试析变量施肥自动控制系统设计研究

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1、黑龙江八一农垦大学硕士学位论文变量施肥自动控制系统设计研究姓名：梁春英申请学位级别：硕士专业：农业机械化工程指导教师：王熙20050401摘要精准农业是现代信息技术、生物技术、工程技术等一系列高新技术最新成就的基础上发展起来的一种重要的现代农业生产形式，是一个综合性很强的复杂系统，是实现农业低耗、高效、优质、安全的重要途径。我国化肥施用的突出问题是结构不合理，利用率低。据估计，全国每年因盲目使用浪费化肥约100万吨．折合人民币5亿元。加之由于长期大量施用单质化肥，土壤板结，地下水污染，农产品品质下降．未被作物吸收利用的氮素向大气挥发、

2、向水体淋溶，不仅浪费了资源、增加了农业生产成本。为了减少农业生产中的盲目投入，节约成本，增加产量，提高农资利用率．减少环境污染，阻止生态环境进一步恶化，提出了一种新思想，其含义是按照田间每一操作单元的具体条件，精细准确地调整各项土壤和作物管理措施，最大限度地优化使用各项农业投入(化肥、农药、水、种子和其它方面的投入量)，以获取最高产量和最大经济效益．同时减少化学物质使用．保护农业生态环境，保护土地等农业资源。其中，变量施肥要求能根据不同地区、不同土壤类型以及土壤中各种养分的盈亏情况，作物类别和产量水平，将N、P、K和多种可促进作物生长

3、的微量元素与有机肥加以科学配方，从而做到有目的旆肥，既可减少因过量施肥造成的环境污染和农产品质量下降，又可降低成本，这就要求有科学合理的施肥方式和具有自动控制的精准施肥机械。变量施肥控制系统由Agl32型GPS接收机、400MHz无线数传接收机、触摸液晶屏工控计算机、变量施肥控制软件、变量控制驱动器、电控无级变速器、6行大豆精密播种机等组成。2002年10月对精准农业示范基地友谊农场五分场二队的二号地土壤采样，共计采样138点，送到黑龙江八一农垦大学检测中心进行土壤化验，化验的结果为变量旖肥提供了依据。精准农业技术示范试验基地采用DG

4、Ps定位系统，使用自行设计的Agl32型GPs接收机与计算机串行数据通信软件，通过计算机标准串行Rs一232接口获得GPs接收机的定位信息，并记录了GPs接收机的定位信息。变量施肥软件完成与DGPs的通信。每隔～秒接收一组DGPs定位信息(经度、纬度、高程)．利用DGPS测量试验地块的坐标．做出地块的形状，将地块划分为网格，对每个网格编号。变量施肥数据库中存放着每个网格的施肥量，当机车行驶某个网格。工控机会找到该网格的施肥量并输出，施肥的变量范围±30毽。调速系统由脉宽调制输出电路、位移反馈电路、上下位机通信电路、无级变速机构、执行电

5、机组成。单片机AT89c5l通过Rs232接口将上位机的给定施肥量等级与反馈等级比较得到差值·单片机中的增量PID算法子程序改变占空比，从而调节输出控制电压调节电机的转速来改变无级变速器的传动比，来改变排肥轮的转速，调节施肥量。采用mTLAB编程，根据对象在临界振荡时响应曲线的参数，利用ZIEGLER—NicholsN．B对PID控制器的参数进行整定。确定所需要的控制器参数。利用M^TL_^B／Simulink建立系统框图和仿真环境．对无PID控制系统和PID控制系统进行仿真和比较，由响应曲线可以看出PID控制减小了系统的超调量，缩短

6、了调整时间。系统的试验研究分了四个步骤．第一步对系统的硬件电路的调试和单片机程序的调试，包括单片机与外围电路的接口调试；控制信号与电枢电压关系试验：电枢电压与电机转速、反馈级别与传动比关系试验。第二步变量控制系统的变量施肥试验，机车在场上静止，工控机输出不同的施肥级别，用布袋接六个排肥口的施肥．用天平称量，做出施肥级别与施肥量的关系曲线。第三步机车在田间作业时的变量施肥试验。机车在田间行进，工控机输出不同的施肥级别，用布袋接六个排肥口的施肥。用天平称量．做出指令与施肥量的关系曲线，并计算施肥误差。第四步变量施肥网格试验，机车行进到由G

7、PS定位的某一网格时进行施肥试验，数据卡记录下经度、纬度、设定施肥量、施肥级别。通过试验研究得到以下结论：l、本试验研究的变量施肥自动控制系统，可实现由DGPS定位、GIs确定的地块施肥量的控制，该系统结合了单片机控制和农业机械，将自动控制理论贯穿于整个系统，实现了机电一体化。2、变量施肥控制系统控制施肥范围120k曲m2．226kgmm2，划分为o．100之间的100级，变量范围是±28．9％。克服了传统施肥方式，一块地施肥比例完全相同，盲目施肥的弊端。3、PID控制提高了系统的型别，使系统从有差系统改进为无差系统，提高了系统的稳态

8、性能指标。PID控制算法缩短了调整时间，减小了超调量．改善了系统的动态性能指标。4、脉宽调制电路的控制电压与电机屯枢电压呈线性变化趋势，试验波形比较理想，有对波形会有毛刺，电机电枢电压与电机转速非线性。5、农具场上标定试