基于步進電機的自動變量施肥裝置及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于步進電機的自動變量施肥裝置及其控制方法，包括牽引裝置、料箱與排料調(diào)節(jié)裝置，該排料調(diào)節(jié)裝置開設(shè)有N個排肥孔，每個排肥孔的上端均通過一根導(dǎo)肥管與所述料箱相通，每個排肥孔的下端連接有一根施肥管，排料調(diào)節(jié)裝置還插接有調(diào)節(jié)板，該調(diào)節(jié)板上開設(shè)有N個與排肥孔相適應(yīng)的過料孔，調(diào)節(jié)板通過一側(cè)的齒條與步進電機轉(zhuǎn)動軸上的齒輪嚙合，通過步進電機帶動調(diào)節(jié)板左右移動改變排肥孔的開度實現(xiàn)變量施肥。其顯著效果是：結(jié)構(gòu)簡單，實時的根據(jù)具體每一塊地的施肥信息控制步進電機調(diào)節(jié)施肥裝置的施肥量，提高了肥量的利用率，減少了對生態(tài)環(huán)境的影響，且推廣成本低。
【專利說明】基于步進電機的自動變量施肥裝置及其控制方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[〇〇〇1] 本發(fā)明涉及到農(nóng)用機械自動控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說，是一種基于步進電機的自 動變量施肥裝置及其控制方法。 【背景技術(shù)】
[0002] 在我國，農(nóng)業(yè)一直都是國民經(jīng)濟、國家自立和社會安定的根基，人們的切身利益和 社會的安定都時刻受到農(nóng)業(yè)發(fā)展的影響。
[0003] 目前，我國的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在化肥的使用過程中存在運用不合理，造成大量環(huán)境污染， 肥料利用率低等問題。因此實施變量按需施肥，可大大的提高化肥利用率、減少化肥的浪費 以及減少化肥對環(huán)境的不良影響，經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益都得到了很顯著改善。
[0004] 然而，自動變量施肥技術(shù)和相關(guān)機械還處于研究階段，未能實際使用，而且還存在 設(shè)備成本較高，難以推廣實用等問題。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于步進電機的自動變量施肥裝 置，該裝置能夠根據(jù)每塊地的施肥信息實時調(diào)整施肥量，實現(xiàn)變量施肥，能夠提高肥料利用 率，且推廣成本低。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明表述一種基于步進電機的自動變量施肥裝置，包括牽引 裝置和安裝在該牽引裝置上的施肥機構(gòu)，其關(guān)鍵在于：所述施肥機構(gòu)包括料箱與排料調(diào)節(jié) 裝置，該排料調(diào)節(jié)裝置開設(shè)有N個排肥孔，每個排肥孔的上端通過一根導(dǎo)肥管與所述料箱 相通，每個排肥孔的下端連接有一根施肥管，在所述排料調(diào)節(jié)裝置內(nèi)還插接有調(diào)節(jié)板，該調(diào) 節(jié)板上開設(shè)有N個與所述排肥孔相適應(yīng)的過料孔，在所述調(diào)節(jié)板的一側(cè)設(shè)有齒條，該齒條 與步進電機轉(zhuǎn)動軸上的齒輪嚙合，通過步進電機帶動調(diào)節(jié)板左右移動改變排肥孔的開度實 現(xiàn)變量施肥。
[0007] 在施肥時，根據(jù)每一塊的施肥量，得到步進電機相應(yīng)的轉(zhuǎn)動次數(shù)和轉(zhuǎn)動方向，以及 計算出此時排肥孔開度的保持時間。然后控制步進電機帶動調(diào)節(jié)板左右運動，通過改變調(diào) 節(jié)板的過料孔與排肥孔的相對位置來控制排肥孔的開度，從而實現(xiàn)控制施肥裝置的施肥 量。通過本施肥裝置，可以實時的根據(jù)具體每一塊地的施肥信息，通過步進電機調(diào)節(jié)施肥裝 置的施肥量，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的按需施肥，提高肥量的利用率，減少對生態(tài)環(huán)境的影響，且推 廣成本低。
[0008] 為了便于對施肥裝置的施肥量進行控制，實現(xiàn)變量施肥，在所述牽引裝置上還設(shè) 有速度傳感器和控制器。
[0009] 為了便于對調(diào)節(jié)板進行控制，所述排料調(diào)節(jié)裝置包括蓋板與底板，蓋板與底板相 對開設(shè)有N個通孔，每根所述導(dǎo)肥管的下端與蓋板上的一個通孔相連，每根所述施肥管的 上端與底板上的一個通孔相連，所述蓋板蓋裝在底板上，所述調(diào)節(jié)板插接在蓋板與底板之 間。
[0010] 所述導(dǎo)肥管與施肥管均為圓管，且其管心線位于同一條直線上。
[〇〇11] 采用上述結(jié)構(gòu)，可以減小肥料在管壁的附著，避免肥料堵塞管道，保證施肥過程順 利進行。
[0012] 為了便于施肥過程的進行，所述料箱左側(cè)壁的下端部設(shè)為斜面，該斜面的斜度為 30。?60°。
[0013] 結(jié)合上述施肥裝置的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出一種基于步進電機的自動變量施肥裝置的 控制方法，按照以下步驟進行：
[0014] 步驟1 :參數(shù)設(shè)置，每塊地的施肥量為％,每塊地的長度為i = 1?η, η為待施 肥的地塊數(shù)；
[0015] 步驟2 :控制器采用模糊控制算法將每塊地的施肥量％模糊化，然后將第i地的施 Η g 肥量Qi與第i+l塊地的施肥量Qi+1進行比較，按照e = Qi+1-Qi、ec =石和ei = / edt分 別得出兩個施肥量的誤差e、誤差變化率ec和誤差積分ei ;
[0016] 步驟3 :控制器將步驟2所得的誤差e與誤差變化率ec進行模糊化處理，得到適 于模糊運算的模糊量誤差E與模糊量誤差變化率EC ;
[0017] 步驟4 :確立模糊控制規(guī)則表，并根據(jù)模糊控制規(guī)則表對步驟3所得的模糊量誤差 E與模糊量誤差變化率EC進行模糊推理，查表得到調(diào)整參數(shù)的增量ΛΚ Ρ、ΛΚρ AKd;
[0018] 步驟5 :控制器對步驟4所得結(jié)果分別進行逆模糊化處理，得到控制參數(shù)KP、Kp KD;
[0019] 步驟6 :控制器將步驟3所獲得的誤差e與誤差變化率ec與步驟5所得的控制參 數(shù)K^KpKd采用非線性PID控制法進行組合，得到控制量u(t)，其中u(t) =e(17+17KP) + ei (3+2ig+ec (2. 7+2KD)，然后控制步進電機調(diào)節(jié)施肥機構(gòu)的施肥量；
[0020] 步驟7 :獲取裝置的行進速度V，控制器⑶按照Ti+1 = Li+1/V計算出第i+Ι塊地 對應(yīng)的排肥孔開度的保持時間Ti+1;
[0021] 步驟8 :返回步驟2循環(huán)控制，直至全部地塊施肥完成。
[0022] 作為進一步描述，所述步驟7中裝置的行進速度由速度傳感器獲取。
[0023] 采用上述方法，根據(jù)每一塊地的施肥信息計算出相鄰兩塊地施肥量的差值，然后 得出對步進電機的控制量，并通過控制其轉(zhuǎn)動的方向與圈數(shù)，從而實現(xiàn)變量施肥，之后再 根據(jù)每塊地的長度計算出該施肥量下排肥孔開度的保持時間，實現(xiàn)每塊地的均勻施肥，從 而實現(xiàn)精準(zhǔn)的按需施肥。
[0024] 本發(fā)明的顯著效果是：結(jié)構(gòu)簡單，實時的根據(jù)每一塊地的施肥信息控制步進電機 調(diào)節(jié)施肥裝置的施肥量，實現(xiàn)了精確的按需施肥，提高了肥量的利用率，減少了對生態(tài)環(huán)境 的影響，且推廣成本低。 【專利附圖】

【附圖說明】
[〇〇25] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖2是圖1中施肥機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖3是本發(fā)明中模糊PID控制法的原理框圖；
[0028] 圖4是本發(fā)明與傳統(tǒng)技術(shù)的控制效果對比圖。 【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】以及工作原理作進一步詳細(xì)說明。
[0030] 如圖1與圖2所示，一種基于步進電機的自動變量施肥裝置，包括牽引裝置1和安 裝在該牽引裝置1上的施肥機構(gòu)，所述施肥機構(gòu)包括料箱4與排料調(diào)節(jié)裝置，所述排料調(diào)節(jié) 裝置設(shè)置有蓋板6與底板7,所述蓋板6與底板7對應(yīng)開設(shè)有六個通孔，所述蓋板6蓋裝在 底板7上，蓋板6上的通孔與底板7上的通孔形成排肥孔，每個蓋板6上的通孔均通過一根 導(dǎo)肥管5與所述料箱4相通，每個底板7的通孔上連接有一根施肥管8,在所述蓋板6與底 板7之間插接有調(diào)節(jié)板9,該調(diào)節(jié)板9上開設(shè)有六個與所述排肥孔適應(yīng)的過料孔，在所述調(diào) 節(jié)板9的一側(cè)設(shè)置有齒條，所述齒條與步進電機10轉(zhuǎn)動軸上的齒輪嚙合，通過控制步進電 機10帶動調(diào)節(jié)板9左右移動改變排肥孔的開度實現(xiàn)變量施肥。
[0031] 從圖1中還可以看出，在具體實施時，在所述牽引裝置1上還設(shè)有速度傳感器2和 控制器3。
[0032] 如圖2所示，所述導(dǎo)肥管5與施肥管8均為圓管，且其管心線位于同一條直線上。
[0033] 從圖2中還可以看出，所述料箱4左側(cè)壁的下端部設(shè)為斜面，該斜面的斜度為 30。?60°。
[0034] 根據(jù)上述設(shè)備，對這種基于步進電機的自動變量施肥裝置的控制方法，其處理步 驟如下：
[0035] 首先進入步驟1 :通過預(yù)先根據(jù)測土配方或?qū)＜蚁到y(tǒng)決策分析，得到的相同大小 地塊的施肥信息，形成施肥處方圖，然后為了便于計算與控制，本實施例中待施肥的地被均 分為η塊，每塊地的長度均為L，每塊地的寬與施肥裝置的有效幅寬相等，每塊地通過施肥 決策系統(tǒng)計算得出相對應(yīng)的施肥量為Qi，i = 1?η，排肥孔的個數(shù)Ζ，單個排肥孔全開下單 位時間的排肥量為q ;
[0036] 排肥孔的開度系數(shù)R分為7個等級，分別為全開、5/6全開、4/6全開、3/6全開、2/6 全開、1/6全開和全閉，此時施肥裝置的行進速度為V，則每塊地的施肥量Qi與排肥器排肥 孔的開度系數(shù)氏之間的關(guān)系為：Qi = Ri X Z X q X ^
[0037] 然后進入步驟2 :控制器3確定用于模糊控制的輸入變量、輸出變量及結(jié)構(gòu)，然 后將每塊地的施肥量Qi模糊化，如圖3所示，當(dāng)施肥裝置即將從第i塊地進入第i+Ι塊地 時，控制器3將第i地的施肥量&與第i+Ι塊地的施肥量Q i+1進行比較，按照e = Qi+1-Qi、 ec = ^和ei = / edt分別得出兩個施肥量的誤差e、誤差變化率ec和誤差積分ei ; dt
[0038] 然后進入步驟3 :將誤差e與誤差變化率ec變化范圍定義為模糊集上的論域，兩 者的論域均設(shè)為{-3, -2, -1，0, 1，2, 3}，對應(yīng)的模糊子集均為{NB，NM，NS，Z0, PS，PM，PB}，即 代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。由此可以確定誤差e與誤差變化率ec的隸屬 函數(shù)，然后控制器3將步驟2所得的誤差e與誤差變化率ec進行模糊化處理，得到適于模 糊運算的模糊量誤差E與模糊量誤差變化率EC ;
[0039] 其次進入步驟4 :對參數(shù)KP、Kp KD分別進行整定，得到三者的模糊控制規(guī)則表，如 表1，2, 3所示，并根據(jù)模糊控制規(guī)則表對步驟3所得的模糊量誤差E與模糊量誤差變化率 EC進行模糊推理，查表得到調(diào)整參數(shù)的增量Λ ΚΡ、Λ Κρ Λ KD;
[0040] 其中，模糊規(guī)則確立的原則是，當(dāng)誤差較小時，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系 統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要控制目的；當(dāng)誤差較大時，選擇控制量要避免誤差過大，以盡快消除誤差 為主要控制目的；
[0041] 其次進入步驟5 :控制器3對步驟4所得結(jié)果分別進行逆模糊化處理，得到控制參 數(shù) Kp'K^Kd ;
[0042] 然后進入步驟6 :將表1、2、3經(jīng)過PID控制法處理后得到控制量u(t)的控制規(guī)則 表，如表4所示，控制器3將步驟3所獲得的誤差e與誤差變化率ec與步驟5所得的控制參 數(shù)KpUd采用非線性PID控制法進行組合，得到對步進電機10的控制量u⑴，其中u⑴ =e (17+17KP) +ei (3+2ig +ec (2. 7+2KD)即為不同施肥量下排肥孔開度系數(shù)R的增量，然后 控制步進電機10轉(zhuǎn)動，將排肥孔的開度系數(shù)由氏改變?yōu)镽 i+1，實現(xiàn)施肥機構(gòu)的變量施肥；
[0043] 然后進入步驟7 :通過速度傳感器2獲取裝置的行進速度V，控制器（3)按照Ti+1 =L/V計算出第i+1塊地對應(yīng)的排肥孔開度的保持時間Ti+1 ;
[0044] 最后進入步驟8 :返回步驟2循環(huán)控制，直至全部地塊施肥完成。
[0045] 從附圖4中可以看出，常規(guī)PID控制下的系統(tǒng)的上升時間為0. 74 s，峰值時間為 1. 25s，調(diào)節(jié)時間為4. 34s，超調(diào)量為35%。而模糊PID控制下的系統(tǒng)的上升時間為0. 47s， 峰值時間為〇. 75s，調(diào)節(jié)時間為2. 00s，超調(diào)量為20% (圖中左側(cè)曲線為模糊PID控制效果 曲線，右側(cè)曲線為常規(guī)PID控制效果曲線）。對比傳統(tǒng)施肥技術(shù)中采用的常規(guī)PID控制，采 用模糊PID控制法下本施肥裝置的響應(yīng)速度更快、調(diào)節(jié)精度更高、穩(wěn)態(tài)性能更好，可以更好 的對施肥量進行精準(zhǔn)控制，更好的實現(xiàn)按需噴藥。
[0046] 表ΙΚρ的模糊控制規(guī)則表
[0047]
【權(quán)利要求】
1. 一種基于步進電機的自動變量施肥裝置，包括牽引裝置（1)和安裝在該牽引裝置 (1)上的施肥機構(gòu)，其特征在于：所述施肥機構(gòu)包括料箱（4)與排料調(diào)節(jié)裝置，該排料調(diào)節(jié) 裝置開設(shè)有N個排肥孔，每個排肥孔的上端通過一根導(dǎo)肥管（5)與所述料箱（4)相通，每個 排肥孔的下端連接有一根施肥管（8)，在所述排料調(diào)節(jié)裝置內(nèi)還插接有調(diào)節(jié)板（9)，該調(diào)節(jié) 板（9)上開設(shè)有N個與所述排肥孔相適應(yīng)的過料孔，在所述調(diào)節(jié)板（9)的一側(cè)設(shè)有齒條，該 齒條與步進電機（10)轉(zhuǎn)動軸上的齒輪嚙合，通過步進電機（10)帶動調(diào)節(jié)板（9)左右移動 改變排肥孔的開度實現(xiàn)變量施肥。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于步進電機的自動變量施肥裝置，其特征在于：在所述牽 引裝置（1)上還設(shè)有速度傳感器（2)和控制器（3)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于步進電機的自動變量施肥裝置，其特征在于：所述排料 調(diào)節(jié)裝置包括蓋板（6)與底板（7)，蓋板（6)與底板（7)相對開設(shè)有N個通孔，每根所述導(dǎo) 肥管（5)的下端與蓋板（6)上的一個通孔相連，每根所述施肥管（8)的上端與底板（7)上 的一個通孔相連，蓋板（6)蓋裝在底板（7)上，所述調(diào)節(jié)板（9)插接在蓋板（6)與底板（7) 之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于步進電機的自動變量施肥裝置，其特征在于：所述導(dǎo)肥 管（5)與施肥管（8)均為圓管，且其管心線位于同一直線上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于步進電機的自動變量施肥裝置，其特征在于：所述料箱 (4)左側(cè)壁的下端部設(shè)為斜面，該斜面的斜度為30°?60°。
6. -種如權(quán)利要求1-5所述的基于步進電機的自動變量施肥裝置的控制方法，其特征 在于： 步驟1 :參數(shù)設(shè)置，每塊地的施肥量為I，每塊地的長度為Q，i = 1?η，η為待施肥的 地塊數(shù)； 步驟2 :控制器（3)采用模糊控制算法將每塊地的施肥量％模糊化，然后將第i塊地的 /4 p, 施肥量Qi與第i+Ι塊地的施肥量Qi+1進行比較，按照e = Qi+1-Qi、ec = 和ei = / edt分 別得出兩個施肥量的誤差e、誤差變化率ec和誤差積分ei ; 步驟3 :控制器（3)將步驟2所得的誤差e和誤差變化率ec進行模糊化處理，得到適 于模糊運算的模糊量誤差E與模糊量誤差變化率EC ; 步驟4 :確立模糊控制規(guī)則表，并根據(jù)模糊控制規(guī)則表對步驟3所得的模糊量誤差E與 模糊量誤差變化率EC進行模糊推理，查表得到調(diào)整參數(shù)的增量Λ ΚΡ、Λ Κρ Λ KD; 步驟5 :控制器（3)對步驟4所得結(jié)果分別進行逆模糊化處理，得到控制參數(shù); 步驟6 :控制器（3)將步驟3所獲得的誤差e與誤差變化率ec與步驟5所得的控制參 數(shù)K^KpKd采用非線性PID控制法進行組合，得到控制量u(t)，其中u(t) =e(17+17KP) + 61(3+21^)+60(2.7+21^),然后控制步進電機（10)調(diào)節(jié)施肥機構(gòu)的施肥量； 步驟7 :獲取裝置的行進速度V，控制器⑶按照Ti+1 = Li+1/V計算出第i+Ι塊地對應(yīng) 的排肥孔開度的保持時間Ti+1 ; 步驟8 :返回步驟2循環(huán)控制，直至全部地塊施肥完成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于步進電機的自動變量施肥裝置的控制方法，其特征在 于：所述步驟7中裝置的行進速度由速度傳感器（2)獲取。
【文檔編號】A01C15/12GK104081921SQ201410321752
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】宋樂鵬, 彭軍, 寧有為, 何蘭 申請人:重慶科技學(xué)院