CN101916075B - 开度转速双变量播种施肥机的排肥量误差补偿控制系统 - Google Patents

Abstract

一种农业生产技术领域的开度转速双变量播种施肥机的排肥量误差补偿控制系统，包括：排肥实时控制模块、排肥补偿控制系统和离线控制参数生成模块，其中：离线控制参数生成模块生成的最优控制参数索引表以GPRS通讯方式与补偿控制模块连接，最优控制索引参数表通过GPRS通讯模块下载到排肥补偿控制系统中，排肥补偿控制系统生成的排肥控制参数通过串口通讯下载到排肥实时控制模块用于排肥动作的实时控制，本发明实现了基于最优控制参数表索引的开口转速双调节变量播种施肥机精确误差补偿控制。

Description

开度转速双变量播种施肥机的排肥量误差补偿控制系统

技术领域

本发明涉及的是一种农业生产技术领域的控制系统，具体是一种开度转速双变量播种施肥机的排肥量误差补偿控制系统。

背景技术

精准农业利用遥感技术、地理信息系统、全球定位系统等信息技术，在定位采集地块信息的基础上，根据地块土壤肥力及产量等的时空差异，按农艺要求进行变量施肥等农业技术的调整和管理，最大限度地优化使用各项农业投入，以获得最高产量和最大经济效益。我国的化肥投入突出问题是结构不合理，利用率低。化肥投入普遍偏高，造成养分投入比例失调，增加了肥料的投入成本。我国肥料平均利用率较发达国家低10％以上。肥料利用率低不仅使生产成本偏高，而且是环境污染直接原因之一。变量施肥技术可以有效提高肥料利用率，在精准农业中占有越来越重要的地位。实现变量投送的关键为变量执行设备和控制器，它们都被安装在变量施肥机上。变量施肥机控制器通过接收GPS位置信号，读取施肥作业处方，生成控制信号，经过驱动放大后，输入给变量执行设备，以液压或电动的方式实现变量投入。对于颗粒肥料的排肥装置多采用外槽轮式排肥器。该种排肥器的排肥量控制变量：排肥开度调节和排肥轴转速调节。

经对现有技术文献检索发现，中国发明专利“一种变量施肥控制系统及方法”，申请号200710175341.2，记载了一种变量施肥控制系统，包括单片机，用于接收外部存储信息、输入信息、反馈信息、通讯信息，经单片机内部运算处理后输出控制信息、显示信息，控制信息是对排肥机械排肥量的控制。单片机经转换器还与电液比例阀连接，电液比例阀的输入端与转换器连接、输出端与液压马达连接；液压马达的输出端与排肥机械的排肥轴连接，在排肥轴的一端装有光电码盘，将光电码盘的电信号反馈到单片机；在单片机上还连接有调节旋钮电路；电液比例阀和调节旋钮电路由单片机控制，用于调节所述排肥机械排肥轴的排肥量。但是该排肥量控制方法并未涉及由于施肥量的补偿控制，并且其施肥量仅通过单变量调节，另一个控制变量在排肥过程中是固定不变的，也即液压马达驱动施肥轴的旋转速度调节，这样的施肥量调节精度和变化范围小。

进一步的文献检索发现，韩云霞在其硕士论文《2BFJ-6型自动变量施肥机控制系统研究》中给出了自动变量施肥机排肥标定的方法。该方法使用二次方程拟合排肥轴转速与每分钟平均单管排肥量的关系进行曲线拟合，通过计算得到排肥轴转速和平均排肥量的拟合方程。上述标定方法采用最小二乘法处理试验数据，该方法处理数据简单易行，但是当考虑到田间试验中存在的机具振动引起的排肥误差等，仅通过设定固定的修正系数，则存在回归精度不高、不能对动态排肥过程建模等问题。因此对于变量施肥机的标定和补偿控制来说，采用上述方法是不适用的。另外上述施肥机排肥量仍然是单变量调节的，也即仅控制排肥轴转速控制排肥量。

由于实现排肥量的实时准确测量难度很大，现存的变量施肥机均没有排出施肥量的反馈环节，也即缺乏瞬时排肥量的检测。因此从控制的角度来说，排肥量的控制仍然属于开环控制，如果施肥结果不能反映施肥处方，那么在施肥机上所做的任何技术改进都意义不大。另外上述车载变量施肥控制器通常采用单片机芯片，其计算能力有限难以实现复杂控制策略。由此可见，因此变量施肥机的标定和相应的低计算负荷的补偿控制就非常重要。

影响排肥量的因素包括(1)肥料自身的物理特性；(2)排肥器类型和工作参数影响；(3)机具前进速度的影响。变量施肥机的标定通常采用传统的静态标定试验和田间动态试验标定方法来提高智能变量施肥机控制精度；对于输入、输出线性度较好的排肥装置来说是有效方法。但由于变量施肥机工作中随机振动激励、排肥轴动作控制误差和加工安装误差等误差导致原始输出排肥量是非线性的，室内静态试验标定方法精度较高，但是只能标定出部分误差系数，单纯采用室内标定方法无法完成整体误差标定。田间动态多工况标定试验能够标定出整体误差模型中的绝大部分误差系数。排种盒内储放的肥料或种子经排料漏斗引导至排料外槽轮，在排料外槽轮1的转动拨动下实现排肥或播种。外槽轮转动越快，排肥或播种率越大。同时开度越大，排肥或播种率也越大。与单变量的排肥控制相比，施肥播种机采用排肥轴转速和排肥开度双变量组合协调控制方法可大大提高施肥播种调节范围和精度。但由于同一排肥量的控制量可以有多个排肥轴开度和转速两个变量的组合，控制参数的不同选择也会影响控制精度、排种能量消耗等。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种开度转速双变量播种施肥机的排肥量误差补偿控制系统，实现了基于最优控制参数表索引的开口转速双调节变量播种施肥机精确误差补偿控制。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：排肥实时控制模块、排肥补偿控制系统和离线控制参数生成模块，其中：离线控制参数生成模块生成的最优控制参数索引表以GPRS通讯方式与补偿控制模块连接，最优控制索引参数表通过GPRS通讯模块下载到排肥补偿控制系统中，排肥补偿控制系统生成的排肥控制参数通过串口通讯下载到排肥实时控制模块用于排肥动作的实时控制。

所述的排肥实时控制模块包括：排肥转轴驱动电机、排肥转轴驱动电机驱动器、排肥开度驱动推杆、排肥开度驱动推杆驱动器、实时PID控制模块和下层串口通讯模块，其中：下层串口通讯模块的输入端与排肥补偿控制系统相连接，其输出端与实时PID控制模块相连接并传输排肥控制参数，排肥转轴驱动电机驱动器和排肥开度驱动推杆驱动器分别与排肥转轴驱动电机和排肥开度驱动推杆固定连接并接收实时PID控制模块的输出指令以控制排肥转轴驱动电机的转速和排肥开度驱动推杆的开度。

所述的实时PID控制模块上分别设有电子尺和霍尔传感器，其中：电子尺分别与排肥转轴驱动电机和实时PID控制模块相连接并传输数字长度信息，霍尔传感器分别与排肥开度驱动推杆和实时PID控制模块相连接并传输模拟运动信号。

所述的排肥补偿控制系统包括：电子处方获取及GPRS通讯管理模块、GPS及传感器信息获取模块、施肥量优化参数检索及控制参数生成模块和上层串口通讯模块，其中：电子处方获取及GPRS通讯管理模块从远程服务器获取电子处方，GPS及传感器信息获取模块获得施肥机当前位置的经纬度信息，施肥量优化参数检索及控制参数生成模块查询获得的施肥作业处方推荐的在该网格处的排肥量，通过计算确定双变量控制参数值，然后通过上层串口通讯模块将控制参数传递给排肥实时控制模块。

本发明既能减小排肥能量消耗，也能在控制环节以最小的计算代价取得很好的控制精度且易于实现，适应了较低计算能力的单片机或DSP为核心的控制架构。

本系统的工作流程主要包括以下步骤：

第一步、进行静态和田间试验，获取多组静态和动态试验标定数据，具体步骤为：

在静态试验和田间动态试验中，以不同的槽轮工作开度和转速组合，分别测得各槽轮在相应开度和转速下的排肥量为学习样本的输入与输出，在整个量程内可以等角速度间隔获取多组学习样本，使学习样本覆盖整个变量施肥机可以工作的范围。

第二步、采用支持向量机回归模型，建立包含误差的排肥过程模型，具体步骤为：

取变量施肥机的排肥轴的转速和排肥开度为输入量，各排肥管输出的总排肥量和各排肥管的差异系数为输出量，采用上述标定试验获取的数据作为学习样本，应用支持向量机回归学习算法进行训练，得到非线性映射模型及其最优模型参数。

第三步、运用多目标优化方法，生成优化控制参数表，具体步骤为：

选择开度转速双变量施肥过程的多目标函数：满足控制精度、最小能量消耗、各排肥管最小排肥量差异。在上述支持向量机回归模型基础上，计算出相应的排肥率输出。选择粒子群算法等多目标优化方法，对上述过程寻优，已最大限度地满足上述多目标约束条件，可以生成可用于变量施肥机排肥量实时控制的优化控制参数表。上述过程的实现可以应用高计算能力的计算机离线完成。

第四步、索引优化控制参数表，实现变量施肥机带补偿的施肥量输出控制

在以单片机或DSP为控制架构的变量施肥机控制系统中，将上述优化控制参数表通过GPRS通讯方式传输给变量施肥机控制器，存储在控制器存储介质或内存中。在实时控制过程中通过当前控制参量状态，索引出优化控制参数，并完成上述两个控制量的PID控制，即可实现考虑动态误差补偿的施肥量控制，实现简单可靠。

本发明的原理是：依据测量的各网格的土壤养分含量和目标产量，运用作物生长模型计算出的该网格的施肥量处方。根据上述处方可以决定每个施肥单元网格的施肥量Q，并结合机具前进速度v等信息，计算出相应排肥器q。对于不同肥料，分别求得排肥率得控制方程系数，进而可知此肥料对应得变量施肥控制方程。但是由于变量施肥机在田间工作时产生的各种随机误差的存在，导致产生瞬时排肥量误差，必须通过对施肥机的标定补偿提高变量排肥系统的实时投送精度。计算出施肥播种机每公顷施肥量为：

$\left\{\begin{array}{c}Q=\frac{0.6\mathrm{pq}}{k_v\mathrm{vB}}\\ q=f(L,n)\end{array}\right.;$

其中：q为排肥器排肥率(g/min)，Q为每公顷要求排肥量(kg/ha)，B为施肥机幅宽(m)，v为机具前进速度(km/h)，k_v为机具行进的打滑率，p为排肥槽轮个数，f-由支持向量机回归建立的非线性回归模型，n为排肥槽轮工作转速(r/min)，L为排肥槽轮工作开度(mm)。

在变量施肥机实际中排肥过程中，由于存在非理想、因素，如排肥器标定实验中的误差、控制曲线拟合误差、机具制造安装精度、田间工作振动对排肥器的自流层所产生的影响，施肥机标定参数是变化的，是非线性函数。采用施肥机静态试验和田间动态试验，获得的试验样本集可以反映出输入输出量间的多种误差。训练后的支持向量机回归可以实现复杂的输入与输出间的非线性映射关系f。利用这种映射关系f，在给定的开度L和排肥轴转速n，可以得到考虑了误差补偿的排肥率。根据选定的多个优化目标，确定给定排肥率q时的开度L和转速n。生成这样控制参数序列，即可以满足板载施肥机控制器的控制要求。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)利用训练好的支持向量机回归进行变量施肥机田间排肥过程中的误差补偿，不需得到排肥控制量开度和转速与排肥率之间的解析关系，可以将各种误差信息包含在标定试验采集的学习样本中，且减小了精确标定过程中误差系数间的耦合，有效地提高了标定精度，以较小的计算代价取得很好的泛化能力，模型预测精度高，建模效率高。

(2)利用建立的支持向量机回归模型可以完成变量施肥机的多目标优化：最高控制精度、最小功率消耗和最好的排肥一致性。通过迭代的离线优化过程可以生成优化控制参数表。该控制表体现了误差补偿和优化控制两项功能的实现。

(3)考虑到车载排肥量控制系统架构中，板载CPU的计算能力和RAM容量限制，本发明依据目标排肥量和原先的控制参数，通过简单检索优化控制参数表就可实现排肥过程的误差补偿和优化控制，具有实现简单、实用有效和补偿控制的特点。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为开度转速双调节变量播种施肥电气控制结构图。

图3为本发明变量播种施肥误差补偿标定与排肥量控制实现过程的示意图。

图4本发明用于排肥轴转速和开度与排肥率建模的支持向量机回归结构图。

图5本发明用于优化控制参数表生成的基于遗传算法的多目标优化流程图。

图6本发明用于单片机或DSP系统中开度转速双调节变量播种施肥补偿控制流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所以，本实施例包括：排肥实时控制模块1、排肥补偿控制系统2和离线控制参数生成模块3，其中：离线控制参数生成模块3生成的最优控制参数索引表通过GPRS通讯方式与补偿控制模块连接2，排肥补偿控制系统2通过串口通讯模块将具有补偿的控制参数传递给排肥实时控制模块1。

所述的排肥实时控制模块1包括：排肥转轴驱动电机4、排肥转轴驱动电机驱动器5、排肥开度驱动推杆6、排肥开度驱动推杆驱动器7、电子尺8、霍尔传感器9、实时PID控制模块10和下层串口通讯模块11，其中：下层串口通讯模块11的输入端与排肥补偿控制系统2相连接，其输出端与实时PID控制模块10相连接并传输排肥控制参数，排肥转轴驱动电机驱动器5和排肥开度驱动推杆驱动器7分别与排肥转轴驱动电机4和排肥开度驱动推杆6固定连接并接收实时PID控制模块10的输出指令以控制排肥转轴驱动电机4的转速和排肥开度驱动推杆6的开度，电子尺8分别与排肥转轴驱动电机4和实时PID控制模块10相连接并传输数字长度信息，霍尔传感器9分别与排肥开度驱动推杆6和实时PID控制模块10相连接并传输模拟运动信号。

所述的排肥补偿控制系统2包括：电子处方获取及GPRS通讯管理模块12、GPS及定位信息获取模块13、施肥量优化参数检索及控制参数生成模块14和上层串口通讯模块15，其中：电子处方获取及GPRS通讯管理模块12从远程服务器获取电子处方，GPS及传感器信息获取模块13获得施肥机当前位置的经纬度信息，施肥量优化参数检索及控制参数生成模块14查询获得的施肥作业处方推荐的在该网格处的排肥量，通过计算确定双变量控制参数值，然后通过上层串口通讯模块15将控制参数传递给排肥实时控制模块1。

所述的离线控制参数生成模块3内置静态排肥数据采集标定模块16、动态排肥数据采集标定模块17、非线性映射SVM回归模块18和多目标控制参数优化模块19。

如图2所示，排肥实时控制模块1从排肥补偿控制系统2中的获得的双变量最优控制参数值，实时PID控制模块10通过排肥转轴驱动电机驱动器5驱动排肥转轴驱动电机4，从而实现排肥轴20的PWM调速控制，实时PID控制模块10还通过排肥开度驱动推杆驱动器7驱动排肥开度驱动推杆6实现排肥开度控制。实时PID控制模块10通过霍尔传感器9测量外槽轮21和排肥轴20的转速反馈信息以便进行PID控制；通过电子尺8测量外槽轮21和排肥轴20的开度反馈信息以便进行PID控制，而零位开关和限位开关起到了零点定位和行程保护作用。采用排肥轴转速和排肥开度组合协调控制，完成肥料从排肥盒22中排出的排肥量控制。由于可选用排肥轴转速和排肥开度优化的组合方式，可大大提高施肥播种调节范围和精度。

本实施例针对开度转速双变量播种施肥机的排肥过程，实现排肥量误差补偿控制方法的实现过程如图3所示，包括以下四个步骤：

(1)进行静态和田间试验，获取多组静态和动态试验标定数据

在支持向量机回归学习中，所收集的样本数据应该反映要解决问题的全部模式。在静态标定试验10选用正交设计安排标定方案。在整个量程内可以等值间隔获取多组学习样本，使学习样本覆盖整个变量施肥机可以工作的测量范围。根据外槽轮最大工作长度，考虑实际施肥要求，设定槽轮工作开度的水平为5-10，设定排肥轴的转速的水平为6-12。田间的动态标定试验11中，考虑到其试验条件限制，可以根据均匀设计多水平两因素：排肥开度和排肥轴转速的方案安排标定试验。水平数与正交试验的相同或不同。为了减小测量误差，提高精度，定时以单片机内部定时为准，定时时间为1分钟。完成标定试验后，形成训练样本和期望输出12，可以用于支持向量机回归的学习过程。由于支持向量机回归在小样本下仍然具有较高的泛化能力，训练后的支持向量机回归能实现对变量施肥机的高精度补偿。

变量施肥机的工作性能体现为各槽轮排肥量的一致性和稳定性，分析指标包括单位时间内槽轮排量的变异系数CV、每转排肥量及其变异系数(槽轮工作开度一定时)、每单位开度排肥量及其变异系数(槽轮工作转速一定时)等。

$\mathrm{CV}=\frac{S_{\stackrel{\‾}{x}}}{\frac{1}{n}\mathrm{\Σx}}$

式中： $S_{\stackrel{\‾}{x}}=\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}{x}^2-{\left(\mathrm{\Σx}\right)}^2/n}{(n-1)}}.$

(2)采用支持向量机回归模型，建立包含误差的排肥过程模型

采用上述标定试验获取的数据作为学习样本，首先对样本集进行归一化处理，

选择适当的核函数和超参数，设定初始正规化参数和核参数的参数值。用样本数据对支持向量机进行训练，选择正则化参数和核参数的网格搜索方法进行支持向量机回归最优模型选择。获取支持向量集合和最优模型参数，建立排肥轴的转速和排肥开度为输入量，各排肥管输出的总排肥率和各排肥管的差异系数为输出量的支持向量机回归模型。所述支持向量机回归由输入、核函数内积及输出函数(图4)。，其非线性函数表达如下：

$f\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\α}}_i-{\mathrm{\α}}_i^{*})k(x_i,x)+b$

式中：x_i(i＝1，…d)是数据预处理后的特征。k(x_i，x)是核函数，一般可以选用RBF基函数、多项式基函数、Sigmoid函数等。输出函数f(x)要学习的输入输出映射关系。α_i和b由训练样本经过模型选择后确定。

(3)运用多目标优化方法，生成优化控制参数表

在上述支持向量机回归模型基础上，可以计算出相应的排肥率和各排肥管的差异系数。选择恰当的多目标函数：1)满足排肥率控制精度；2)排肥控制中最小的能量消耗；3)各排肥管最小排肥量差异。根据上述目标约束可以将多目标按照给定权重ω转化为单一目标优化问题如下：

式中：q和q′分别是支持向量机预测排肥率和目标排肥率，ε是系统设定的误差允许范围。ω(0≤ω≤1)为代表的权重系数之间的精确施肥控制的重要性的权衡施肥和一致性。选择粒子群算法或遗传算法等优化方法，对上述目标的寻优过程见图5。第二个目标的实现依靠优化过程(图5)，优先搜索转速调整，开度D(D＝0表示开度减小，D＝1表示开度增大。)调整使用了遍历搜索方法。已最大限度地满足上述多目标约束条件，可以生产可用于变量施肥机排肥量实时控制的优化控制参数表(如下表)。

表1优化控制参数样表

上述过程的实现可以应用高计算能力的计算机离线完成。该控制表体现了误差补偿和优化控制两项功能的实现。

(4)索引优化控制参数表，实现变量施肥机带补偿的施肥量输出控制

在以单片机或DSP为控制架构的排肥补偿控制系统中，将上述优化控制参数表通过GPRS通讯方式传输给排肥实时控制模块，存储在控制器存储介质或内存中。在实时控制过程中通过根据施肥处方所要求的施肥量、当前开度和上次控制参量状态，索引出优化控制参数：排肥轴转速和开度，并完成上述两个控制量的PID控制，对补偿控制流程见图6。上述补偿控制既可以实现考虑动态误差补偿的施肥量控制，实现简单可靠。

总之，使用上述考虑动态误差补偿和多目标优化的基于优化控制参数表的施肥量控制后，建模相对测试误差减小了0.5-2.8％，在施肥量小于100kg/ha时施肥误差减小了10％，在施肥量大于150kg/ha时平均施肥误差不超过5％，在能量消耗减少了15％。本实施例克服了板载控制系统计算能力差和开环排肥量控制精度低、无补偿的缺点，通过支持向量机回归出施肥机静态和田间动态标定试验所包含误差补偿信息的非线性输入输出映射函数，通过优化方法实现了多目标优化控制，有效提高系统的稳定性和控制精度，本实施例在板载控制器上用最小的计算代价，能够实现变量施肥机的补偿控制。

Claims (4)

1.一种开度转速双变量播种施肥机的排肥量误差补偿控制系统，其特征在于，包括：排肥实时控制模块、排肥补偿控制系统和离线控制参数生成模块，其中：离线控制参数生成模块生成的最优控制参数索引表以GPRS通讯方式与排肥补偿控制系统连接，最优控制参数索引表通过GPRS通讯模块下载到排肥补偿控制系统中，排肥补偿控制系统生成的排肥控制参数通过串口通讯下载到排肥实时控制模块用于排肥动作的实时控制；

所述的离线控制参数生成模块内置静态排肥数据采集标定模块、动态排肥数据采集标定模块、非线性映射支持向量机回归模块和多目标控制参数优化模块。

2.根据权利要求1所述的开度转速双变量播种施肥机的排肥量误差补偿控制系统，其特征在于，所述的排肥实时控制模块包括：排肥转轴驱动电机、排肥转轴驱动电机驱动器、排肥开度驱动推杆、排肥开度驱动推杆驱动器、实时PID控制模块和下层串口通讯模块，其中：下层串口通讯模块的输入端与排肥补偿控制系统相连接，下层串口通讯模块的输出端与实时PID控制模块相连接并传输排肥控制参数，排肥转轴驱动电机驱动器和排肥开度驱动推杆驱动器分别与排肥转轴驱动电机和排肥开度驱动推杆固定连接并接收实时PID控制模块的输出指令以控制排肥转轴驱动电机的转速和排肥开度驱动推杆的开度。

3.根据权利要求2所述的开度转速双变量播种施肥机的排肥量误差补偿控制系统，其特征在于，所述的实时PID控制模块上设有电子尺和霍尔传感器，其中：电子尺分别与排肥转轴驱动电机和实时PID控制模块相连接并传输数字长度信息，霍尔传感器分别与排肥开度驱动推杆和实时PID控制模块相连接并传输模拟运动信号。

4.根据权利要求1所述的开度转速双变量播种施肥机的排肥量误差补偿控制系统，其特征在于，所述的排肥补偿控制系统包括：电子处方获取及GPRS通讯管理模块、GPS及传感器信息获取模块、施肥量优化参数检索及控制参数生成模块和上层串口通讯模块，其中：电子处方获取及GPRS通讯管理模块从远程服务器获取电子处方，GPS及传感器信息获取模块获得施肥机当前位置的经纬度信息，施肥量优化参数检索及控制参数生成模块查询获得的施肥作业处方推荐的在当前位置的排肥量，通过计算确定双变量控制参数值，然后通过上层串口通讯模块将双变量控制参数值传递给排肥实时控制模块。

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