CN103168542B - 一种双变量施肥机液压无级调速系统 - Google Patents

一种双变量施肥机液压无级调速系统 Download PDF

Info

Publication number
CN103168542B
CN103168542B CN201210556148.4A CN201210556148A CN103168542B CN 103168542 B CN103168542 B CN 103168542B CN 201210556148 A CN201210556148 A CN 201210556148A CN 103168542 B CN103168542 B CN 103168542B
Authority
CN
China
Prior art keywords
hydraulic
speed
speed regulating
motor
plc
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201210556148.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103168542A (zh
Inventor
张立新
吴金林
李振
张立萍
喻俊志
王卫兵
张家华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SHIHEZI BOLI ELECTROMECHANICAL TECHNOLOGY CO., LTD.
Original Assignee
SHIHEZI BOLI ELECTROMECHANICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Shihezi University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SHIHEZI BOLI ELECTROMECHANICAL TECHNOLOGY Co Ltd, Shihezi University filed Critical SHIHEZI BOLI ELECTROMECHANICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority to CN201210556148.4A priority Critical patent/CN103168542B/zh
Publication of CN103168542A publication Critical patent/CN103168542A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103168542B publication Critical patent/CN103168542B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Abstract

本发明公开了基于PLC+液压马达的一种双变量施肥机液压无级调速系统,包括由排肥盒、外槽轮、阻塞套和排肥舌共同构成的外槽轮排肥器,用卡子固定在排肥转轴上。通过改变排肥转轴的转速和轴向位移来实现双变量参数控制施肥,为了实现精准施肥,提高双变量施肥液压调速系统的稳定性,设计了基于PLC与液压马达的双变量液压无级调速变量施肥系统。以液压油路的稳定性和排肥槽轮机构驱动控制方法为重点,研究并建立了数学模型和仿真模型。为了更好控制施肥精度,在液压油路中增加了液压稳压环节和液压压力传感器,并根据数学模型,采用PID控制算法对传动误差进行补偿,并在不同PID控制参数下对系统进行仿真。

Description

一种双变量施肥机液压无级调速系统
技术领域
本发明属于农业技术领域,涉及一种双变量施肥机液压无级调速系统,具体的说是一种基于PLC+液压马达的双变量施肥机液压无级调速系统。
背景技术
进入二十一世纪,我国的农业生产对农业机械提出了更高的要求。伴随着大量农产品逐渐由数量为主转变为以质量为主,对农业机械的要求也日益更新,农业机械的品种和数量也大幅度提升,农业机械也逐步由单纯数量的增加转变为质量与技术水平的提高。我国是一个农业大国,农业是国民经济的基础,农业现代化的主要标志是农业机械化装备程度和机械化水平的高低。农业机械是农业生产的重要工具,是发展农业生产力的重要因素之一,是实现农业科学技术的载体。保持农业稳定,对社会安定和经济发展都具有极其重要的意义。因此,农业要实现现代化,就必须首先实现农业生产的全面机械化。
但从施肥机械这方面国内外农化专家普遍认为,在其他生产因素不变的情况下,农作物施用化肥可增加产量40~60%。由于中国农民施用化肥多停留在经验施肥的水平上,化肥利用率仅30~40%,因此浪费和损失惊人。肥料施用量的增加和利用效率的下降,不仅造成了经济上的巨大损失,而且引起了严重的环境污染。过多施用的肥料不仅造成了对地表水和地下水的持续污染,还增加了农业产品中有毒物质的残留,出现了地表水富营养化,地下水和蔬菜中硝态氮含量超标等问题,化肥尤其是氮肥已成为主要的环境污染源之一。这同时也给农业可持续发展带来很大危害。随着环境问题日益受到重视,如何在保证作物高产优质的同时提高氮肥的利用率(USE),防止或尽量减少作物生产带来的环境污染是我国政府、农学家及生产者所必须解决的问题。
我国当今农业机械技术水平从总体上看落后发达国家不止20年,在变量施肥技术研究方面,基本是引进国外先进技术设备,进行消化、吸收的跟踪研究。需要在变量施肥技术及相关技术方面,如采样技术、采样导航技术、土壤速测技术、施肥决策技术和产量记录技术等领域推动高新技术的应用研究与实践,开发适于我国国情先的变量施肥技术,使之成为一个有机的技术体系。精准农业的示范试验研究有可能成为农业机械装备领域应用信息高新技术实现技术创新的切入点。研究和开发自动变量施肥技术,具有重要的社会意义,而自动变量施肥控制系统作为关键环节之一,为自动变量施肥的实现提供了技术支持。
变量施肥技术在西方发达国家已经得到成功应用。其相关技术已日臻完善和商品化。其中,变量施肥机调速系统是变量施肥机的重要组成部分。主要可以分为:电控机械无级变速器型、电控液压马达型、电控步进电机型等几种调速控制方式。
目前,国内外对于在电控机械无级变速器型、电控步进电机型调速控制系统方面的研究较为深入,如:美国约翰迪尔公司生产的JD-1820/1910型气力式变量施肥播种机和黑龙江八一农垦大学工程学院研制的大豆精密播种机变量施肥自控控制系统都采用了电控机械无级变速器调速系统。吉林大学生物与农业工程学院研究的变量施肥控制系统则采用了电控步进电机调速控制系统。但是在几种调速控制方式中,液压调速在:功率质量比、调速范围、稳定型、自动控制和过载保护方面具有明显优点,特别是随着与现代电子和信息技术的结合发展,液压调速技术得到了更快的发展,同时,也在农业机械中得到了大量的应用。
2003年,国家农业信息技术研究中心设计的变量旋耕施肥机,其变量施肥调速系统由液压节流阀和液压马达组成,通过控制液压节流阀的开度来控制液压马达的转速实现变量施肥。
2007年,吉林农业大学研制设计了由变量液压马达实现变量作业的自动变量施肥机,变量液压马达的转速与其容积成反比,系统通过控制变量液压马达的容积来实现液压马达转速控制,实现变量施肥。
2002年美国CASE公司生产的2340型空气输送种肥车由电控液压马达实现变量施肥播种。调速系统由变量控制驱动器、直流伺服电动机、液压马达等组成,作业时变量控制驱动器通过控制直流伺服电动机转动使液压马达在不同的转速下转动,实现变量控制。
美国Ag Leader公司生产的精确播种和施肥机以PFA作为控制器,通过控制变量液压马达实现变量播种和施肥控制控制。
德国AMAZONE公司开发的用于麦类作物春季追肥的实时自动变量施肥机,通过拖拉机前部安装的作物长势传感器监测作物叶绿素含量,计算出氮肥的需要量,然后通过控制液压马达的转速来实现变量施肥。
国外变量施肥技术起步较早,液压调速技术应用比较成熟并已经有产品投入市场;国内在变量施肥机液压调速技术方面的研究尚处于起步阶段,型号比较单一。随着各种液压元件的国产化和性能的提高,结合液压调速系统优点,液压调速变量施肥执行机构在变量施肥机的应用和推广中体现出了更为显著的优势。同时,液压调速技术的应用将显著提高我国农机的质量和技术含量,缩小与先进国家的技术差距,对巩固与占领国内外市场起着根本性的作用。
发明内容
当今的施肥机存在控制系统稳定性不高无法适应田间作业环境;大型化发展潜力小;运作能耗较大需要配备较多能源设备(如电瓶);设备成本较高不便推广等问题。为克服以上问题,针对新疆地域特色,本文提出了PLC控制液压马达变量施肥控制方案:以PLC为控制器,由液压马达驱动排肥轴作业,技术方案如下:
一种双变量施肥机液压无级调速系统总共包括三大部分:
(1)以车载计算机和PLC控制器为核心的双变量施肥控制系统;(2)基于PLC阀控液压马达双变量液压传动控制调速系统;(3)单轴双头螺杆传动双变量多参数施肥机液压执行机构。其中以车载计算机和PLC控制器为核心的双变量施肥控制系统包括: GPS/DGPS模块、车载计算机及PLC控制器、AD转换器、FN转换器;基于PLC阀控液压马达双变量液压传动控制调速系统包括:液压油源(由50拖拉机液压泵提供)、滤油器、伺服电磁阀、溢流阀、节流阀、电液比例调速阀、液压压力表、主轴马达、开口马达、速度传感器和位移传感器;单轴双头螺杆传动双变量多参数施肥机液压执行机构包括单轴双螺杆主轴、排肥盒、槽轮、轴承座、轴承、阻塞套和排肥舌。其中液压调速系统采用的是基于PLC的闭环系统,以车载计算机作为上位机接收GPS/DGPS模块发出定位数据,通过变量施肥控制专用软件对位置数据进行处理,并对当前位置进行网格识别,显示当前对应的专家施肥样方图、机进速度、施肥机单轴双螺杆主轴转速、槽轮工作位置以及实际施肥量等详细的信息。然后将变量施肥参数值通过车载计算机RS-232串行接口送到下位机PLC控制器中,将施肥参数值由数字量转变为模拟量输出;再通过放大驱动器将变量信号放大,来控制电液比例调速阀和伺服电磁阀的阀口开度,控制液压油的流量及压力,从而控制液压马达的转速;实现槽轮工作速度和工作长度双变量控制施肥。一种双变量施肥液压调速系统原理框图如图2所示。
根据变量施肥机的施肥精度要求及施肥机工作原理,设计出如图1所示的液压电液比例速度调速系统原理图。其液压油路的主要动作顺序如下:启动拖拉机为整个系统提供液压油源,在进入电液比例调速阀前先分别调整两位两通电磁阀为系统提高两路稳定的液压油源。车载计算机和PLC控制器根据接收到的命令信号不仅调整伺服电磁阀两端的电压使阀芯开口保持在一定的状态,驱动开口马达转动,可将开口马达速度保持在10mm/s(40mm/s)实现慢速调整槽轮工作长度和快速调整高低档转换。同时调整电液比例调速阀两端的电压对主轴马达进行转速调整。整个调速系统中关键油路安装了液压表时刻监测工作油路的油压稳定性以便减少油路不稳定给施肥精度带来的施肥误差。其中转速传感器和位移传感器将采集到得主轴马达转速和槽轮工作位移实时信号传输给PLC控制器,再由PLC控制器,上传至车载计算机进行处理分析。
本发明的有益效果:
(1)本发明成本较低;
(2)本发明提高了自动控制单元的实时性与稳定性,实现棉花自动变量施肥的精确控制;
(3)大型化发展潜力大,运作能耗无需配备较多能源设备。
附图说明
图1是双变量施肥机原理图 ;
图2是双变量施肥电液调速系统原理框图;
  图3是液压系统油路图;
  图4是电液比例压力流量控制阀原理;
图5是PID控制的系统转速曲线。
如上图所示:1为阻塞套,2为排肥盒,3为槽轮,4为主轴马达,5为转速传感器和位移传感器,6为电液比例调速阀,7为GPS/DGPS模块,8为车载计算机和PLC控制器,9为A/D转换器,10为伺服电磁阀,11为开口马达,12为单轴双螺杆主轴,13为稳压油路,14为两位两通电磁阀,15为液压泵。
 具体实施方式
下面结合附图和本发明实施例作进一步详细地说明:
参照图1,基于PLC+液压马达的一种双变量施肥机液压无级调速系统。原理为:排肥盒2、槽轮3、阻塞套1和排肥舌共同构成了外槽轮排肥器,用卡子固定在单轴双螺杆主轴12上。通过改变单轴双螺杆主轴12的转速和轴向位移来实现双变量控制施肥。该施肥机的工作过程为:车载计算机和PLC控制器8先从GPS/DGPS模块7获取施肥机所在经纬度信息。同时,转速传感器和位移传感器5分别将采集到的单轴双螺杆主轴12转速信息和槽轮3相对位置信息传输给车载计算机和PLC控制器8,接收到信息后利用PID控制算法计算出两个信息所对应的实际的施肥量,继而车载计算机和PLC控制器8将实际施肥量与作业处方推荐的该网格的施肥量进行比较,得到所需的施肥参数值。为了提高PID算法计算精度在PID算法中设定了两个临界值10和100,当施肥差值在10 g以下,仅开口马达11转动带动单轴双螺杆主轴12左右移动调节槽轮3的有效工作长度。当施肥差值在10 g–100 g之间时开口马达11和主轴马达4同时转动,主轴马达4调节单轴双螺杆主轴12转速,开口马达11调节槽轮3有效工作长度。当施肥差值在100 g以上时车载计算机和PLC控制器8仅调节主轴马达4转速以实现所需的排肥量。
图2为变量施肥电液调速系统原理框图:液压调速系统采用的是基于PLC的闭环系统,以车载计算机作为上位机接收GPS/DGPS模块7定位数据,通过变量施肥控制专用软件对位置数据进行处理,并对当前位置进行网格识别,显示当前对应的专家施肥处方图、机进速度、单轴双螺杆主轴12转速、槽轮3工作位置以及实际施肥量等详细的信息。然后将变量施肥参数值通过车载计算机RS-232串行接口送到下位机PLC控制器中,将施肥参数值由数字量转变为模拟量输出;再通过放大驱动器将变量信号放大,来控制电液比例调速阀6与伺服电磁阀10的阀口开度,控制液压油的流量及压力,从而调节主轴马达4和开口马达11的转速,实现槽轮3工作速度和工作长度改变的双变量控制施肥。
图3为液压系统油路图,其液压油路的主要动作顺序如下:启动拖拉机为整个系统提供液压油源,在进入电液比例调速阀6前先分别调整两位两通电磁阀14为系统提高两路稳定的液压油源。车载计算机和PLC控制器8根据接收到的命令信号调整伺服电磁阀10两端的电压,在不同的电压信号下开口马达11获得不同转动速度,可将开口马达11速度保持在10 mm/s实现慢速调整槽轮3工作长度,开口马达11速度保持在40 mm/s实现快速调整槽轮3工作长度。同时调整电液比例调速阀6两端的电压对主轴马达4进行转速调整。整个调速系统中关键油路安装了液压表时刻监测工作油路的油压稳定性,以便减少油路不稳定给施肥精度带来的施肥误差。其中转速传感器和位移传感器5将采集到的主轴马达4转速和槽轮3工作位移实时信号传输给车载计算机和PLC控制器8进行处理分析。
图4为电液比例压力流量控制阀原理:电液比例压力流量控制阀是根据电液比例调速阀6的工作原理组装设计而成的。电液比例压力流量控制阀控制原理为电液比例压力流量控制阀通过调节压力先导阀两端的额定电压信号,来调节系统所需的流量,调节系统所需的流量分以下几种方式:(1)当液压系统系统提供的压力无法打开压力先导阀时,复合阀的压力阀限定系统工作时的压力,压力先导阀关闭,溢流阀使比例节流阀阀口形成形成所需的压力差,为此实现了电液比例流量阀的控制功能。(2)当系统进入正常工作状况时,比例节流阀通有恒定的电压信号,比例节流阀为系统提供稳定的压力,此时仅需调节比例压力先导阀电磁阀上电信号大小就可以实现系统所需的保压压力,完成比例溢流阀的控制功能。(3)电液比例压力流量控制阀除了电控制以外还可以手动调节,手动调节时就可完成手动调节压力先导比例复合阀。
图5是采用PID控制系统的转速仿真曲线:在设计的液压系统时中加入了PID控制调节,当PID的参数选为KP=1, KI=200, KD=0.06时,液压马达转速可以满足施肥要求。

Claims (3)

1.一种双变量施肥机液压无级调速系统,其特征是液压油源由50拖拉机的液压泵(15)提供,在液压油路中增设稳压油路(13),油液经稳压油路(13)后分别通过两位两通电磁阀(14)为工作油路提供两路不同的油压,PLC控制器根据接收到的命令信号调整伺服电磁阀(10)两端的电压,在PLC控制器给定不同的电压信号下开口马达(11)获得不同转动速度,将开口马达(11)速度保持在10 mm/s实现慢速调整槽轮(3)工作长度,保持在40 mm/s快速调整槽轮(3)工作长度,同时调整电液比例调速阀(6)两端的电压对主轴马达(4)进行转速调整,整个调速系统中关键油路安装了液压表时刻监测工作油路的油压稳定性以便减少油路不稳定给施肥精度带来的施肥误差,其中转速传感器和位移传感器(5)将采集到的主轴马达(4)转速和槽轮(3)工作位移实时信号传输到车载计算机和PLC控制器(8)进行处理分析。
2.根据权利要求1所述的一种双变量施肥机液压无级调速系统,其特征在于由电液比例调速阀(6)和伺服电磁阀(10)分别控制主轴马达(4)和开口马达(11)转动实现双变量控制施肥。
3.根据权利要求1所述的一种双变量施肥机液压无级调速系统,其特征在于在设计液压系统时加入了PID控制调节,最终结果表明:当PID的参数选为KP=1, KI=200, KD=0.06时,液压马达转速可以满足施肥要求。
CN201210556148.4A 2012-12-20 2012-12-20 一种双变量施肥机液压无级调速系统 Expired - Fee Related CN103168542B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210556148.4A CN103168542B (zh) 2012-12-20 2012-12-20 一种双变量施肥机液压无级调速系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210556148.4A CN103168542B (zh) 2012-12-20 2012-12-20 一种双变量施肥机液压无级调速系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103168542A CN103168542A (zh) 2013-06-26
CN103168542B true CN103168542B (zh) 2015-07-15

Family

ID=48629095

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210556148.4A Expired - Fee Related CN103168542B (zh) 2012-12-20 2012-12-20 一种双变量施肥机液压无级调速系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103168542B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104380897A (zh) * 2014-10-31 2015-03-04 石河子市博励机电科技有限公司 一种变量施肥机排肥轴转速开度双调节装置
CN106342465A (zh) * 2016-11-03 2017-01-25 塔里木大学 一种施肥机的液压回路
CN106717395B (zh) * 2017-03-09 2022-07-05 山东农业大学 一种智能化分层可控的精量深松施肥装置
CN107912116B (zh) * 2017-12-18 2023-05-23 山东农业大学 一种基于can总线的变量施肥装置及控制方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101916075A (zh) * 2010-07-20 2010-12-15 上海交通大学 开度转速双变量播种施肥机的排肥量误差补偿控制系统

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101916075A (zh) * 2010-07-20 2010-12-15 上海交通大学 开度转速双变量播种施肥机的排肥量误差补偿控制系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于PLC的液压无级调速变量施肥控制系统的研究;张林焕等;《农业网络信息》;20100731(第7期);第9-15页 *
基于相关向量机的双变量施肥控制序列优化;苑进等;《农业机械学报》;20111130;第42卷;第184-189页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN103168542A (zh) 2013-06-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1326442C (zh) 虚拟gps精确农业变量深施肥系统
CN102523808B (zh) 新型双轴双调节精准变量施肥机及施肥方法
CN107733321B (zh) 一种播种机监控系统和监控方法
CN103168542B (zh) 一种双变量施肥机液压无级调速系统
CN102385318B (zh) 一种免耕播种机播种量的控制方法及装置
CN107912116B (zh) 一种基于can总线的变量施肥装置及控制方法
CN105494033B (zh) 一种基于作物需求的智能节水灌溉方法
CN202941140U (zh) 一种大剂量水肥一体化灌溉装置
CN108446997A (zh) 一种基于多源信息融合的作物节水灌溉决策方法及测控系统
CN205883977U (zh) 一种用于棉花种植的双变量施肥装置
CN101840211A (zh) 用于施肥和播种的变量控制装置
CN111373908A (zh) 利用北斗导航实现精密播种施肥的控制系统及其方法
CN107589679A (zh) 一种变量施肥控制系统
CN103766048A (zh) 雷达测控精量播种机
CN102860163B (zh) 悬挂式水稻播种机播量自动控制装置
CN202503906U (zh) 新型双轴双调节精准变量施肥机
CN212116163U (zh) 利用北斗导航实现精密播种施肥的控制系统
CN204762124U (zh) 一种智能施肥机
CN202112027U (zh) 液态肥变量施用控制器
CN204305615U (zh) 一种单臂吊机式变量施肥系统
Yubin et al. The control strategy and verification for precise water-fertilizer irrigation system
CN104698907A (zh) 玉米免耕播种施肥机监控系统
CN103283370B (zh) 用电动调压阀控制的液肥变量施肥系统
CN104221566B (zh) 一种吊机式变量施肥系统
CN102598941A (zh) 精控智能化施肥机

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: SHIHEZI BOLI ELECTROMECHANICAL TECHNOLOGY CO., LTD

Effective date: 20150115

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
C53 Correction of patent for invention or patent application
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Zhang Lixin

Inventor after: Wu Jinlin

Inventor after: Li Zhen

Inventor after: Zhang Liping

Inventor after: Yu Junzhi

Inventor after: Wang Weibing

Inventor after: Zhang Jiahua

Inventor before: Wu Jinlin

Inventor before: Zhang Lixin

Inventor before: Yu Junzhi

Inventor before: Wang Weibing

Inventor before: Zhang Jiahua

COR Change of bibliographic data

Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 832003 SHIHEZI, XINJIANG UYGUR AUTONOMOUS REGION TO: 832000 SHIHEZI, XINJIANG UYGUR AUTONOMOUS REGION

Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: WU JINLIN ZHANG LIXIN YU JUNZHI WANG WEIBING ZHANG JIAHUA TO: ZHANG LIXIN WU JINLIN LI ZHEN ZHANG LIPING YU JUNZHI WANG WEIBING ZHANG JIAHUA

TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20150115

Address after: 832000 the Xinjiang Uygur Autonomous Region Shihezi North Road four

Applicant after: Shihezi University

Applicant after: SHIHEZI BOLI ELECTROMECHANICAL TECHNOLOGY CO., LTD.

Address before: 832003 North four road, the Xinjiang Uygur Autonomous Region, Shihezi

Applicant before: Shihezi University

C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20150715

Termination date: 20181220