節(jié)約成本，增加產(chǎn)量，提高農(nóng)資利用率，減少環(huán)境污染，阻止生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化，提出了一種新思想，其含義是按照田間每一操作單元的具體條件，精細(xì)準(zhǔn)確地調(diào)整各項土壤和作物管理措施，最大限度地優(yōu)化使用各項農(nóng)業(yè)投入(化肥、農(nóng)藥、水、種子和其它方面的投入量)，以獲取最高產(chǎn)量和最大經(jīng)濟(jì)效益，同時減少化學(xué)物質(zhì)使用，保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，保護(hù)土地等農(nóng)業(yè)資源。其中，變量施肥要求能根據(jù)不同地區(qū)、不同土壤類型以及

3、土壤中各種養(yǎng)分的盈虧情況，作物類別和產(chǎn)量水平，將N、P、K和多種可促進(jìn)作物生長的微量元素與有機肥加以科學(xué)配方，從而做到有目的施肥，既可減少因過量施肥造成的環(huán)境污染和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降，又可降低成本，這就要求有科學(xué)合理的施肥方式和具有自動控制的精準(zhǔn)施肥機械。 變量施肥控制系統(tǒng)由Ag132型GPS接收機、400MHZ無線數(shù)傳接收機、觸摸液晶屏工控計算機、變量施肥控制軟件、變量控制驅(qū)動器、電控?zé)o級變速器、6行大豆精密播種機等組成。

4、 2002年10月對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地友誼農(nóng)場五分場二隊的二號地土壤采樣，共計采樣138點，送到黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)檢測中心進(jìn)行土壤化驗，化驗的結(jié)果為變量施肥提供了依據(jù)。 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)示范試驗基地采用DGPS定位系統(tǒng)，使用自行設(shè)計的Ag132型GPS接收機與計算機串行數(shù)據(jù)通信軟件，通過計算機標(biāo)準(zhǔn)串行RS-232接口獲得GPS接收機的定位信息，并記錄了GPS接收機的定位信息。 變量施肥軟件完成與DGPS的通信，每隔一秒接收一組

5、DGPS定位信息(經(jīng)度、緯度、高程)，利用DGPS測量試驗地塊的坐標(biāo)，做出地塊的形狀，將地塊劃分為網(wǎng)格，對每個網(wǎng)格編號，變量施肥數(shù)據(jù)庫中存放著每個網(wǎng)格的施肥量，當(dāng)機車行駛某個網(wǎng)格，工控機會找到該網(wǎng)格的施肥量并輸出，施肥的變量范圍±30％。 調(diào)速系統(tǒng)由脈寬調(diào)制輸出電路、位移反饋電路、上下位機通信電路、無級變速機構(gòu)、執(zhí)行電機組成。單片機AT89C51通過RS232接口將上位機的給定施肥量等級與反饋等級比較得到差值，單片機中的增量PI

6、D算法子程序改變占空比，從而調(diào)節(jié)輸出控制電壓調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速來改變無級變速器的傳動比，來改變排肥輪的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)施肥量。 采用MATLAB編程，根據(jù)對象在臨界振蕩時響應(yīng)曲線的參數(shù)，利用ZIEGLER-NicholsN.B對PID控制器的參數(shù)進(jìn)行整定，確定所需要的控制器參數(shù)。 利用MATLAB/Simulink建立系統(tǒng)框圖和仿真環(huán)境，對無PID控制系統(tǒng)和PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真和比較，由響應(yīng)曲線可以看出PID控制減小了系統(tǒng)的超調(diào)

7、量，縮短了調(diào)整時間。 系統(tǒng)的試驗研究分了四個步驟，第一步對系統(tǒng)的硬件電路的調(diào)試和單片機程序的調(diào)試，包括單片機與外圍電路的接口調(diào)試；控制信號與電樞電壓關(guān)系試驗；電樞電壓與電機轉(zhuǎn)速、反饋級別與傳動比關(guān)系試驗。第二步變量控制系統(tǒng)的變量施肥試驗，機車在場上靜止，工控機輸出不同的施肥級別，用布袋接六個排肥口的施肥，用天平稱量，做出施肥級別與施肥量的關(guān)系曲線。第三步機車在田間作業(yè)時的變量施肥試驗，機車在田間行進(jìn)，工控機輸出不同的施肥級別，用

8、布袋接六個排肥口的施肥，用天平稱量，做出指令與施肥量的關(guān)系曲線，并計算施肥誤差。 第四步變量施肥網(wǎng)格試驗，機車行進(jìn)到由GPS定位的某一網(wǎng)格時進(jìn)行施肥試驗，數(shù)據(jù)卡記錄下經(jīng)度、緯度、設(shè)定施肥量、施肥級別。 通過試驗研究得到以下結(jié)論：1、本試驗研究的變量施肥自動控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)由DGPS定位、GIS確定的地塊施肥量的控制，該系統(tǒng)結(jié)合了單片機控制和農(nóng)業(yè)機械，將自動控制理論貫穿于整個系統(tǒng)，實現(xiàn)了機電一體化。 2、變量施肥控

9、制系統(tǒng)控制施肥范圍120kg/hm2-226kg/hm2，劃分為0-100之間的100級，變量范圍是±28.9％?？朔藗鹘y(tǒng)施肥方式，一塊地施肥比例完全相同，盲目施肥的弊端。 3、PID控制提高了系統(tǒng)的型別，使系統(tǒng)從有差系統(tǒng)改進(jìn)為無差系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。PID控制算法縮短了調(diào)整時間，減小了超調(diào)量，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)。 4、脈寬調(diào)制電路的控制電壓與電機電樞電壓呈線性變化趨勢，試驗波形比較理想，有時波形會有