王 璨

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450052)

0 引言

多年來(lái)，大蒜作為主要的農(nóng)副產(chǎn)物之一，其栽植技術(shù)的開(kāi)發(fā)與改進(jìn)影響我國(guó)大蒜種植業(yè)的產(chǎn)量供應(yīng)，應(yīng)當(dāng)引起重視；而影響大蒜出芽率的關(guān)鍵在于播種機(jī)進(jìn)行播種作業(yè)時(shí)播種設(shè)備對(duì)于大蒜種子播種深度的精準(zhǔn)控制與覆土效果。目前，通過(guò)有效利用自動(dòng)傳感及機(jī)械控制技術(shù)在播種機(jī)的機(jī)械構(gòu)件安裝限制深度裝置、傳遞感應(yīng)裝置或調(diào)節(jié)控制裝置等都能實(shí)現(xiàn)對(duì)播種機(jī)作用于田間土壤深度的不同控制要求。在玉米、小麥等常見(jiàn)農(nóng)作物的播種裝置機(jī)械自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)嫻熟的基礎(chǔ)上，大蒜、花生等農(nóng)副產(chǎn)品的播種裝置應(yīng)當(dāng)予以同步開(kāi)發(fā)，本項(xiàng)目從大蒜播種機(jī)的播種深度一致性與穩(wěn)定性的技術(shù)要求出發(fā)，根據(jù)實(shí)地作業(yè)田地的平整度，通過(guò)有針對(duì)性的對(duì)播種機(jī)的播種裝置進(jìn)行關(guān)鍵部件優(yōu)化，對(duì)播種深度智能控制系統(tǒng)展開(kāi)簡(jiǎn)要分析。

1 播種機(jī)原理及調(diào)深機(jī)構(gòu)

大蒜播種機(jī)的播種原理與其他農(nóng)作物播種原理相似，一般均由存儲(chǔ)種子、分配種子、輸送種子、排種播種及最后覆土等裝置組成，其三維模型簡(jiǎn)圖如圖1所示。播種裝置為核心部件，首先應(yīng)當(dāng)讓大蒜種子瓣面朝上，之后進(jìn)行栽植。這一過(guò)程一方面包括大蒜種子瓣面朝向的智能調(diào)整及合理設(shè)定并控制栽植裝置插入土壤的深度，即保證大蒜種子埋入土壤深度的一致性；另一方面，通過(guò)播種機(jī)的壓力傳感裝置與鎮(zhèn)壓作用輪裝置互相協(xié)調(diào)動(dòng)作，在播種部件自動(dòng)控制核心系統(tǒng)的操縱之下，指令于電動(dòng)推桿裝置，同時(shí)植入關(guān)鍵的虛擬指令、播種深度參數(shù)及與作業(yè)土壤相關(guān)的壓力、溫濕度等信息，與人機(jī)對(duì)話模塊互相控制、互相響應(yīng)并控制播種大蒜的入土深度，完成大蒜播種深度調(diào)整作業(yè)。大蒜播種裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖2所示。

圖1 大蒜播種機(jī)三維模型簡(jiǎn)圖Fig.1 3D model brief diagram of the garlic seeder

進(jìn)行大蒜播種深度智能控制的技術(shù)關(guān)鍵在于，從取種環(huán)節(jié)需保證種子供應(yīng)充足，進(jìn)行輸送傳遞環(huán)節(jié)要通過(guò)以單片機(jī)為主的控制使得大蒜種子的蒜頭方向快速調(diào)整到合理準(zhǔn)確的位置，并通過(guò)傳感裝置作用于下一環(huán)節(jié)。在大蒜播種機(jī)田間行進(jìn)過(guò)程中，保證行進(jìn)直線度、播種機(jī)在播深控制裝置的帶動(dòng)下保證穩(wěn)定性變異系數(shù)及栽植深度的合格率。

圖2 大蒜播種裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure diagram of the control system on the garlic seeding device

2 智能調(diào)控系統(tǒng)

2.1 調(diào)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對(duì)大蒜播種機(jī)的調(diào)深系統(tǒng)進(jìn)行部件的細(xì)致分解并優(yōu)化，得出互相配合作用的機(jī)械、電氣零部件，構(gòu)成調(diào)控系統(tǒng)的硬件設(shè)施。針對(duì)傳感部件，對(duì)壓力傳感器與所作用土壤的界面進(jìn)行受力分解，并建立微分方程，從而準(zhǔn)確獲取播種機(jī)構(gòu)在播種過(guò)程中植入土壤需要克服的相關(guān)作用力，進(jìn)而選取合適型號(hào)的傳感裝置、承壓裝置及相關(guān)調(diào)控裝置，即

(1)

式中N—單元個(gè)體x方向所受力大小；

Q—單元個(gè)體所受剪切力大??；

M—單元個(gè)體承受力矩值；

ρ—播種裝置與土壤作用密度值。

根據(jù)電液伺服閥的線性方程選取合適的伺服閥作為控制動(dòng)作執(zhí)行核心部件，實(shí)現(xiàn)電氣與機(jī)械構(gòu)件及檢測(cè)反饋相互響應(yīng)，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)整的功能。方程為

(2)

式中QSV0—調(diào)控系統(tǒng)空載情況下的流量值；

IC—控制裝置輸入電流值；

KSV—靜態(tài)下的流量放大系數(shù)值；

KC—壓力狀態(tài)下的流量放大系數(shù)值；

PL—播種系統(tǒng)承受的負(fù)載壓力值。

執(zhí)行部件液壓裝置的型號(hào)選取按照在智能控制系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)值而定，主要包括溫度、工作頻率、電壓與電流等。表1給出個(gè)別控制器選取的額定參數(shù)。

表1 大蒜播種機(jī)深度控制裝置關(guān)鍵參數(shù)值Table 1 Key parameter values of the depth control device of the garlic seeding machine

為保證播種深度的一致性，確定機(jī)械部件所承受的主動(dòng)作用力與阻尼作用力及附加慣性力之間的內(nèi)在聯(lián)系與平衡，即

(3)

式中XP—液壓部件的有效作用面積值；

mt—等效總質(zhì)量大小；

BP—相關(guān)阻尼系數(shù)值；

k—播種系統(tǒng)裝置所承受負(fù)載的彈性值；

AP—任意相關(guān)負(fù)載力大小。

2.2 調(diào)控系統(tǒng)軟件程序設(shè)定

大蒜播種機(jī)的播種深度調(diào)控系統(tǒng)軟件程序設(shè)定，主要通過(guò)閉環(huán)反饋控制，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)整采集到實(shí)際播種深度與預(yù)先設(shè)定的深度值進(jìn)行比較，從而利用PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，達(dá)到精確控制播深的目標(biāo)。圖3給出播深調(diào)控系統(tǒng)控制信號(hào)產(chǎn)生流程圖。由圖3可知：通過(guò)無(wú)線接收裝置進(jìn)行主體信號(hào)采集，預(yù)先需要進(jìn)行參數(shù)初始化輸入及PLC信號(hào)處理相關(guān)控制指令給定等，從而進(jìn)行比較調(diào)節(jié)。

圖3 大蒜播種機(jī)播深調(diào)控系統(tǒng)控制信號(hào)產(chǎn)生流程圖Fig.3 Control signal generation flow chart of the seeding depth control system on the garlic seeder

圖4給出關(guān)鍵的調(diào)整播種深度比較程序流程圖。此環(huán)節(jié)主要實(shí)現(xiàn)大蒜播種深度核心的測(cè)量與比較，通過(guò)比較實(shí)際播種深度與控制設(shè)定播種深度之間的差距值，經(jīng)比較反饋于輸入端，重新進(jìn)行動(dòng)作，從而控制播深裝置完成協(xié)調(diào)性調(diào)整作業(yè)。

在對(duì)智能控制系統(tǒng)分配了參數(shù)地址之后，編制系統(tǒng)軟件程序，截取部分程序代碼如下：

LD M0.5

MOVR VD932，VD956

-R VD100，VD956

LDR< VD956，0

*R -1，VD956

AENO

AR>= VD956，VD940

LDR>= VD956，0

AR>=VD 956，VD940

OLD

= M3.0

LD M0.5

A M3.0

AR< VD 150

LDN M0.5

A M0.5

OLD

A Q1.0

AN Q0.1

= Q0.0

另外，在播種仿形機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，融入多通道的信號(hào)控制模塊，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制實(shí)現(xiàn)傾斜化與精確化的智能要求。

圖4 大蒜播種機(jī)調(diào)整播種深度比較程序流程圖Fig.4 Comparison program flow chart of the seeding depth adjustment on the garlic seeder

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)前置要求

播種裝置的硬件與軟件智能化之后，進(jìn)行試驗(yàn)性能對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性及合理性。通過(guò)設(shè)計(jì)仿真軟件，假定與實(shí)際作業(yè)場(chǎng)地相接近的試驗(yàn)條件，其前置要求可概要為：

1)保證試驗(yàn)裝置進(jìn)行作業(yè)的田地環(huán)境相似，如溫度、濕度等；

2)大蒜播種機(jī)其他開(kāi)挖與覆土等裝置設(shè)置條件相同；

3)牽引裝置的行進(jìn)速度根據(jù)試驗(yàn)要求調(diào)整，需要有對(duì)比性；

4)滿足大蒜播種作業(yè)的各項(xiàng)播種參數(shù)，如播種幅寬及播深合格率等。

3.2 試驗(yàn)性能分析

在進(jìn)行大蒜播種時(shí)，蒜瓣的朝向至關(guān)重要，決定其發(fā)芽與出苗率，在保證瓣向正確的前提下進(jìn)行播種深度一致性與合理性調(diào)控，兩者有效結(jié)合達(dá)到高效大蒜產(chǎn)量，利用優(yōu)化求解軟件進(jìn)行蒜瓣朝向正確性計(jì)算，建立相關(guān)目標(biāo)函數(shù)并給出約束條件如下，最終得出所需目標(biāo)性能參數(shù)控制范圍、滿足條件下智能控制，即

對(duì)于目標(biāo)函數(shù)的約束條件為

表2 大蒜播種機(jī)深度控制性能參數(shù)對(duì)比Table 2 Performance parameter comparison of the depth control of the garlic seeder %

由表2可以看出：在對(duì)大蒜播種的播種深度進(jìn)行智能調(diào)控后，可實(shí)現(xiàn)播深合格率近5%的提升，播深變異系數(shù)顯著降低，同時(shí)播深穩(wěn)定性也隨之提高近4%。由此證明對(duì)大蒜播種裝置實(shí)施智能調(diào)控的可行與準(zhǔn)確性，在一定程度能夠保證播種深度在起伏不平的土壤作用表面具有較好的一致性。

4 結(jié)論

在保證覆土與鎮(zhèn)壓穩(wěn)定的基礎(chǔ)條件下，實(shí)施播種核心裝置及系統(tǒng)的軟硬件同步調(diào)控設(shè)計(jì)，在PLC控制技術(shù)的引領(lǐng)下，正確利用理論控制模型，有效銜接機(jī)械與電氣部件的精密配合有序動(dòng)作，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證智能調(diào)控在控制程序與硬件配置方面改進(jìn)的可行性與準(zhǔn)確性。同等條件下，各項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)都較智能調(diào)控前有所改善，如播種深度合格率與播深穩(wěn)定系數(shù)均得到提高，為今后播種深度控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與改進(jìn)提供新思路，具有一定的推廣價(jià)值。