葛　蓁，熊　瓊，鄧明華，汪小志，鮑秀蘭

(1.武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院，武漢　430200；2.南昌大學(xué)，南昌　330031;3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，武漢　430070)

?

基于嵌入式通信系統(tǒng)的變量施肥虛擬樣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

葛蓁1，熊瓊1，鄧明華1，汪小志2，鮑秀蘭3

(1.武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院，武漢430200；2.南昌大學(xué)，南昌330031;3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，武漢430070)

摘要：為了達(dá)到液態(tài)施肥機(jī)高速作業(yè)的目標(biāo)，提出了一種新的施肥機(jī)施肥變量控制的方法，該方法主要采用Pro/E和ADMAS聯(lián)合仿真的方式對(duì)機(jī)構(gòu)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行驗(yàn)證，采用模糊控制和二階差分算法降低施肥量的誤差，使用PLC實(shí)現(xiàn)施肥數(shù)據(jù)的處理和通信。為了驗(yàn)證該方法的有效性和可靠性，應(yīng)用三維造型設(shè)計(jì)軟件Pro/E，繪制機(jī)構(gòu)各零部件模型并裝配，通過(guò)改變保存文件的類(lèi)型實(shí)現(xiàn)Pro/E與ADAMS數(shù)據(jù)交換，在ADAMS中建立機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得到了施肥機(jī)虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡。最后，通過(guò)PLC嵌入式通信系統(tǒng)的優(yōu)化，得到了虛擬樣機(jī)施肥量隨速度變化曲線，并將優(yōu)化前后的施肥準(zhǔn)確度和效率進(jìn)行了對(duì)比。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：使用PLC嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化后的施肥機(jī)，施肥的精確性得到了明顯的改善，且施肥效率較高，為變量施肥控制的研究提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：變量施肥；虛擬樣機(jī)；二階差分；嵌入式

0引言

傳統(tǒng)施肥機(jī)械都是對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行開(kāi)溝固體施肥，若遇地面干燥土質(zhì)較干，則作物對(duì)肥力吸出較慢，不利于作物生長(zhǎng)；若遇土質(zhì)太濕，不利于開(kāi)溝施肥，從而對(duì)作物生長(zhǎng)期的需肥狀況造成不利影響，若采用人工施肥則提高了勞動(dòng)強(qiáng)度且效率低下。液態(tài)施肥機(jī)克服傳統(tǒng)施肥機(jī)的缺點(diǎn)，可將化肥直接施在作物根系側(cè)旁，作物吸收快、利用率高，節(jié)約肥料，能有效減輕環(huán)境污染。因此，液態(tài)施肥機(jī)極具應(yīng)用價(jià)值。液態(tài)施肥的關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)液態(tài)肥施肥流量的控制，如果流量控制不合理，不僅會(huì)造成肥料的浪費(fèi)，也會(huì)降低糧食的產(chǎn)量。

本文設(shè)計(jì)了一種新的施肥機(jī)變量控制方法，運(yùn)用 Pro/E軟件繪制出機(jī)構(gòu)各零部件的三維實(shí)體圖和機(jī)構(gòu)裝配圖，而后轉(zhuǎn)到專(zhuān)業(yè)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件下，添加約束和運(yùn)動(dòng)副，最終形成系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)。對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡準(zhǔn)確性驗(yàn)證之后，采用PLC算法對(duì)排肥量的準(zhǔn)確性進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)施肥的準(zhǔn)確性和效率進(jìn)行了計(jì)算分析，為施肥機(jī)變流量精確控制的優(yōu)化提供了一種新的設(shè)計(jì)方法。

1變量流控制設(shè)計(jì)原理

數(shù)值仿真模擬應(yīng)用到施肥機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以大大提高機(jī)械的設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本。其設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1所示。

圖1　施肥機(jī)變流量控制過(guò)程

施肥機(jī)的變流量控制過(guò)程：首先利用Pro/E軟件創(chuàng)建施肥機(jī)虛擬樣機(jī)的模型，然后利用ADMAS軟件對(duì)施肥機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真；如果運(yùn)動(dòng)軌跡不正常，則需要重新建模，如果運(yùn)動(dòng)軌跡正常，則對(duì)速度模型機(jī)械優(yōu)化；同時(shí)，利用二階差分和模糊控制降低施肥量控制誤差，最終提高施肥量的控制精度。

圖2為PLC嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總體框架。由圖2可以看出：嵌入式系統(tǒng)的主要控制過(guò)程是依據(jù)施肥機(jī)的行進(jìn)速度，對(duì)施肥量進(jìn)行控制，并利用IC卡對(duì)施肥量的大小進(jìn)行決策控制，完成施肥的變流量自動(dòng)化控制。

圖2　PLC嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

2虛擬樣機(jī)力學(xué)模型和優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)施肥機(jī)施肥的變流量控制，需要對(duì)施肥過(guò)程中的主要變量進(jìn)行分析。施肥量一般和施肥機(jī)3方面的因素有關(guān)，包括施肥的跟進(jìn)速度、施肥機(jī)的行距和單行排肥器的排肥量。在施肥過(guò)程中，施肥機(jī)每公頃的施肥量為

(1)

其中，q表示單行排肥器的排肥量(L/s)；v表示施肥機(jī)前進(jìn)速度(km/h)；S表示施肥機(jī)行距(m)。在這3個(gè)量中，專(zhuān)家系統(tǒng)可以提供施肥量的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在IC卡中，進(jìn)行施肥決策；施肥機(jī)的前進(jìn)速度可以利用傳感器測(cè)出，機(jī)具的行距由施肥機(jī)的具體型號(hào)確定，排肥器的排肥量由排肥轉(zhuǎn)速控制。同時(shí)，可以通過(guò)定量實(shí)驗(yàn)得到排肥轉(zhuǎn)速的三元一次方程為

q=an3+bn2+cn+d

(2)

其中，a、b、c、d值是由不同化肥類(lèi)型確定的，通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)即可確定。三次方程的三次項(xiàng)和二次項(xiàng)系數(shù)都很小，可以忽略不計(jì)，因此可得

q=an+b

(3)

將式(3)代入式(1)，得

(4)

最終得到了排肥軸的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速可以通過(guò)模糊控制來(lái)實(shí)現(xiàn)排肥量的精確控制。首先，定義排肥量的誤差有

-2rad/s≤n(i)=n(i)-n(i-1)≤2rad/s

(5)

施肥機(jī)模糊控制轉(zhuǎn)速的基本誤差域?yàn)閚[-2,2]，利用模糊控制將誤差域進(jìn)行離散化，有

(6)

其中，x∈[r,z]，r表示誤差上限值，z表示誤差下限值，y為離散度。為了加速殘差的收斂，可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的方式，定義誤差的一階差商為

(7)

二階訓(xùn)練差商定義為

(8)

計(jì)算機(jī)上計(jì)算均差表的公式為

(9)

根據(jù)差商定義，把x看成[r,z]上一點(diǎn)，可得

(10)

把后1式代入前1式可得

(11)

利用誤差值，控制器在端子輸出電壓信號(hào)，通過(guò) PLC 進(jìn)行比較計(jì)算之后實(shí)現(xiàn)切換，最終使泵電機(jī)及變頻器均能夠正常工作，調(diào)節(jié)施肥的轉(zhuǎn)速。其使用的主要控制程序如下：

ld m1

ld x0

or y5

anb

out y5

mov k10 d2

rst m14

rst m19

rst m24

rst m29

ld m1

ani m19

ani y5

ldi m200

or m201

anb

out y0

……

3虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

3.1Pro/E建模和ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的施肥機(jī)變流量控制算法的有效性和可靠性，采用Pro/E和ADMAS聯(lián)合仿真的形式，對(duì)施肥機(jī)虛擬樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，以期得到施肥機(jī)的施肥速度和精度的驗(yàn)證結(jié)果。機(jī)構(gòu)總體裝配之后，需要利用Pro/E軟件建立虛擬樣機(jī)的模型，本研究采用自底向上的建模方式，建立虛擬樣機(jī)的基本部件齒輪，如圖3所示。

圖3　虛擬樣機(jī)齒輪模型

仿真時(shí)，將各部件進(jìn)行裝配后導(dǎo)入到ADMAS軟件中，運(yùn)用軟件自帶的機(jī)構(gòu)/運(yùn)動(dòng)分析功能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。設(shè)置齒輪之間的傳動(dòng)比及機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度，得到噴肥針尖的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖 4 所示。

相對(duì)于 Pro/E而言，ADAMS 的仿真能力能更強(qiáng)。由計(jì)算結(jié)果可以看出，仿真結(jié)果符合預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，得到生產(chǎn)要求的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡為淚滴型軌跡，從而驗(yàn)證了模型建構(gòu)和仿真分析的正確性。

圖4　虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡

3.2樣機(jī)嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化測(cè)試

為了實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)排肥速度的控制，本研究主要采用霍爾元件來(lái)測(cè)定速度?；魻栜浖?duì)露天灰塵的環(huán)境適應(yīng)好，價(jià)格相對(duì)便宜，體積小，性能好。此元件采用OC門(mén)，在輸出端與電源之間要接一個(gè)電阻，為了提高其帶負(fù)載能力，接1個(gè)三極管放大電路。其原理圖如圖5所示。

圖5　測(cè)速電路圖

其中，集成霍爾傳感器一般片內(nèi)設(shè)有穩(wěn)壓電路及施密特電路，通過(guò)晶體管的集電極輸出信號(hào)，并且輸出的脈沖信號(hào)不需進(jìn)行整形。這種傳感器還具有時(shí)滯特性，此特性可以防止噪聲干擾。

施肥速度進(jìn)行優(yōu)化后，可以將施肥速度按一定的順序存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡中，在田間施肥過(guò)程中，由單片機(jī)按操作單元對(duì)存儲(chǔ)卡進(jìn)行讀取。本設(shè)計(jì)中采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT24C02芯片，具有體積小、功耗低的特性，其電路原理如圖6所示。

圖6　IC卡電路圖

3.3仿真結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)虛擬樣機(jī)的仿真模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到了虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡和流量控制的參數(shù)數(shù)據(jù)，且運(yùn)動(dòng)軌跡和預(yù)期想要得到的軌跡吻合性較好。排肥量隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示。

圖7　排肥量隨速度變化曲線

由圖7可知：隨著速度的變化，排肥機(jī)的排肥量發(fā)生了較大的變化；隨著速度的加快，排肥量在排肥速度的控制下逐漸加快，有效地實(shí)現(xiàn)了快速均勻的施肥效果。

如表1所示，通過(guò)的10次施肥實(shí)驗(yàn)，使用PLC優(yōu)化控制的施肥機(jī)和普通施肥機(jī)的施肥精確程度存在很大的差異。其中，使用PLC嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化后的施肥機(jī)，其施肥的精確性得到了明顯的改善。

表1　施肥準(zhǔn)確率測(cè)試結(jié)果表

續(xù)表1

表2表示在100m單行情況下的施肥時(shí)間。由表2可以看出：使用本文設(shè)計(jì)的PLC優(yōu)化控制虛擬樣機(jī)可以大大縮短施肥的時(shí)間，提高了施肥的效率，是一種既精確效率又高的施肥機(jī)械結(jié)構(gòu)。

表2　施肥時(shí)間測(cè)試結(jié)果表

4結(jié)論

依據(jù)施肥機(jī)排肥器排肥原理，采用Pro/E和ADMAS聯(lián)合仿真方法，使用PLC嵌入式通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種新的變流量控制的施肥虛擬樣機(jī)，大大提高了施肥機(jī)的作業(yè)精度和作業(yè)效率。

利用模糊控制算法對(duì)施肥機(jī)的排肥速度進(jìn)行了控制，使用二階差分對(duì)排肥的誤差進(jìn)行了分析，最后對(duì)利用聯(lián)合仿真和虛擬樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，得到了排肥量隨施肥機(jī)行進(jìn)速度的變化曲線，以及施肥機(jī)工作效率和工作精度的分析結(jié)果。

通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)：使用PLC嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化后的施肥機(jī)，施肥機(jī)的工作性能得到了明顯的改善，施肥精度和效率都得到了大幅度的提高，可在變量施肥機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行推廣使用。

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Optimization Design for Virtual Prototype of Variable Rate Fertilization Based on Embedded Communication System

Ge Zhen1, Xiong Qiong1, Deng Minghua1, Wang Xiaozhi2, Bao Xiulan3

(1.School of Information Engineering,Wuhan Technology and Business University,Wuhan 430200, China; 2.Nanchang University,Nanchang 330031,China; 3.College of Engineering,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070, China)

Abstract：In order to achieve high speed operation of liquid fertilizer machine goal, it proposes a new method of variable control fertilization, the method mainly by the joint simulation of Pro/E and ADMAS mode of mechanical motion trajectory of the mechanism is verified,by using fuzzy control and two order differential algorithm to reduce the low fertilization amount of error, the realization of the use of PLC processing fertilization and communication data. In order to verify the validity of the method and reliability, application of 3D modeling design software Pro/E, the parts and assembly drawing mechanism model, through the type change save file to realize Pro/E and ADAMS data exchange, to establish the mechanism of virtual prototype and kinematics simulation in ADAMS, get the trajectory of the virtual prototype and fertilizing machine. Finally, through the optimization of the PLC embedded communication system, obtained the change curve of virtual prototype with the speed and the amount of fertilizer, the fertilizer before and after optimization accuracy and efficiency are compared, found that the fertilizing machine using the PLC embedded system optimized by comparison, the accuracy of fertilization got obvious improvement, and fertilizer efficiency is high,which provides the theory reference for the research on variable rate fertilization control.

Key words：variable rate fertilization; virtual prototype; two-order difference; embedded

文章編號(hào)：1003-188X(2016)03-0028-05

中圖分類(lèi)號(hào)：S224.2；S126

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：葛蓁(1983-)，女，河南商城人，講師，碩士。通訊作者：汪小志(1981-)，女，武漢人，講師，博士研究生，(E-mail)wangxiaozhi@ncu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFB322)

收稿日期：2015-02-02