CN104081921B - 基于步进电机的自动变量施肥装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于步进电机的自动变量施肥装置及其控制方法，包括牵引装置、料箱与排料调节装置，该排料调节装置开设有N个排肥孔，每个排肥孔的上端均通过一根导肥管与所述料箱相通，每个排肥孔的下端连接有一根施肥管，排料调节装置还插接有调节板，该调节板上开设有N个与排肥孔相适应的过料孔，调节板通过一侧的齿条与步进电机转动轴上的齿轮啮合，通过步进电机带动调节板左右移动改变排肥孔的开度实现变量施肥。其显著效果是：结构简单，实时的根据具体每一块地的施肥信息控制步进电机调节施肥装置的施肥量，提高了肥量的利用率，减少了对生态环境的影响，且推广成本低。

Description

基于步进电机的自动变量施肥装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及到农用机械自动控制技术领域，具体地说，是一种基于步进电机的自动变量施肥装置及其控制方法。

背景技术

在我国，农业一直都是国民经济、国家自立和社会安定的根基，人们的切身利益和社会的安定都时刻受到农业发展的影响。

目前，我国的传统农业在化肥的使用过程中存在运用不合理，造成大量环境污染，肥料利用率低等问题。因此实施变量按需施肥，可大大的提高化肥利用率、减少化肥的浪费以及减少化肥对环境的不良影响，经济、社会和生态效益都得到了很显著改善。

然而，自动变量施肥技术和相关机械还处于研究阶段，未能实际使用，而且还存在设备成本较高，难以推广实用等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于步进电机的自动变量施肥装置，该装置能够根据每块地的施肥信息实时调整施肥量，实现变量施肥，能够提高肥料利用率，且推广成本低。

为达到上述目的，本发明表述一种基于步进电机的自动变量施肥装置，包括牵引装置和安装在该牵引装置上的施肥机构，其关键在于：所述施肥机构包括料箱与排料调节装置，该排料调节装置开设有N个排肥孔，每个排肥孔的上端通过一根导肥管与所述料箱相通，每个排肥孔的下端连接有一根施肥管，在所述排料调节装置内还插接有调节板，该调节板上开设有N个与所述排肥孔相适应的过料孔，在所述调节板的一侧设有齿条，该齿条与步进电机转动轴上的齿轮啮合，通过步进电机带动调节板左右移动改变排肥孔的开度实现变量施肥。

在施肥时，根据每一块的施肥量，得到步进电机相应的转动次数和转动方向，以及计算出此时排肥孔开度的保持时间。然后控制步进电机带动调节板左右运动，通过改变调节板的过料孔与排肥孔的相对位置来控制排肥孔的开度，从而实现控制施肥装置的施肥量。通过本施肥装置，可以实时的根据具体每一块地的施肥信息，通过步进电机调节施肥装置的施肥量，能够实现精确的按需施肥，提高肥量的利用率，减少对生态环境的影响，且推广成本低。

为了便于对施肥装置的施肥量进行控制，实现变量施肥，在所述牵引装置上还设有速度传感器和控制器。

为了便于对调节板进行控制，所述排料调节装置包括盖板与底板，盖板与底板相对开设有N个通孔，每根所述导肥管的下端与盖板上的一个通孔相连，每根所述施肥管的上端与底板上的一个通孔相连，所述盖板盖装在底板上，所述调节板插接在盖板与底板之间。

所述导肥管与施肥管均为圆管，且其管心线位于同一条直线上。

采用上述结构，可以减小肥料在管壁的附着，避免肥料堵塞管道，保证施肥过程顺利进行。

为了便于施肥过程的进行，所述料箱左侧壁的下端部设为斜面，该斜面的斜度为30°～60°。

结合上述施肥装置的结构，本发明提出一种基于步进电机的自动变量施肥装置的控制方法，按照以下步骤进行：

步骤1：参数设置，每块地的施肥量为Q_i，每块地的长度为L_i，i＝1～n，n为待施肥的地块数；

步骤2：控制器采用模糊控制算法将每块地的施肥量Q_i模糊化，然后将第i地的施肥量Q_i与第i+1块地的施肥量Q_i+1进行比较，按照e＝Q_i+1-Q_i、和ei＝∫edt分别得出两个施肥量的误差e、误差变化率ec和误差积分ei；

步骤3：控制器将步骤2所得的误差e与误差变化率ec进行模糊化处理，得到适于模糊运算的模糊量误差E与模糊量误差变化率EC；

步骤4：确立模糊控制规则表，并根据模糊控制规则表对步骤3所得的模糊量误差E与模糊量误差变化率EC进行模糊推理，查表得到调整参数的增量ΔK_P、ΔK_I、ΔK_D；

步骤5：控制器对步骤4所得结果分别进行逆模糊化处理，得到控制参数K_P、K_I、K_D；

步骤6：控制器将步骤3所获得的误差e与误差变化率ec与步骤5所得的控制参数K_P、K_I、K_D采用非线性PID控制法进行组合，得到控制量u(t),其中u(t)＝e(17+17K_P)+ei(3+2K_I)+ec(2.7+2K_D)，然后控制步进电机调节施肥机构的施肥量；

步骤7：获取装置的行进速度V，控制器(3)按照T_i+1＝L_i+1/V计算出第i+1块地对应的排肥孔开度的保持时间T_i+1；

步骤8：返回步骤2循环控制，直至全部地块施肥完成。

作为进一步描述，所述步骤7中装置的行进速度由速度传感器获取。

采用上述方法，根据每一块地的施肥信息计算出相邻两块地施肥量的差值，然后得出对步进电机的控制量,并通过控制其转动的方向与圈数，从而实现变量施肥，之后再根据每块地的长度计算出该施肥量下排肥孔开度的保持时间，实现每块地的均匀施肥，从而实现精准的按需施肥。

本发明的显著效果是：结构简单，实时的根据每一块地的施肥信息控制步进电机调节施肥装置的施肥量，实现了精确的按需施肥，提高了肥量的利用率，减少了对生态环境的影响，且推广成本低。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中施肥机构的结构示意图；

图3是本发明中模糊PID控制法的原理框图；

图4是本发明与传统技术的控制效果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

如图1与图2所示，一种基于步进电机的自动变量施肥装置，包括牵引装置1和安装在该牵引装置1上的施肥机构，所述施肥机构包括料箱4与排料调节装置，所述排料调节装置设置有盖板6与底板7，所述盖板6与底板7对应开设有六个通孔，所述盖板6盖装在底板7上，盖板6上的通孔与底板7上的通孔形成排肥孔，每个盖板6上的通孔均通过一根导肥管5与所述料箱4相通，每个底板7的通孔上连接有一根施肥管8，在所述盖板6与底板7之间插接有调节板9，该调节板9上开设有六个与所述排肥孔适应的过料孔，在所述调节板9的一侧设置有齿条，所述齿条与步进电机10转动轴上的齿轮啮合，通过控制步进电机10带动调节板9左右移动改变排肥孔的开度实现变量施肥。

从图1中还可以看出，在具体实施时，在所述牵引装置1上还设有速度传感器2和控制器3。

如图2所示，所述导肥管5与施肥管8均为圆管，且其管心线位于同一条直线上。

从图2中还可以看出，所述料箱4左侧壁的下端部设为斜面，该斜面的斜度为30°～60°。

根据上述设备，对这种基于步进电机的自动变量施肥装置的控制方法，其处理步骤如下：

首先进入步骤1：通过预先根据测土配方或专家系统决策分析，得到的相同大小地块的施肥信息，形成施肥处方图，然后为了便于计算与控制，本实施例中待施肥的地被均分为n块，每块地的长度均为L，每块地的宽与施肥装置的有效幅宽相等，每块地通过施肥决策系统计算得出相对应的施肥量为Q_i，i＝1～n，排肥孔的个数Z，单个排肥孔全开下单位时间的排肥量为q；

排肥孔的开度系数R分为7个等级，分别为全开、5/6全开、4/6全开、3/6全开、2/6全开、1/6全开和全闭，此时施肥装置的行进速度为V，则每块地的施肥量Qi与排肥器排肥孔的开度系数R_i之间的关系为： $Q_i=R_i\×z\×q\×\frac{L}{V};$

然后进入步骤2：控制器3确定用于模糊控制的输入变量、输出变量及结构，然后将每块地的施肥量Q_i模糊化，如图3所示，当施肥装置即将从第i块地进入第i+1块地时，控制器3将第i地的施肥量Q_i与第i+1块地的施肥量Q_i+1进行比较，按照e＝Q_i+1-Q_i、和ei＝∫edt分别得出两个施肥量的误差e、误差变化率ec和误差积分ei；

然后进入步骤3：将误差e与误差变化率ec变化范围定义为模糊集上的论域，两者的论域均设为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，对应的模糊子集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},即代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。由此可以确定误差e与误差变化率ec的隶属函数，然后控制器3将步骤2所得的误差e与误差变化率ec进行模糊化处理，得到适于模糊运算的模糊量误差E与模糊量误差变化率EC；

其次进入步骤4：对参数K_P、K_I、K_D分别进行整定，得到三者的模糊控制规则表，如表1，2，3所示，并根据模糊控制规则表对步骤3所得的模糊量误差E与模糊量误差变化率EC进行模糊推理，查表得到调整参数的增量ΔK_P、ΔK_I、ΔK_D；

其中，模糊规则确立的原则是，当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要控制目的；当误差较大时，选择控制量要避免误差过大，以尽快消除误差为主要控制目的；

其次进入步骤5：控制器3对步骤4所得结果分别进行逆模糊化处理，得到控制参数K_P、K_I、K_D；

然后进入步骤6：将表1、2、3经过PID控制法处理后得到控制量u(t)的控制规则表，如表4所示，控制器3将步骤3所获得的误差e与误差变化率ec与步骤5所得的控制参数K_P、K_I、K_D采用非线性PID控制法进行组合，得到对步进电机10的控制量u(t)，其中u(t)＝e(17+17K_P)+ei(3+2K_I)+ec(2.7+2K_D)即为不同施肥量下排肥孔开度系数R的增量，然后控制步进电机10转动，将排肥孔的开度系数由R_i改变为R_i+1，实现施肥机构的变量施肥；

然后进入步骤7：通过速度传感器2获取装置的行进速度V，控制器(3)按照T_i+1＝L/V计算出第i+1块地对应的排肥孔开度的保持时间T_i+1；

最后进入步骤8：返回步骤2循环控制，直至全部地块施肥完成。

从附图4中可以看出，常规PID控制下的系统的上升时间为0.74s，峰值时间为1.25s，调节时间为4.34s，超调量为35％。而模糊PID控制下的系统的上升时间为0.47s，峰值时间为0.75s，调节时间为2.00s，超调量为20％(图中左侧曲线为模糊PID控制效果曲线，右侧曲线为常规PID控制效果曲线)。对比传统施肥技术中采用的常规PID控制，采用模糊PID控制法下本施肥装置的响应速度更快、调节精度更高、稳态性能更好，可以更好的对施肥量进行精准控制，更好的实现按需喷药。

表1K_P的模糊控制规则表

表2K_I的模糊控制规则表

表3K_D的模糊控制规则表

Claims (5)

1.一种基于步进电机的自动变量施肥装置，包括牵引装置(1)和安装在该牵引装置(1)上的施肥机构，其特征在于：所述施肥机构包括料箱(4)与排料调节装置，该排料调节装置开设有N个排肥孔，每个排肥孔的上端通过一根导肥管(5)与所述料箱(4)相通，每个排肥孔的下端连接有一根施肥管(8)，在所述排料调节装置内还插接有调节板(9)，该调节板(9)上开设有N个与所述排肥孔相适应的过料孔，在所述调节板(9)的一侧设有齿条，该齿条与步进电机(10)转动轴上的齿轮啮合，通过步进电机(10)带动调节板(9)左右移动改变排肥孔的开度实现变量施肥；

所述牵引装置(1)上还设有速度传感器(2)和控制器(3)；

所述排料调节装置包括盖板(6)与底板(7)，盖板(6)与底板(7)相对开设有N个通孔，每根所述导肥管(5)的下端与盖板(6)上的一个通孔相连，每根所述施肥管(8)的上端与底板(7)上的一个通孔相连，盖板(6)盖装在底板(7)上，所述调节板(9)插接在盖板(6)与底板(7)之间。

2.根据权利要求1所述的基于步进电机的自动变量施肥装置，其特征在于：所述导肥管(5)与施肥管(8)均为圆管，且其管心线位于同一直线上。

3.根据权利要求1所述的基于步进电机的自动变量施肥装置，其特征在于：所述料箱(4)左侧壁的下端部设为斜面，该斜面的斜度为30°～60°。

4.一种如权利要求1所述的基于步进电机的自动变量施肥装置的控制方法，其特征在于：

步骤1：参数设置，每块地的施肥量为Q_i，每块地的长度为L_i，i＝1～n，n为待施肥的地块数；

步骤2：控制器(3)采用模糊控制算法将每块地的施肥量Q_i模糊化，然后将第i块地的施肥量Q_i与第i+1块地的施肥量Q_i+1进行比较，按照e＝Q_i+1-Q_i、和ei＝∫edt分别得出两个施肥量的误差e、误差变化率ec和误差积分ei；

步骤3：控制器(3)将步骤2所得的误差e和误差变化率ec进行模糊化处理，得到适于模糊运算的模糊量误差E与模糊量误差变化率EC；

步骤4：确立模糊控制规则表，并根据模糊控制规则表对步骤3所得的模糊量误差E与模糊量误差变化率EC进行模糊推理，查表得到调整参数的增量ΔK_P、ΔK_I、ΔK_D；

步骤5：控制器(3)对步骤4所得结果分别进行逆模糊化处理，得到控制参数K_P、K_I、K_D；

步骤6：控制器(3)将步骤3所获得的误差e与误差变化率ec与步骤5所得的控制参数K_P、K_I、K_D采用非线性PID控制法进行组合，得到控制量u(t),其中u(t)＝e(17+17K_P)+ei(3+2K_I)+ec(2.7+2K_D)，然后控制步进电机(10)调节施肥机构的施肥量；

步骤7：获取装置的行进速度V，控制器(3)按照T_i+1＝L_i+1/V计算出第i+1块地对应的排肥孔开度的保持时间T_i+1；

步骤8：返回步骤2循环控制，直至全部地块施肥完成。

5.根据权利要求4所述的基于步进电机的自动变量施肥装置的控制方法，其特征在于：所述步骤7中装置的行进速度由速度传感器(2)获取。