CN110320941B

CN110320941B - 基于土壤坚实度监测的播种单体下压力自动控制系统

Info

Publication number: CN110320941B
Application number: CN201910627838.6A
Authority: CN
Inventors: 崔涛; 赵慧慧; 张东兴; 杨丽; 荆慧荣; 樊晨龙; 吴海亮; 杨瑞梅
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2019-07-12
Filing date: 2019-07-12
Publication date: 2021-07-16
Anticipated expiration: 2039-07-12
Also published as: CN110320941A

Abstract

一种基于土壤坚实度监测的播种单体下压力自动控制系统，包括电控系统和液压系统，其中：所述电控系统包括土壤坚实度监测机构、下压力监测机构和PLC控制器；所述液压系统包括液压缸、三位四通电液比例换向阀、手动减压阀、拖拉机液压系统、单向阀和蓄能器；所述PLC控制器根据土壤坚实度监测机构和下压力监测机构检测到的土壤坚实度值和实时下压力值控制液压系统。本发明的自动控制系统，能够适应复杂多变的田间耕作条件，根据不同土壤坚实度条件实时调节目标下压力，提高播深一致性及稳定性。

Description

基于土壤坚实度监测的播种单体下压力自动控制系统

技术领域

本发明属于农业机械领域，具体涉及一种基于土壤坚实度监测的播种单体下压力自动控制系统。

背景技术

播种深度作为玉米播种机播种作业质量的重要指标之一，对玉米产量有非常大的影响。播种深度一致性差，会影响出苗整齐度，降低群体密度和整齐度，致使玉米植株在群体内所处的温度、光照等环境条件不一致，进而影响玉米果穗数和植株干物质的积累，最终造成产量降低。在保护性耕作条件下，土地表面常年被残茬、秸秆和杂草覆盖，土壤坚硬，地表情况复杂多样，导致免耕播种机的作业条件多变，影响免耕施肥播种质量，尤其是对播深控制影响较大，给免耕播种带来了很大的困难。目前，我国大多数免耕播种机主要依靠平行四连杆机构以及人工调节弹簧对地面进行仿形来保证播深稳定性，但平行四连杆仿形机构和弹簧调节都属于被动式仿形，在土壤较硬，残茬过多的情况下仿形效果差，不能够很好的保证播深稳定性。目前，主动作用式仿形技术已成为玉米精密播种技术的重点研究内容之一，能实现理想的播种深度一致性和合理的土壤压实度。

目前，国内对播种单体下压力的研究较少，尚处于起步阶段，而且其关注重点多为开沟器开沟深度的控制，而忽略了播种单体下压力对播深一致性和土壤压实程度的影响。如果播种单体的下压力过小，随着种箱、肥箱重量的减少，播深变浅，种墙极易坍塌，导致播深株距合格率和稳定性降低；如果播种单体下压力过大，种沟两侧土壤存在过度压实，种子出苗困难，只能沿种沟方向生长。而对于同位仿形式播种机来说，开沟圆盘底部与限深轮底部的高度差为其播种深度，实时监测控制限深轮的受力情况，不仅可以有效控制播深稳定性，同时对种墙两侧的下压力有一个合理的把控。而且由于土壤条件的多变性，仅仅通过单一下压力实时控制并不能适应不同土壤条件，通用性差。因此通过不同的土壤坚实度条件对播种单体进行下压力自动实时控制，不仅能够为种子提供一个更佳的生长环境，而且对精量播种的播种一致性及稳定性也具有重要意义。

针对上述问题，本发明提供了一种基于土壤坚实度监测的播种单体下压力自动控制系统，能够适应复杂多变的田间耕作条件，根据不同土壤坚实度条件实时调节目标下压力，提高播深一致性及稳定性。

发明内容

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种基于土壤坚实度监测的播种单体下压力自动控制系统，包括施肥机构、播种单体、电控系统和液压系统，其中：所述电控系统包括土壤坚实度监测机构、下压力监测机构和PLC控制器；所述液压系统包括液压缸、三位四通电液比例换向阀、手动减压阀、拖拉机液压系统、单向阀和蓄能器；所述PLC控制器根据土壤坚实度监测机构和下压力监测机构检测到的土壤坚实度值和实时下压力值控制液压系统完成下压力的调节。

所述的控制系统，其中：其中土壤坚实度监测机构包括第一应变片和第一电压放大电路，第一应变片安装在施肥机构的施肥铲上部的连接杆上，下压力监测机构包括第二应变片和第二电压放大电路，第二应变片安装在播种单体限深轮臂上。

所述的控制系统，其中：第一应变片和第二应变片产生的电信号分别经过第一电压放大电路和第二电压放大电路放大后传输给PLC控制器，PLC控制器计算后得到当前的土壤坚实度值和实时下压力，然后PLC控制器根据土壤坚实度值自动选择目标下压力。

所述的控制系统，其中：PLC控制器根据自动选择的目标下压力值和下压力监测机构实时检测的实际下压力值的偏差大小进行相应运算处理，然后将输出值输送到三位四通电液比例换向阀来控制液压输出压力速率、大小和方向。

所述的控制系统，其中：所述播种单体包括前梁、平行四连杆仿形机构、播种系统、机架、播深调节手柄、限深轮臂、镇压轮、限深轮和双圆盘开沟器。

所述的控制系统，其中：播种系统包括导种管、排种器和种箱；平行四连杆仿形机构与机架、限深轮与限深轮臂、限深轮臂与机架、播深调节手柄与机架、镇压轮与机架之间均采用铰接方式连接。

所述的控制系统，其中：施肥机构包括施肥铲臂和施肥铲，施肥铲焊接在施肥铲臂上，施肥铲臂固接在前梁上。

所述的控制系统，其中：蓄能器旁接在拖拉机液压系统出口处，单向阀安装在蓄能器和拖拉机液压系统的接口处，单向阀出油端连接在手动减压阀的进油口处，手动减压阀出油口旁接液压表，手动减压阀的出油口与三位四通电液换向阀的P油口相连，换向阀的T油口接油箱，换向阀的A、B口分别接液压缸的进油口和回油口；拖拉机液压系统中，溢流阀旁接在液压泵的出口处，过滤器安装在液压泵的吸油口。

所述的控制系统，其中：液压缸连接在平行四连杆之间，前端固定在平行四连杆固定架顶端上，伸出杆端固定在平行四连杆机构的下两杆之间的横梁上。

所述的控制系统，其中：PLC控制器根据土壤坚实度值自动选择目标下压力的PID算法如下：

其中：T为PLC控制器输出控制量，Kff：前馈增益，Kp:比例增益，Ki:积分增益，Kd:微分增益，Dd：根据土壤坚实度选择的目标下压力值，err:目标下压力和当前下压力的误差值,ΔErr:基于两个连续err值间的误差微分值。

所述的控制系统，其中：第二应变片与土壤坚实度值的关系为：y＝0.2958x-764.54 R²＝0.99，其中X为应变片的1-2的输出信号；Y为当前下压力，用于表示当前的土壤坚实度值；R²是线性拟合度。

一种播种机，其特征在于包括如上之一所述的控制系统。

附图说明

图1为本发明机械结构原理示意图；

图2为本发明电控系统的结构示意图；

图3为本发明PID调节算法模块原理示意图；

图4为本发明液压系统的结构示意图。

其中的附图标记为：

1 应变片 2 施肥铲臂

3 前梁 4 液压缸

5 平行四连杆仿形机构 6 导种管

7 排种器 8 种箱

9 播种系统 10 机架

11 播深调节手柄 12 限深轮臂

13 镇压轮 14 限深轮

15 双圆盘开沟器 16 导肥管

17 施肥铲 18 24V开关电源

19 电压放大电路 20 PLC控制器

21 A/D转换模块 22 5V电源模块

23 PID算法调节模块 24 显示屏

25 三位四通电液比例换向阀 26 手动减压阀

27 拖拉机液压系统 28 土壤坚实度监测机构

29 下压力监测机构 30 播种单体

31 液压表 32 电机

33 过滤器 34 液压泵

35 溢流阀 36 单向阀

37 蓄能器

r(k) 目标下压力值 y(k) 下压力实际监测值

e(k) 目标值与实际值的偏 y(t) 电液比例阀实际输出差值

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行进一步说明。

如图1、图2、图4所示，根据本发明的基于土壤坚实度监测的播种单体下压力自动控制系统可应用于播种机的播种单体30，主要包括电控系统、液压系统和显示屏24。

其中，所述播种单体30包括播种系统、前梁3、平行四连杆仿形机构5、播种系统9、机架10、播深调节手柄11、限深轮臂12、镇压轮13、限深轮14和双圆盘开沟器15。其中播种单体30播种系统主要由导种管6、排种器7和种箱8组成。平行四连杆机构5与机架10、限深轮14与限深轮臂12、限深轮臂12与机架10、播深调节手柄11与机架10、镇压轮13与机架10之间均采用铰接方式连接。

播种机的施肥机构主要由施肥铲臂2和施肥铲17组成。施肥铲臂与施肥铲连接方式为焊接，施肥铲臂2和播种单体的平行四连杆机构均通过U型销钉固接在前梁3上，可沿前梁方向自由调节其相对位置，前梁3焊接在平行四连杆仿形机构5前部。

本领域技术人员应当理解，上述播种单体30仅为本发明基于土壤坚实度监测的播种单体下压力自动控制系统的一个具体应用示例，当然，本发明基于土壤坚实度监测的播种单体下压力自动控制系统也可以应用于其它结构的同位仿形播种单体(播种机)。

所述电控系统包括土壤坚实度监测机构28、下压力监测机构29、24V开关电源18、PLC控制器20，其中PLC控制器20内设A/D转换模块21-1和21-2、5V供电模块22和PID调节算法模块23。其中土壤坚实度监测机构28包括应变片1-1和电压放大电路19-1，应变片1-1安装在施肥铲上部的连接杆上，下压力监测机构29包括应变片1-2和电压放大电路19-2，应变片1-2安装在限深轮臂12上。与常规的将应变片安装在播深调节手柄与限深轮臂相接触的部位相比，应变片1-2安装在限深轮臂12上的好处在于：限深轮臂作为直接受力元件，受力面多为普通平面，变形容易测得，其受力面面积大，应变片易于安装，只需避开受力部位即可。而播深调节手柄与限深轮臂接触部位形状多样，为减少摩擦，多为曲面，应变片不易安装，需要进行二次加工，通用性差。

PLC控制器20和显示屏24均采用24V开关电源18供电。应变片1-1、1-2和电压放大电路19-1、19-2均采用PLC控制器20自带的5V电源模块22供电。所述应变片1-1、1-2产生的电信号分别经过电压放大电路19-1、19-2放大后，分别传输给PLC控制器20的A/D转换模块21-1、21-2进行A/D转换，之后由PLC控制器20根据转换后的信号值进行编程计算后得到当前的土壤坚实度值和实时下压力(应变片1-2信号与当前下压力的关系为：y＝0.2958x-764.54R²＝0.99，其中X为应变片的1-2的输出信号；Y为当前下压力，用于表示当前的限深轮与土壤之间接触的下压力值；R²是线性拟合度。而对于土壤坚实度的检测，即在不同土壤条件下进行施肥铲测试，记录应变片1-1的形变信号与土壤坚实度之间的关系值，并将这些数据保存在PLC控制器中，控制器可根据检测到的应变片1-1信号获得相应的土壤坚实度值)。然后控制器根据土壤坚实度值自动选择目标下压力(如表格1所示)，并与实时下压力比较，对其差值进行PID算法调节。得到的当前的土壤坚实度值和实时下压力值可通过CAN通讯传输到显示屏24并显示。

土壤坚实度(kPa)	目标下压力(kg)
		100-400	18-50
400-700	50-80
		700-1000	80-110
1000以上	110-140

表格1

所述显示屏24是触摸屏，可以选择手动或自动调节，自动调节就是利用土壤检测系统根据土壤坚实度值选择目标下压力，而手动调节就是用户在显示屏手动输入目标下压力值，进行调节。

所述液压系统包括液压缸4、三位四通电液比例换向阀25、手动减压阀26、拖拉机液压系统27、液压表31、单向阀36、蓄能器37。其中拖拉机液压系统27包括电机32、过滤器33、液压泵34、溢流阀35。蓄能器37旁接在拖拉机液压系统27出口处，用于当液压系统压力变化过大或者拖拉机给油不足时进行补油，蓄能器37还具有稳定压力、吸收液压冲击的作用。单向阀36安置在蓄能器37和拖拉机液压系统27的接口处，防止液压系统中的液压冲击影响液压泵34的工作。单向阀36出油端直接接在手动减压阀26的进油口，手动减压阀26出油口旁接液压表31，可以随时检测手动减压阀26的出口压力。手动减压阀26的出油口与三位四通电液换向阀28的P油口相连，换向阀28的T油口接油箱，其A、B口分别接液压缸4的进油口和回油口，控制液压缸4的伸缩。拖拉机液压系统27中，溢流阀35旁接在液压泵34的出口处限制其最高压力，过滤器33安装在液压泵34的吸油口，防止大颗粒杂质进入泵内，防止空穴现象。电机32用于驱动液压泵34以提供油源。

在没有拖拉机的情况下，可根据其组成自行搭建液压基站。手动减压阀26连接在拖拉机液压系统27与三位四通电液比例换向阀25之间，将所述液压系统的油压稳定在规定油压以内。三位四通电液比例换向阀25信号输入端与PLC控制器20中的PID调节算法模块23输出端连接，三位四通电液比例换向阀25接收来自PLC控制器20中的PID算法调节模块23的信号，控制液压缸4的运动方向与速度，根据液压缸4的推杆的推力来调节施加在播种单体30上的下压力。液压缸4连接在平行四连杆5之间，前端固定在平行四连杆固定架顶端上，伸出杆端固定在平行四连杆机构5的下两杆之间的横梁上。当目标下压力与当前下压力值不一致时，此时需要通过控制三位四通电液比例换向阀来实现液压缸4的伸缩来调节限深轮与地面之间的下压力。

如图3所示，PLC控制器20根据土壤坚实度监测机构28检测到的下压力自动选择目标下压力值，并根据下压力监测机构29计算实时下压力值。而PID调节算法模块23根据公式1自动选择的目标下压力值r(k)和下压力监测机构29实时计算的实际下压力值y(k)的偏差e(k)大小进行相应运算处理，然后将输出值T输送到三位四通电液比例换向阀25来控制液压输出压力速率、大小和方向，控制液压缸4实现下压力的调节。并根据下压力监测机构的实时反馈进行实时调节，形成闭环回路。

公式1如下：

PID算法：需要确定K_ff,Kp,Ki,Kd

其中：T为PLC控制器输出控制量，K_ff：前馈增益(当设置为零时表示PID没有前馈)，Kp:比例增益，Ki:积分增益，Kd:微分增益，Dd：基于土壤坚实度选择的目标下压力值，err:目标下压力和当前下压力的差值,ΔErr:基于两个连续err值间的误差微分值。

本发明的工作过程如下：

首先，根据土壤坚实度监测机构中的应变片根据施肥铲的形变得到不同的电压信号，由于其形变属于微变形，得到的电信号为毫伏级电信号，经电压放大器放大为0-5V，随后利用PLC控制器进行A/D信号转换和数据运算，得到当前的土壤坚实度值；PLC控制器根据当前土壤坚实度值自动选择目标下压力值。

下压力监测机构中的应变片信号经过相同处理，得到当前下压力值，当前下压力值反映的是深度调节手柄对限深轮力臂的反作用力，间接反映了限深轮与地面接触所受的反作用力大小。

随后，PLC控制器利用其PID算法调节模块对目标下压力与当前下压力的差值进行处理运算，输出控制信号到三位四通电液比例换向阀控制液压缸运动方向、运动速度以及液压缸作用在播种单体的液压力，达到快速、准确、有效调节下压力的目的。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明保护范围内。

Claims

1.一种基于土壤坚实度监测的播种单体下压力自动控制系统，包括施肥机构、播种单体、电控系统和液压系统，其特征在于：所述电控系统包括土壤坚实度监测机构、下压力监测机构和PLC控制器；所述液压系统包括液压缸、三位四通电液比例换向阀、手动减压阀、拖拉机液压系统、单向阀和蓄能器；所述PLC控制器根据土壤坚实度监测机构和下压力监测机构检测到的土壤坚实度值和实时下压力值控制液压系统完成下压力的调节；其中土壤坚实度监测机构包括第一应变片和第一电压放大电路，下压力监测机构包括第二应变片和第二电压放大电路；

第一应变片安装在施肥机构的施肥铲上部的连接杆上，第二应变片安装在播种单体限深轮臂上；

第一应变片和第二应变片产生的电信号分别经过第一电压放大电路和第二电压放大电路放大后传输给PLC控制器，PLC控制器计算后得到当前的土壤坚实度值和实时下压力，然后PLC控制器按如下表格根据检测得到的土壤坚实度值自动选择目标下压力；

PLC控制器将目标下压力与实时下压力比较，对其差值进行PID算法调节，如下：

其中：T为PLC控制器输出控制量，Kff：前馈增益，Kp：比例增益，Ki:积分增益，Kd:微分增益，Dd：根据土壤坚实度选择的目标下压力值，err:目标下压力和当前下压力的误差值，ΔErr:基于两个连续err值间的误差微分值；

第二应变片与当前下压力的关系为：y＝0.2958x-764.54R²＝0.99，其中x为第二应变片的输出信号；y为当前下压力，用于表示当前的土壤坚实度值；R²是线性拟合度。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：PLC控制器根据自动选择的目标下压力值和下压力监测机构实时检测的实际下压力值的偏差大小进行相应运算处理，然后将输出值输送到三位四通电液比例换向阀来控制液压输出压力速率、大小和方向。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述播种单体包括前梁、平行四连杆仿形机构、播种系统、机架、播深调节手柄、限深轮臂、镇压轮、限深轮和双圆盘开沟器。

4.一种播种机，其特征在于包括权利要求1-3之一所述的控制系统。