張繼成 嚴(yán)士超 紀(jì)文義 朱寶國(guó) 鄭 萍

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱 150030； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；3.黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院佳木斯分院, 佳木斯 154007)

0 引言

精準(zhǔn)施肥是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)體系的重要組成部分，是解決化肥投入不合理、肥料平均利用率低和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境污染的有效途徑之一[1-4]。精準(zhǔn)施肥技術(shù)又稱自動(dòng)變量施肥技術(shù)，即根據(jù)目標(biāo)作物的需肥種類及用量，綜合運(yùn)用全球定位技術(shù)、地理信息技術(shù)、遙感技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)在每一操作單元上因土因作物而全面平衡施肥，從而合理使用化肥，降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染，提高肥料利用率和施肥經(jīng)濟(jì)效益[5-6]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者研發(fā)了多種變量施肥裝備及變量施肥控制系統(tǒng)，在排肥方式、處方圖讀取、排肥監(jiān)測(cè)、控制器管理模式等方面進(jìn)行了深入探索[7-8]。

我國(guó)施肥機(jī)一般采用外槽輪式排肥器，主要有單變量排肥、雙變量排肥[9-10]以及氮、磷、鉀肥料混配排肥[7]方式。其中，單變量施肥方式(即通過(guò)控制排肥軸轉(zhuǎn)速來(lái)控制排肥量)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易，已被廣泛使用。文獻(xiàn)[11]研究的系統(tǒng)采用一個(gè)排肥電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)多路排肥器轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)法分別調(diào)節(jié)每個(gè)排肥器的排肥速度，排肥可調(diào)度小。同時(shí)，這種變量施肥裝備和施肥控制系統(tǒng)只能在一個(gè)區(qū)域施用單質(zhì)肥料或是復(fù)合肥料[11]。雙變量施肥控制系統(tǒng)是一種通過(guò)調(diào)節(jié)排肥口開(kāi)度和施肥軸轉(zhuǎn)速來(lái)控制施肥量的解決方案，如劉成良等[12]開(kāi)發(fā)的基于ARM和DSP的雙變量施肥控制系統(tǒng)，增加了變量控制的靈活性和擴(kuò)展性，但也存在只能施入單一肥料和復(fù)合肥的局限性。氮、磷、鉀3種肥料電動(dòng)配比的變量施肥控制系統(tǒng)是利用全球定位技術(shù)、測(cè)速技術(shù)等，依據(jù)處方圖施肥量，采用獨(dú)立電機(jī)代替地輪鏈傳動(dòng)控制排肥器工作，以氮、磷、鉀肥為對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)配比，從而達(dá)到精確施肥的目的。文獻(xiàn)[9，13-14]在多種肥料的控制系統(tǒng)和排肥結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了試驗(yàn)和研究，改變了傳統(tǒng)不合理的均勻施肥或單一施肥方式，實(shí)現(xiàn)了多種化肥的不同比例混配，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

處方圖是保證施肥機(jī)按需施肥的關(guān)鍵。孟志軍等[15-16]和張繼成[7]分別設(shè)計(jì)了固態(tài)肥和液態(tài)肥的變量施肥控制系統(tǒng)。還有一些學(xué)者研究了采用光譜探測(cè)[17]、圖像處理[18]及土壤傳感器[19]等實(shí)時(shí)獲取施肥決策的方法[20]，從而控制施肥機(jī)進(jìn)行施肥。排肥精度是檢驗(yàn)變量施肥機(jī)工作性能的重要指標(biāo)，一般采用閉環(huán)PID控制算法進(jìn)行施肥量調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[21-23]在施肥控制系統(tǒng)中采用PID控制算法，提高了施肥精度和施肥均勻性，取得了良好的調(diào)控效果。

針對(duì)以上研究現(xiàn)狀和存在問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種基于處方圖讀取的變量施肥控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用增量式PID閉環(huán)控制算法進(jìn)行施肥電機(jī)調(diào)節(jié)，提高氮、磷、鉀3種肥料的快速自動(dòng)配比和實(shí)時(shí)混合施入水平，以保證施肥量的準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于處方圖的固體肥精確施用控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱施控系統(tǒng))，主要由施肥控制器、處方圖存儲(chǔ)器、3組施控電機(jī)、外槽輪式排肥器、測(cè)速模塊、北斗衛(wèi)星定位模塊[24]、人機(jī)交互模塊和排肥量監(jiān)測(cè)模塊組成，如圖1所示。其中，施肥控制器實(shí)現(xiàn)精確施肥和排肥作業(yè)監(jiān)測(cè)等功能的集成控制；人機(jī)交互模塊可設(shè)定播種作物種類、行間距、施肥量等作業(yè)參數(shù)，并實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)各作業(yè)模塊的狀態(tài)信息；處方圖存儲(chǔ)器存儲(chǔ)作業(yè)地塊坐標(biāo)數(shù)據(jù)和相應(yīng)的理論施肥量；北斗衛(wèi)星定位模塊安裝于施肥機(jī)頂端，實(shí)時(shí)獲取機(jī)具所在的地理坐標(biāo)；測(cè)速傳感器安裝在機(jī)具從動(dòng)輪上，實(shí)時(shí)獲得機(jī)具行進(jìn)的移動(dòng)數(shù)據(jù)信息；3組施控電機(jī)通過(guò)鏈輪分別連接氮、磷、鉀肥3個(gè)肥箱的排肥軸，驅(qū)動(dòng)排肥裝置運(yùn)行實(shí)現(xiàn)排肥；排肥量監(jiān)測(cè)傳感器安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)主軸上，通過(guò)監(jiān)測(cè)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速，計(jì)算排肥速度和排肥量。

隨著作業(yè)機(jī)具前進(jìn)，施肥控制器根據(jù)人機(jī)交互界面設(shè)置的作業(yè)信息、處方圖數(shù)據(jù)和機(jī)具行進(jìn)速度，生成控制電壓傳送至施控電機(jī)，施控電機(jī)控制氮、磷、鉀3組施肥裝置轉(zhuǎn)動(dòng)排肥，排肥量監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)采集各個(gè)排肥軸的轉(zhuǎn)動(dòng)信息，并將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給施肥控制器，施肥控制器通過(guò)增量式PID閉環(huán)控制算法，適時(shí)調(diào)整傳送給施控電機(jī)的控制電壓，實(shí)現(xiàn)精確控制施肥量。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的施控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。主控制器以STM32F407為核心，采用CAN總線通訊協(xié)議，建立施控平臺(tái)；作業(yè)地塊的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和相對(duì)應(yīng)的理論施肥量信息存儲(chǔ)在移動(dòng)存儲(chǔ)器中；人機(jī)交互采用ATK-HC05-V13(ALIENTEK)藍(lán)牙模塊和手機(jī)配套APP交互軟件，建立主施控系統(tǒng)與手機(jī)APP交互軟件的連接，通過(guò)手機(jī)APP端在作業(yè)前設(shè)定播種的種類、間距、施肥量等信息，同時(shí)施肥作業(yè)狀態(tài)信息通過(guò)藍(lán)牙通訊實(shí)時(shí)顯示在APP上；定位模塊采用帶差分的、追蹤靈敏度高達(dá)-165 dBm的ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊(ALIENTEK)，其測(cè)量輸出頻率最高可達(dá)20 Hz，安裝于施肥機(jī)頂端；通過(guò)安裝在施肥機(jī)從動(dòng)輪上和各排肥器轉(zhuǎn)軸上的霍爾測(cè)速傳感器和編碼器E38S6G5-100B-G24N(壹貳(捌)電子科技有限公司)實(shí)現(xiàn)對(duì)施肥機(jī)行進(jìn)速度、實(shí)時(shí)施肥量的檢測(cè)；通過(guò)在排肥口處安裝光電對(duì)管實(shí)現(xiàn)對(duì)施肥狀態(tài)的監(jiān)測(cè)(堵塞、排空)；從控制器以STM32F103為核心，通過(guò)CAN總線接收主控制器指令，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM占空比來(lái)調(diào)節(jié)12-100-45R型(Mitsubishi)施控電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1.3 測(cè)速模塊

機(jī)具的作業(yè)速度是影響施肥精度的一個(gè)重要因素?；魻杺鞲衅髟诒ＷC測(cè)量精度的同時(shí)，具有較強(qiáng)的抗干擾性，工作性能穩(wěn)定可靠，受溫度、灰塵等環(huán)境因素影響較小[25]，作業(yè)時(shí)，霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)會(huì)傳輸至主控制器，主控制器計(jì)算出機(jī)具的行進(jìn)速度

(1)

式中v——機(jī)具行進(jìn)速度，m/s

Z——霍爾傳感器每圈測(cè)速脈沖信號(hào)數(shù)量

T——測(cè)速周期，s

N——T時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)

D——測(cè)速輪直徑，m

σ——滑移率，一般情況下取0.05～0.12

1.4 施控機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)、電控液壓馬達(dá)和直流電機(jī)是電控精量施肥采用的驅(qū)動(dòng)方式。步進(jìn)電機(jī)具有控制精度高、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但控制器設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，成本高；電控液壓馬達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是電子控制技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、液壓技術(shù)三者相結(jié)合的控制技術(shù)，造價(jià)高，需要作業(yè)機(jī)具具有獨(dú)立的液壓系統(tǒng)；直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、供電電壓可以與機(jī)車蓄電池直接匹配，而且具有控制方式簡(jiǎn)單、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)；結(jié)合本研究的精量施固體肥的施肥特點(diǎn)及應(yīng)用成本，選用直流有刷電機(jī)作為施控電機(jī)，驅(qū)動(dòng)排肥器實(shí)現(xiàn)排肥作業(yè)。

排肥系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)是由排肥控制器、排肥電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、排肥電機(jī)及電機(jī)減速機(jī)、排肥軸、排肥器、轉(zhuǎn)速傳感器組成，如圖3所示。

施控機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作原理如下：在施肥作業(yè)時(shí)，主控制器根據(jù)北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)所確定的經(jīng)緯度坐標(biāo)查詢處方圖，將得到的地塊施肥量信息與實(shí)時(shí)車速信息、實(shí)際排肥量檢測(cè)信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算出施控電機(jī)所應(yīng)達(dá)到的施肥轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，下傳至從控制器，從控制器接收主控制器的施控電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)后，將電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM占空比電壓，從而調(diào)節(jié)排肥電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制施肥量[26]。

一段時(shí)間內(nèi)，同種肥料的排肥總量計(jì)算公式為

(2)

式中Q——排肥總量，kg

t——施肥機(jī)工作時(shí)間，h

ni——每個(gè)排肥電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，r/min

w——機(jī)具作業(yè)幅寬，m

q——施肥量設(shè)定值，kg/hm2

p——排肥器每轉(zhuǎn)排肥量，g/r

m——工作的同種肥料排肥器個(gè)數(shù)，個(gè)

1.5 增量式PID閉環(huán)控制算法

為了提高變量施肥控制系統(tǒng)的排肥精度，在電機(jī)上加裝轉(zhuǎn)速傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，運(yùn)用增量式PID閉環(huán)控制算法實(shí)現(xiàn)施控裝置的閉環(huán)控制。某地塊某時(shí)刻理論排肥量和實(shí)際排肥量構(gòu)成了控制偏差，即

e(t)=r(t)-y(t)

(3)

式中r(t)——理論排肥量，kg

y(t)——實(shí)際排肥量，kg

e(t)——控制偏差，kg

e(t)作為PID控制器的輸入，u(t)作為PID控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入信號(hào)。模擬PID控制器的控制規(guī)律為

(4)

式中Kp——比例系數(shù)

TI——積分時(shí)間常數(shù)

TD——微分時(shí)間常數(shù)

u0——控制常量

增量式PID控制算法，需要計(jì)算控制量的增量Δuk。由

(5)

可得控制器在第k-1個(gè)采樣時(shí)刻的輸出值為

(6)

得到增量式PID控制算法公式為

(7)

由式(7)可以看出，控制系統(tǒng)如果采用恒定的采樣周期T，一旦確定系數(shù)A、B、C，只要用前后3次測(cè)量值的偏差，就可以求出控制增量。增量式PID控制算法流程圖如圖4所示(圖中ε為誤差閾值)。

1.6 施控系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)啟動(dòng)后，程序初始化參數(shù)，主控芯片與人機(jī)交互模塊通訊，讀取初始控制指令，并通過(guò)對(duì)應(yīng)的協(xié)議解析獲得各個(gè)施控參數(shù)值；定位模塊加電啟動(dòng)，將作業(yè)機(jī)具的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)傳輸至主控制器；霍爾傳感器將檢測(cè)到的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖信號(hào)傳輸至主控制器，主控制器計(jì)算作業(yè)機(jī)具行進(jìn)車速(式(1))；主控制器通過(guò)接收到的定位信息查詢處方圖中的施肥量，并結(jié)合接收到的作業(yè)機(jī)具行進(jìn)速度和實(shí)時(shí)施肥量反饋數(shù)據(jù)計(jì)算此時(shí)施控電機(jī)的理論轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)(式(2))下傳給從控制器，從控制器根據(jù)指令調(diào)節(jié)PWM占空比調(diào)整施控電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)精量施肥作業(yè)，如此往復(fù)進(jìn)行。控制系統(tǒng)流程如圖5所示。

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 單一排肥器排肥速率測(cè)量試驗(yàn)

于2019年3月2日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程研究中心進(jìn)行排肥器排肥速率測(cè)量試驗(yàn)。試驗(yàn)選用的氮、磷、鉀肥料分別為中國(guó)石油天然氣股份有限公司昆侖牌尿素、中海石油化學(xué)股份有限公司翔燕牌鋅腐酸磷酸二銨、米高化工(長(zhǎng)春)有限公司布蘭德農(nóng)業(yè)用硫酸鉀。試驗(yàn)通過(guò)控制器控制排肥器排肥軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以排肥軸轉(zhuǎn)動(dòng)50圈排出的肥料量除以檢測(cè)脈沖數(shù)作為排肥速率，重復(fù)3次，取平均值。測(cè)得試驗(yàn)用外槽輪式排肥器在全開(kāi)情況下，尿素、磷酸二銨、硫酸鉀3種固體肥的排肥速率分別為31.82、40.76、73.89 g/r(如圖6所示)。

在實(shí)驗(yàn)室，搭建單一固體肥料的施肥控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)排肥精度和響應(yīng)時(shí)間等性能進(jìn)行試驗(yàn)(圖7、8)。

2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

在田間試驗(yàn)前，由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院佳木斯分院的工作人員完成測(cè)土工作，于2019年4月對(duì)黑龍江省哈爾濱市雙城區(qū)東海村的8個(gè)地塊進(jìn)行土壤采樣，土壤樣本送檢至河南廣電計(jì)量檢測(cè)有限公司，取得土壤檢測(cè)報(bào)告后，以大豆產(chǎn)量3 000 kg/hm2為目標(biāo)，應(yīng)用黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院佳木斯分院自主開(kāi)發(fā)的測(cè)土配方施肥系統(tǒng)TRPFV1.0(軟件登記號(hào)：2014SR030165)對(duì)土壤基礎(chǔ)肥力數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化施肥分析，并出具測(cè)土配方指導(dǎo)施肥量報(bào)告，尿素、磷酸二銨、硫酸鉀的指導(dǎo)施肥量數(shù)據(jù)如表1所示。圖9為固體肥精量施控系統(tǒng)樣機(jī)，圖10為施控系統(tǒng)主、從控制器實(shí)物圖。

表1 測(cè)土配方施肥量Tab.1 Soil testing and recommendation fertilizer amount kg/hm2

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1排肥精度試驗(yàn)

2.3.1.1單排肥器排肥量變化響應(yīng)試驗(yàn)

排肥量變化響應(yīng)時(shí)間直接影響到施肥機(jī)啟動(dòng)和施肥量發(fā)生改變時(shí)的施肥效果。為了獲得系統(tǒng)排肥量變化響應(yīng)時(shí)間關(guān)系，利用試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行室內(nèi)排肥量變化試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，以排肥量監(jiān)測(cè)值作為實(shí)際排肥量，以1 000 g/min遞增進(jìn)行試驗(yàn)，在0～5 000 g/min(0～83.3 g/s)范圍內(nèi)，記錄各階段肥量，獲得的肥量變化如圖11所示。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間最大為1.85 s，平均為1.45 s。以播種施肥機(jī)具行進(jìn)速度范圍為3.5～6.5 km/h計(jì)算，在系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間內(nèi)的機(jī)具平均行進(jìn)距離為1.41～2.62 m。

2.3.1.2單排肥器排肥精度試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室單一排肥試驗(yàn)使用氯化鉀，設(shè)定施肥量為50、100、200、300 kg/hm2，模擬機(jī)具在4、5、6 km/h下勻速行駛。設(shè)計(jì)利用施肥總量減去剩余總量獲得排肥量，計(jì)算排肥量準(zhǔn)確率；利用傳感器轉(zhuǎn)速和單轉(zhuǎn)排肥量，計(jì)算監(jiān)測(cè)排肥速率，從而驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確率。排肥精度和監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由試驗(yàn)結(jié)果可得，隨著機(jī)具行進(jìn)速度的提高，施肥控制系統(tǒng)的排肥量精確度和監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率無(wú)明顯波動(dòng)，排肥量準(zhǔn)確率達(dá)97.16%，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為98.56%。

表2 排肥精度和監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experiment results of accuracy of fertilization

2.3.2田間試驗(yàn)

2.3.2.1定位精度試驗(yàn)

為了測(cè)試定位系統(tǒng)在施肥機(jī)行進(jìn)過(guò)程中的精度和穩(wěn)定性，在農(nóng)場(chǎng)內(nèi)畫(huà)半徑為5 m的圓，施肥機(jī)分別以速度4、5、6 km/h沿著圓勻速運(yùn)動(dòng)，每個(gè)速度重復(fù)試驗(yàn)3次，并記錄定位數(shù)據(jù)。表3為定位測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算的平均半徑與真實(shí)半徑的誤差。表明定位系統(tǒng)精度能夠達(dá)到亞米級(jí)，動(dòng)態(tài)符合程度高，可以為施肥機(jī)械提供高精度定位數(shù)據(jù)。

表3 定位精度試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results of positioning module

2.3.2.2測(cè)速試驗(yàn)

施肥機(jī)精準(zhǔn)測(cè)速，關(guān)系到施控系統(tǒng)排肥量計(jì)算和控制精度。測(cè)速試驗(yàn)在雙城區(qū)東海村的大豆試驗(yàn)田中進(jìn)行，施肥機(jī)在3.5～6.5 km/h范圍內(nèi)保持勻速行駛，記錄施肥機(jī)通過(guò)標(biāo)定區(qū)間(100 m)的行駛時(shí)間。以行駛距離與行駛時(shí)間的比值作為實(shí)際速度，并通過(guò)式(1)計(jì)算滑移率。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，研究選取施肥機(jī)行進(jìn)速度的5%作為機(jī)具行進(jìn)的滑移率；試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)式(1)計(jì)算監(jiān)測(cè)速度，結(jié)果如表4所示。試驗(yàn)中測(cè)速精度都在98%以上，使用霍爾傳感器能夠滿足變量施肥試驗(yàn)的工作需求。

表4 霍爾傳感器測(cè)速試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Speed test of Hall sensor

2.3.2.3多排肥器排肥量控制準(zhǔn)確率試驗(yàn)

在田間作業(yè)時(shí)，施肥機(jī)具分別在3、4、5號(hào)地內(nèi)，以速度4、5、6 km/h行進(jìn)，依據(jù)指導(dǎo)施肥量(表1)，變量施入尿素、磷酸二銨和硫酸鉀，施肥準(zhǔn)確率分別達(dá)到97.22%、98.80%和97.73%(表5)。表明系統(tǒng)在大田工作環(huán)境仍能保持良好的排肥量準(zhǔn)確率。需要指出由于施肥機(jī)具行進(jìn)速度增加，在相同的控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間下，施肥機(jī)具行進(jìn)距離增加，導(dǎo)致排肥量準(zhǔn)確率略有降低。

表5 控制系統(tǒng)田間作業(yè)試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Field experiment results of control system

3 結(jié)論

(1)采用增量式PID閉環(huán)控制算法設(shè)計(jì)了一種基于處方圖讀取的精量施肥控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括主-從控制器模塊、處方圖模塊、北斗衛(wèi)星定位模塊、霍爾測(cè)速模塊、人機(jī)交互模塊、施控電機(jī)和施肥量監(jiān)測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)了氮、磷、鉀3種固體肥料的適時(shí)快速配比和實(shí)時(shí)精量施入。

(2)在實(shí)驗(yàn)室單一肥料排肥試驗(yàn)中，模擬播種施肥機(jī)具行進(jìn)速度在3.5～6.5 km/h范圍內(nèi)時(shí)，控制系統(tǒng)最大響應(yīng)時(shí)間1.85 s，平均響應(yīng)時(shí)間1.45 s；在設(shè)定施肥量50、100、200、300 kg/hm2下，模擬行進(jìn)速度4、5、6 km/h時(shí)，控制系統(tǒng)的排肥量準(zhǔn)確率達(dá)97.16%，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為98.56%。

(3)在田間試驗(yàn)中，制作了哈爾濱市雙城區(qū)東海村測(cè)土配方施肥的處方圖，在車速4、5、6 km/h時(shí)，尿素、磷酸二銨、硫酸鉀的排肥量準(zhǔn)確率分別達(dá)到97.22%、98.60%、97.73%，滿足精確施肥系統(tǒng)的施肥精度要求。