CN114788444A - 一种施肥机的施肥深度调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种施肥机的施肥深度调控方法，属于信息技术应用于农机领域。施肥机的机架与装有刀盘的刀盘架上端在第一铰接点铰接，且与液压缸一端在第二铰接点铰接；液压缸的另一端与刀盘架铰接；机架上装有检测夹角的角度传感器；角度传感器的信号输出端通过PID控制器接液压缸的受控端；PID控制器接收实时角度信号，求出实际开沟深度；判断实际开沟深度与预定开沟深度之差是否小于预定允差；并通过PID计算开沟深度控制变量值；输出控制变量值决定的电流，控制液压缸相应动作。本发明实现了自动调控开沟深度控制施肥深度，且借助PID控制，使调控准确、响应速度快，有效避免了超调，提高了鲁棒性。

Description

一种施肥机的施肥深度调控方法

技术领域

本发明涉及一种施肥调控装置，尤其是一种施肥机的施肥深度调控方法，同时还涉及相应的调控方法，属于信息技术应用于农机领域。

背景技术

施肥是蔬菜、果树等作物培植生产中的关键作业环节，肥质量直接影响蔬菜、果树对其养分的吸收。研究表明：“以有机肥为主，化肥为辅”的施肥原则可以将化肥利用率提高到50%，将有机肥和化肥按照科学配比进行混合深施不仅能充分满足作物生长的养分需求，提升瓜菜的产量和品质，还能促进根系吸收，减少地表流失，提高肥料利用率。由于蔬菜与果树的根系差异较大，施肥深度在10cm-40cm变化，落后的施肥技术不仅会导致肥料的浪费，还会造成环境的污染和土壤理化性质的退化。因而针对不同作物调控适当的施肥深度具有重要意义。

检索可知，申请号为201710264071.6的中国专利公开了一种开沟深度自动调节的全液压果园施肥机。包括机架、测距系统、控制系统、液压系统、开沟系统、施肥系统和覆土系统。测距系统实时传输距离信号，通过对比测距系统传输的信号与预设值，控制系统控制电磁比例换向阀工作。然而该发明中的测距系统采用的是红外发射对管与红外接收对管进行测量，施肥机在工作过程中是先开沟再施肥，因此开沟时抛出的土壤会对发射的红外信号产生干扰，导致其测距不准确。

此外，申请号为202010174812.3的中国专利文献公开了应用于烟草调节施肥深度的施肥机，包括机架、行走装置、施肥升降装置和起垄装置。肥料箱由液压伸缩杆控制转动，通过调节肥料箱的施肥高度调节施肥深度；通过在机架上安装深度检测器，在行走装置上安装转速传感器，控制单元根据接收的深度信号和行驶速度信号控制升降装置的施肥深度和施肥量，同时控制起垄装置的起垄高度。然而，该专利的技术方案需要在下田前通过开沟器安装螺栓调整两个开沟器的上下高度和相互之间的间距来确定施肥深度和宽度,所以其调节范围有限，适应性欠佳，而且也难以准确调控。

发明内容

本发明的目的在于：针对以上现技术存在的缺点，提出一种适于颗粒固体肥料，调控快捷、准确，适用范围广的施肥机的施肥深度调控方法。

本发明施肥机的施肥深度调控方法的基本技术方案：所述施肥机包括上部装有施肥箱、底部装有导肥器的机架，所述机架与下端装有旋转开沟刀盘的刀盘架上端在第一铰接点铰接，且与液压缸一端在第二铰接点铰接；所述液压缸的另一端与刀盘架铰接；

所述机架上装有检测第二铰接点至开沟刀盘旋转中连心线与水平线夹角的角度传感器；所述角度传感器的信号输出端通过PID控制器接液压缸的受控端；

所述PID控制器按如下步骤进行调控：

第一步、接收角度传感器的实时角度信号，根据下式求出实际开沟深度：

H(k)=L（sinα-sinθ）

式中：

H(k)——第k次采样周期的实际开沟深度，单位mm；

L ——第二铰接点至开沟刀盘旋转中连心线长度，单位：mm；

α——刀盘架倾角、即第二铰接点至开沟刀盘旋转中连心线与水平线夹角的实时角度，单位：度；

θ——开沟刀盘刚接触底面时，第二铰接点至开沟刀盘旋转中连心线与水平线夹角，单位：度；

第二步、判断实际开沟深度H(k)与预定开沟深度H之差是否小于预定允差；如是则返回第一步；如否则进行下一步；

第三步、按下式计算开沟深度控制变量值

u（k）= k_p e（k）+ k_d{ e（k）- e（k-1）}/T+ k_iΣe（i）T

k_p= k_p0+Δk_p

k_d= k_d0+Δk_d

k_i= k_i0+Δk_i

i=1—k的自然数

式中：

u（k）——开沟深度控制变量值，单位mm；

k_p——比例单元

k_d——微分单元

k_i——积分单元

k_p0——比例单元初始值

k_d0——微分单元初始值

k_i0——积分单元初始值

Δk_p——比例单元的修正值

Δk_d——微分单元的修正值

Δk_i——积分单元的修正值

e（k）——当前采样周期的开沟深度误差值，单位：mm

e（k-1）——上一个采样周期的开沟深度误差值，单位：mm

e（i）——第i次采样周期的开沟深度误差值，单位：mm

T——采样周期，单位：sec；

第四步、判断实际开沟深度是否大于预定开沟深度；如是则进行下一步；如否则进行第六步；

第五步、输出控制变量值决定的电流，控制液压缸缩回，返回第一步；

第六步、输出控制变量值决定的电流，控制液压缸伸出，返回第一步。

采用本发明后，不仅实现了通过实时自动调控开沟深度控制施肥深度，而且借助PID控制，使调控准确、响应速度快，有效避免了超调，提高了鲁棒性。此外，测距采用角度传感器，通过采集开沟刀刚接触地面时的角度倾角，以及作业过程中的开沟刀与地面的角度倾角，实时计算开沟深度。由于角传感器具有无触点、无噪声、高灵敏度、高重复性、环境适用性强等特点，因此这种测距方法在开沟过程中检测实时开沟深度更加高效准确。

本发明进一步的完善是：所述液压缸的液压系统中，油泵的供油端通过电磁换向阀接至液压缸，且还经先与单向阀串联、再与所述电磁换向阀并联的手控阀接至液压缸。

本发明更进一步的完善是：所述角度传感器的信号输出端接所述PID控制器的相应信号输入端，所述PID控制器的施肥深度控制输出端接所述电磁换向阀的受控端。

本发明再进一步的完善是：所述开沟深度误差值200±10mm、开沟深度误差变化率50±5%时，选取Δk_p=2－2.5，Δk_i=-2.5－-1.5，Δk_d =-0.35－-0.25。

本发明又进一步的完善是：所述开沟深度误差值90±10mm、开沟深度误差变化率15±5%时，选取Δk_p=-1－-0.5，Δk_i=0.6－1，Δk_d =0.5－0.8。

本发明还进一步的完善是：所述开沟深度误差值30±5mm、开沟深度误差变化率5±1%时，选取Δk_p=0.2－0.5，Δk_i=0.3－0.8，Δk_d =--0.35－-0.25。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是采用本发明一个实施例的施肥机结构示意图。

图2是图1的侧视图。

图3是图1实施例中刀盘架部分的结构示意图。

图4是图1实施例的开沟深度与刀盘架倾角关系图。

图5是图1实施例的液压系统原理图。

图6是图1实施例的电控原理图。

图7是图1实施例的控制过程逻辑框图。

图8是图1实施例的PID控制原理图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的施肥深度调控方法在申请号为201910982438 .7的中国发明申请公开的瓜菜基肥深施机基础上升级改造，实现了施肥深度的智能化自动调控。该施肥机如图1至图3所示，机架1上部装有施肥箱1-1、底部装有导肥器1-2。机架1与下端装有旋转开沟刀盘4的刀盘架2上端在第一铰接点A铰接，且与液压缸3的一端在第二铰接点B铰接；液压缸3的另一端与刀盘架2在C点铰接。开沟刀盘4装有转速传感器。机架1上装有检测第二铰接点B至开沟刀盘旋转中连心线L与水平线夹角的角度传感器（参见图4，图中P为底面水平线、对应的夹角是θ，P’为沟底水平线、对应的夹角是α）。施肥机在行进过程中，开沟机构沿作业区域开沟前进，排肥口肥料输送至开沟机构的开沟区域内，开沟深度即肥料落肥的位置，因此通过调节开沟深度即可调节施肥深度。

角度传感器的信号输出端通过作为PID控制器的STM32F105单片机接液压缸3的受控端。液压缸3的液压系统如图5所示，油泵P的供油端通过电磁换向阀Y2接至液压缸3,并且还经先与单向阀Y4串联、再与电磁换向阀Y2并联的手控阀Y3接至液压缸3。油泵P的供油端接有溢流阀Y1。如图6所示，角度传感器和转速传感器的信号输出端接PID控制器的相应信号输入端，PID控制器的施肥深度控制输出端接电磁换向阀Y2的受控端。

工作时，如图7、图8所示，PID控制器按如下步骤进行调控：

第一步、接收角度传感器的实时角度信号，根据下式求出实际开沟深度：

H(k)=L（sinα-sinθ）

式中：

H(k)——第k次采样周期的实际开沟深度，单位mm；

L ——第二铰接点至开沟刀盘旋转中连心线长度，单位：mm；

α——刀盘架倾角、即第二铰接点至开沟刀盘旋转中连心线与水平线夹角的实时角度，单位：度；

θ——开沟刀盘刚接触底面时，第二铰接点至开沟刀盘旋转中连心线与水平线夹角，单位：度；

第二步、判断实际开沟深度H(k)与预定开沟深度H之差是否小于预定允差；如是则返回第一步；如否则进行下一步；

第三步、按下式计算开沟深度控制变量值

u（k）= k_p e（k）+ k_d{ e（k）- e（k-1）}/T+ k_iΣe（i）T

k_p= k_p0+Δk_p

k_d= k_d0+Δk_d

k_i= k_i0+Δk_i

i=1—k的自然数

式中：

u（k）——开沟深度控制变量值，单位mm；

k_p——比例单元

k_d——微分单元

k_i——积分单元

k_p0——比例单元初始值（0.5~2)

k_d0——微分单元初始值（0.5~1.5)

k_i0——积分单元初始值（0~1)

Δk_p——比例单元的修正值（-3~3)

Δk_d——微分单元的修正值（-3~1)

Δk_i——积分单元的修正值（-1~1)

e（k）——当前采样周期的开沟深度误差值（即实际开沟深度H(k)与预定开沟深度H之差），单位：mm

e（k-1）——上一个采样周期的开沟深度误差值，单位：mm

e（i）——第i次采样周期的开沟深度误差值，单位：mm

T——采样周期，单位：sec，5-10sec

第四步、判断实际开沟深度是否大于预定开沟深度；如是则进行下一步；如否则进行第六步；

第五步、输出控制变量值决定的电流，控制电磁换向阀DT1得电，控制液压缸缩回，返回第一步；

第六步、输出控制变量值决定的电流，控制电磁换向阀DT2得电，控制液压缸伸出，返回第一步。

各初始值和修正值可在以上其优选的取值范围酌情预设，原则上：当误差较大时，控制量的变化应尽量使误差迅速减小；当误差较小时，除了要消除误差以外，还要考虑系统的稳定性，防止系统产生不必要的超调、甚至振荡。例如，预设误差ɛ为20mm，(1)当开沟深度误差e=200mm，开沟深度误差变化率ec（开沟深度的误差变化率，ec(k)=[e(k)-e(k-1)]/T）=50%时，优选Δk_p=2.35，Δk_i=-2.21，Δk_d =-0.323, 开沟深度误差e＞5ɛ，为了促使系统响应加快，采用较大比例系数k_p，为了避免积分饱和产生，使积分系数k_i取值较小，当出现误差变化率瞬时突变增大时，适当减小微分单元k_d，也可使系统不发生大的超调现象。(2) 当开沟深度误差e=90mm，开沟深度误差变化率ec=15%时，此时优选Δk_p=-0.828，Δk_i=0.732，Δk_d =0.69,此时开沟深度误差2ɛ＜e≤5ɛ大小适中，为了避免控制系统发生超调，k_p取值较小。（3）当开沟深度误差e=30mm，开沟深度误差变化率ec=5%时，此时优选Δk_p=0.356，Δk_i=0.54，Δk_d =-0.323,此时开沟误差ɛ≤e≤2ɛ较小时，为了使控制系统变得更加稳定，将k_p和k_i设定较大，应根据ec调整k_d，以提高控制系统鲁棒性。

本实施例的调控方法适用于有机肥/颗粒肥等固体肥的施用，其由模糊PID算法进行调控，在实时控制时将复杂的推理运算转化，提高了响应速度；调控方法采用电液控制方法，通过控制器控制电磁换向阀组工作调整液压缸工作，改变开沟刀盘下降高度实现对开沟深度的实时控制；并加入了手动调节功能，满足了施肥机与拖拉机连接后在非作业状态下车辆的转运、行驶及作业状态下突发故障的应急处理。具体而言，采用STM32F105单片机作为PID控制器工作时，角度传感器、转速传感器实时采集反映开沟深度、开沟刀转速等工作参数信息经CAN总线传入到STM32F105单片机后，通过模糊PID处理，得到开沟深度的控制变量值，该单片机依此输出相应的PWM占空比，通过电压跟随器将高频率PWM波变为稳定的直流，以适当大小的电流控制电磁换向阀相应动作，进而驱动开沟液压系统中液压缸的活塞杆动作，达到合理调控开沟深度的目的。试验表明，本实施例不仅实现了通过实时自动调控开沟深度控制施肥深度，而且由PID控制得到的开沟深度控制变量值确定输出电流，可以有效避免超调，提高鲁棒性，使调控准确、迅速。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种施肥机的施肥深度调控方法，所述施肥机包括上部装有施肥箱、底部装有导肥器的机架，其特征在于：所述机架与下端装有旋转开沟刀盘的刀盘架上端在第一铰接点铰接，且与液压缸一端在第二铰接点铰接；所述液压缸的另一端与刀盘架铰接；

所述机架上装有检测第二铰接点至开沟刀盘旋转中连心线与水平线夹角的角度传感器；所述角度传感器的信号输出端通过PID控制器接液压缸的受控端；

所述PID控制器按如下步骤进行调控：

第一步、接收角度传感器的实时角度信号，根据下式求出实际开沟深度：

H(k)=L（sinα-sinθ）

式中：

H(k)——第k次采样周期的实际开沟深度，单位mm；

L ——第二铰接点至开沟刀盘旋转中连心线长度，单位：mm；

α——刀盘架倾角、即第二铰接点至开沟刀盘旋转中连心线与水平线夹角的实时角度，单位：度；

θ——开沟刀盘刚接触底面时，第二铰接点至开沟刀盘旋转中连心线与水平线夹角，单位：度；

第二步、判断实际开沟深度与预定开沟深度之差是否小于预定允差；如是则返回第一步；如否则进行下一步；

第三步、按下式计算开沟深度控制变量值

u（k）= k_p e（k）+ k_d{ e（k）- e（k-1）}/T+ k_iΣe（i）T

k_p= k_p0+Δk_p

k_d= k_d0+Δk_d

k_i= k_i0+Δk_i

i=1—k的自然数

式中：

u（k）——开沟深度控制变量值，单位mm；

k_p——比例单元

k_d——微分单元

k_i——积分单元

k_p0——比例单元初始值

k_d0——微分单元初始值

k_i0——积分单元初始值

Δk_p——比例单元的修正值

Δk_d——微分单元的修正值

Δk_i——积分单元的修正值

e（k）——当前采样周期的开沟深度误差值，单位：mm

e（k-1）——上一个采样周期的开沟深度误差值，单位：mm

e（i）——第i次采样周期的开沟深度误差值，单位：mm

T——采样周期，单位：sec；

第四步、判断实际开沟深度是否大于预定开沟深度；如是则进行下一步；如否则进行第六步；

第五步、输出控制变量值决定的电流，控制液压缸缩回，返回第一步；

第六步、输出控制变量值决定的电流，控制液压缸伸出，返回第一步。

2.根据权利要求1所述的施肥机的施肥深度调控方法，其特征在于：所述液压缸的液压系统中，油泵的供油端通过电磁换向阀接至液压缸，且还经先与单向阀串联、再与所述电磁换向阀并联的手控阀接至液压缸。

3.根据权利要求2所述的施肥机的施肥深度调控方法，其特征在于：所述角度传感器的信号输出端接所述PID控制器的相应信号输入端，所述PID控制器的施肥深度控制输出端接所述电磁换向阀的受控端。

4.根据权利要求3所述的施肥机的施肥深度调控方法，其特征在于：所述开沟深度误差值200±10mm、开沟深度误差变化率50±5%时，选取Δk_p=2－2.5，Δk_i=-2.5－-1.5，Δk_d =-0.35－-0.25。

5.根据权利要求3所述的施肥机的施肥深度调控方法，其特征在于：所述开沟深度误差值90±10mm、开沟深度误差变化率15±5%时，选取Δk_p=-1－-0.5，Δk_i=0.6－1，Δk_d =0.5－0.8。

6.根据权利要求3所述的施肥机的施肥深度调控方法，其特征在于：所述开沟深度误差值30±5mm、开沟深度误差变化率5±1%时，选取Δk_p=0.2－0.5，Δk_i=0.3－0.8，Δk_d =--0.35－-0.25。

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