尹修杰 黃啟辰 朱虹 李紅亮

摘要：針對(duì)水田地面不平整導(dǎo)致的大型水稻播種機(jī)難以操控的問題，提出一種基于水田的水稻精確埋深控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由浮船傳感器、電比例控制閥組、提升角位移傳感器、控制裝置組成。首先，設(shè)計(jì)一種基于浮船傳感器的仿形控制系統(tǒng)，通過浮船傳感器獲取水田信息，并將其轉(zhuǎn)化為PID控制參數(shù)。其次，通過PID控制電比例控制閥組，從而控制播種機(jī)的耕種深度。最后，由掩埋浮板對(duì)播種后水田的整形功能實(shí)現(xiàn)水稻精確埋深。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)播種機(jī)組行駛速度小于0.67 m/s時(shí)，寬幅播種機(jī)能夠跟隨浮船傳感器浮動(dòng)，且播種機(jī)開溝器不脫離水田表面的同時(shí)不陷入太深。當(dāng)種子埋深平均值控制在20 mm±10 mm時(shí)，埋深合格率達(dá)96.7%，且降低拖拉機(jī)開芯式液壓系統(tǒng)的液壓油溫度。

關(guān)鍵詞：水田；寬幅水稻播種機(jī)；PID運(yùn)算器；仿地形控制；播種機(jī)械

中圖分類號(hào)：S223.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：20955553 （2024） 02002007

收稿日期：2023年8月23日 ?修回日期：2023年12月17日

基金項(xiàng)目：山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（重大科技創(chuàng)新工程）項(xiàng)目（2022CXGC020703）；山東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（ZR2021ME116）

第一作者：尹修杰，男，1970年生，山東濟(jì)南人，博士，副教授；研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)業(yè)裝備技術(shù)。Email： ldyinxiujie@163.com

Design and experiment on precise sowing depth control system of largescale rice planter

Yin Xiujie1， Huang Qichen1， Zhu Hong1， Li Hongliang2

（1. School of Construction Machinery， Shandong Jiaotong University， Jinan， 250357， China;

2. Unit 32128， Jinan， 250300， China）

Abstract：

Aiming at the problem of difficult operation control of large rice planter due to the uneven surface of paddy fields， a precise planting depth control scheme applied in paddy field is proposed. The system of the planter is composed of a floating ship sensor， an electric proportional control valve group， a lifting angular sensor， a control device and a burying device with a floating plate. Firstly， a profiling control system based on the floating ship sensors is designed. The system acquires paddy field information through the floating ship sensors and converts it into PID arithmetic unit. Secondly， the PID arithmetic unit of the electroproportional control valve group is used to control the tilling depth of the seeder. Finally， the buried floating plate achieves the precise burying depth of rice by shaping the paddy field after sowing. The experiment result shows that when the driving speed of the seeder is less than 0.67 m/s， the wide seeder can follow the floating ship sensor to realize profiling， so as to ensure that the seeder ditcher does not separate from the paddy field surface and does not fall into the mud too deep. The test result shows that when the average seed burial depth is controlled at 20 mm±10 mm， the qualification rate of buried depth reaches 96.7%， and the hydraulic oil temperature of the tractor with open center hydraulic system is reduced.

Keywords：

paddy fields; widewidth rice planter; PID operator; terrain imitation control; seeding machinery

0 引言

仿地形技術(shù)可以有效地保證農(nóng)作物耕深一致性，在農(nóng)業(yè)機(jī)械上應(yīng)用廣泛［13］。在許多播種機(jī)上都設(shè)計(jì)了具有仿形功能的開溝器，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)仿形，提高了種子埋深一致性。但這些多為機(jī)械式仿形，通常利用彈簧形變，采用單點(diǎn)單桿鉸鏈?zhǔn)椒滦螜C(jī)構(gòu)、平行四桿仿形機(jī)構(gòu)、多桿件雙自由度仿形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)仿形功能，但在仿形過程中，隨著地表的起伏，彈簧會(huì)產(chǎn)生壓縮與伸長(zhǎng)，對(duì)土壤的壓力是實(shí)時(shí)變化的，導(dǎo)致仿形效果差［48］。為解決機(jī)械式仿形存在的問題，國(guó)外最早出現(xiàn)了基于機(jī)—電—液一體化技術(shù)的電液仿形系統(tǒng)，Suomi等［9］采用角度傳感器和遠(yuǎn)程超聲測(cè)距傳感器檢測(cè)地表高度，控制電液比例閥，輸出相應(yīng)的液壓缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而控制開溝深度恒定。Nielsen等［1012］開發(fā)了一種犁刀開溝器深度控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)播深穩(wěn)定性顯著高于傳統(tǒng)播種機(jī)。

在收獲機(jī)械方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者在收獲機(jī)割臺(tái)仿形自動(dòng)控制方面做了相關(guān)研究。廖勇等［13］設(shè)計(jì)了一種割臺(tái)高度仿地形自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過位移傳感器調(diào)整液壓缸伸縮量來(lái)檢測(cè)割臺(tái)高度，但是缺少整機(jī)數(shù)據(jù)采集，精確度有待提高。

在薯類作物機(jī)械化收獲方面，德國(guó)生產(chǎn)的GT170型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)，采用仿地形自動(dòng)控制限深技術(shù)，控制系統(tǒng)由仿形輪、位移傳感器、液壓系統(tǒng)和控制器等組成，具有精準(zhǔn)度和自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)薯類收獲機(jī)挖掘深度控制技術(shù)以機(jī)械式為主，熊佳等采用液壓限深設(shè)計(jì)了一種木薯收獲機(jī)挖深液壓控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)仿形性有待提高，同時(shí)由于駕駛員需要經(jīng)常觀察地面狀況做出調(diào)整，造成操作誤差和勞動(dòng)強(qiáng)度大。南春磊等基于單片機(jī)和紅外測(cè)距傳感器，設(shè)計(jì)了一種挖掘深度自動(dòng)控制系統(tǒng)，其非接觸式探測(cè)機(jī)構(gòu)采集信息速度快，但容易受到地面狀況擾動(dòng)，受溫度、水分等因素影響較大。

在水稻種植方面，在很多地方采用水稻直播取代插秧移栽。對(duì)于大地塊而言，為實(shí)現(xiàn)快速播種作業(yè)，普遍采用寬幅水稻播種機(jī)進(jìn)行水稻直播。寬幅水稻播種機(jī)由拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛掛接牽引，由拖拉機(jī)提升手柄操控播種機(jī)具的高度。由于水田淤泥下硬地存在前后、左右不平，播種作業(yè)過程中，會(huì)引起作業(yè)機(jī)組前后俯仰左右搖晃；導(dǎo)致水稻種子埋深極不均勻，對(duì)于大型農(nóng)機(jī)具，拖拉機(jī)駕駛員很難保證這種精確的操作。

本文結(jié)合掩埋浮板的機(jī)械限位方法，提出一種基于浮船傳感器探測(cè)水田地形的水稻播種機(jī)精確埋深控制方案，設(shè)計(jì)水稻播種機(jī)的電液壓仿形系統(tǒng)，并進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過浮船傳感器采集水田信息，設(shè)計(jì)仿形控制系統(tǒng)。運(yùn)用PID控制算法對(duì)電比例控制閥組進(jìn)行調(diào)節(jié)，確定影響播種埋深精度的關(guān)鍵參數(shù)，以解決水稻種子精確埋深控制問題和水稻播種機(jī)組在定量液壓系統(tǒng)中使用電比例控制閥組容易發(fā)熱問題。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

如圖1所示，水稻播種機(jī)組由拖拉機(jī)和8m寬水稻播種機(jī)組成，播種機(jī)由拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛掛接驅(qū)動(dòng)。水稻播種機(jī)精確埋深控制系統(tǒng)由控制裝置、提升電比例閥組、仿地形浮船傳感器、提升角位移傳感器、浮板掩埋裝置組成。

工作原理：使用電比例液壓閥組代替手動(dòng)式提升分配器，以控制拖拉機(jī)提升油缸的升降［14］。如圖2所示，一方面，提升角位移傳感器置于拖拉機(jī)提升軸側(cè)面，檢測(cè)拖拉機(jī)提升軸角度，輸出農(nóng)機(jī)具耕深位置信息，與控制裝置面板上耕深設(shè)置旋鈕設(shè)定值相減得差值，經(jīng)提升控制PID運(yùn)算后，輸出PWM控制電比例液壓閥組，參與拖拉機(jī)懸掛機(jī)組耕深位置閉環(huán)控制［15］。另一方面，將浮船傳感器置于播種機(jī)前方中間位置，用來(lái)檢測(cè)播種機(jī)前方堆積淤泥的多少。浮船傳感器輸出水田地形信息，經(jīng)比例縮放后得到仿形修正量，當(dāng)仿形開關(guān)閉合時(shí)，該仿形修正量能夠從提升控制PID輸入端修正耕深設(shè)定值，進(jìn)一步參與提升控制PID運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)播種機(jī)仿地形浮動(dòng)控制。

通過在播種機(jī)的播種機(jī)構(gòu)后方設(shè)置浮板掩埋裝置，在播種機(jī)組行駛過程中，浮板往前推趕泥漿，對(duì)播種后的水田具有整形作用，只要仿形控制系統(tǒng)確保開溝器保持水田表面以下，隨著播種機(jī)的行駛，經(jīng)過浮板掩埋裝置對(duì)水田泥漿的整形，即可實(shí)現(xiàn)精確地水稻種子埋深控制。

本文通過上述電比例仿形控制結(jié)合機(jī)械浮板掩埋裝置的整形、限深作用，既保證了在水田中水稻種子的精確埋深，同時(shí)又大大降低對(duì)電比例仿形控制的精度要求，進(jìn)一步降低了電比例液壓閥的開啟頻率，降低了拖拉機(jī)定量式液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量，為拖拉機(jī)開芯式液壓系統(tǒng)應(yīng)用比例控制打下基礎(chǔ)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 浮船傳感器設(shè)計(jì)

浮船傳感器用來(lái)檢測(cè)播種機(jī)前方堆積淤泥的多少，淤泥堆積越多說明播種機(jī)下陷的越深；堆積淤泥越少，說明播種機(jī)相對(duì)于水田表面越淺。通過設(shè)定仿形基準(zhǔn)，浮船在仿形基準(zhǔn)的上下活動(dòng)，活動(dòng)范圍由播種機(jī)的仿形幅度決定，根據(jù)地形和播種前整地條件，參照播種機(jī)的仿形參數(shù)，上、下仿形幅度通常為80～120 mm［1617］，考慮到播種機(jī)在水田行走中所堆積的淤泥高度，在水田中水稻播種機(jī)的上、下仿形量設(shè)置為180 mm。

如圖3所示，浮船傳感器主要由浮船、連桿機(jī)構(gòu)、角度傳感器組成，通過浮船與支架相連鉸接點(diǎn)支撐上下擺動(dòng)，通過連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)角度傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)，角度傳感器輸出信息，從而測(cè)量地形的變化。

其中連桿機(jī)構(gòu)包括支架、浮船、連桿、擺桿、角度傳感器安裝于支架上，浮船后端與支架底部鉸接連接，浮船前端與連桿底部鉸接連接，浮船采用目前插秧機(jī)常用的仿形浮船，其前后鉸接點(diǎn)距離L1設(shè)置為360mm。因此，浮船在基準(zhǔn)附近上下擺動(dòng)的角度用β表示，其中β的最大值

βlim=arcsinHL1=30°

（1）

式中：

βlim——

浮船在基準(zhǔn)附近上下擺動(dòng)角度的最大值；

L1——

浮船前后鉸接點(diǎn)距離，由浮船長(zhǎng)度決定，本文L1取值360 mm；

H——水稻播種機(jī)的上、下仿形量，mm。

圖3中L2表示連桿長(zhǎng)度，由浮船傳感器在播種機(jī)上安裝位置決定，L3表示擺桿長(zhǎng)度，α表示角度傳感器測(cè)量角度，本文設(shè)定L3=0.5×L1=180 mm，則α的角度范圍為-60°～60°，選定角度傳感器的量程為120°。

2.2 掩埋浮板限位裝置設(shè)計(jì)

2.2.1 掩埋浮板限位裝置方案設(shè)計(jì)

本文研究對(duì)象采用8 m寬32行水稻播種機(jī)，每一行播種機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)開溝、播種、掩埋三個(gè)步驟。為保證水稻種子埋深的一致性，在整個(gè)機(jī)組仿形的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了掩埋裝置?；驹砣鐖D4所示，播種機(jī)構(gòu)由開溝器、播種管道、掩埋板組成，δ表示掩埋板下沿距離開溝器底面的距離，此距離即為水稻種子埋深，掩埋板在其溝槽內(nèi)上下滑動(dòng)10 mm的距離，δ±10 mm即是水稻種子埋深的控制精度，只要保證開溝器始終在水田土壤中，掩埋板具有向前趕泥漿，整形限深的作用，即可保證水稻種子的埋深始終在δ±10 mm范圍內(nèi)。

如果仿形控制系統(tǒng)控制開溝器陷入泥土太深，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)水稻播種機(jī)前面堆積大量泥土，使播種機(jī)組牽引阻力增大，而使拖拉機(jī)熄火。另外，如果仿形控制系統(tǒng)控制開溝器離開水田表面以上，則水稻種子會(huì)直接撒到水田表面上，無(wú)法保證埋深控制。

綜上所述，通過增加掩埋裝置，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的精確尺寸保證下，對(duì)水稻播種機(jī)仿地形控制的要求大大降低，只要滿足如下條件：（1）不脫離水田表面，（2）開溝器不能陷入泥土太深，否則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)水稻播種機(jī)前面堆積大量泥土，播種機(jī)組牽引阻力增大，而使拖拉機(jī)熄火。

2.2.2 仿形控制精度分析

利用拖拉機(jī)液壓懸掛升降水稻播種機(jī)，將水稻播種機(jī)置于水田表面上，則所對(duì)應(yīng)的播種機(jī)相對(duì)拖拉機(jī)的提升位置為H0，要保證種子埋深20 mm，則所對(duì)應(yīng)的播種機(jī)相對(duì)拖拉機(jī)的提升位置應(yīng)下降到H1，使得：H0-H1≥20 mm。其中H1表示播種機(jī)實(shí)現(xiàn)仿地形控制的提升位置上限。下限是當(dāng)播種機(jī)前面堆積大量泥土，使播種機(jī)組牽引阻力增大，導(dǎo)致拖拉機(jī)熄火時(shí)，所對(duì)應(yīng)的相對(duì)拖拉機(jī)提升位置H2，因此，H2可以在通過不同的地塊實(shí)地測(cè)試得到。根據(jù)以上分析，可以得到仿形控制系統(tǒng)的精度極限值

λlim=H1-H2

（2）

則仿形控制系統(tǒng)的精度λ取值滿足式（3）。

λ≤λlim

（3）

λ取值越大，對(duì)仿地形控制系統(tǒng)的控制精度要求越低，因此，在達(dá)到水稻種子的精確埋深20 mm±10 mm的情況下，電比例液壓閥組的使用頻率越低，則拖拉機(jī)定量液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量越低。

2.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

播種機(jī)的仿形動(dòng)作由播種機(jī)電控比例提升閥組控制拖拉機(jī)提升油缸實(shí)現(xiàn)，如圖5所示，該閥組包括上升比例閥、下降比例閥、單向閥、三通壓力補(bǔ)償器和節(jié)流孔。當(dāng)上升比例閥通電時(shí)，單作用油缸在壓力油的作用下上升；調(diào)節(jié)比例電磁鐵的通電電流，可以調(diào)節(jié)上升的速度；上升比例閥與三通壓力補(bǔ)償器配合，實(shí)現(xiàn)流量的分流：部分流量通往油缸，多余流量回油箱，實(shí)現(xiàn)油缸動(dòng)作速度的比例控制。當(dāng)下降比例閥通電時(shí)，單作用油缸在負(fù)載的作用下下降；調(diào)節(jié)比例電磁鐵的通電電流，可以調(diào)節(jié)下降的速度。當(dāng)上升比例閥和下降比例閥都不通電時(shí)，油缸在負(fù)載的作用下，下降比例閥和單向閥保持在無(wú)泄漏狀態(tài)，靜沉降小。

1.下降比例閥 2.單向閥 3.上升比例閥

4.分流閥 5.阻尼孔

本文試驗(yàn)車輛選用CF2204拖拉機(jī)，使用播種機(jī)電控比例提升閥組取代拖拉機(jī)原提升閥組，播種機(jī)電控比例提升閥組進(jìn)油口P與拖拉機(jī)多路閥中間油口相連接，出油口A或A1接單作用油缸，回油口R和R1接油箱，測(cè)壓口M裝測(cè)壓接頭，以便測(cè)量壓力。拖拉機(jī)提升油缸的數(shù)量為2，缸徑φ為110 mm，行程為180 mm，系統(tǒng)壓力為16 MPa，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5998—2007，最快提升時(shí)間不大于3 s。

故播種機(jī)電控比例提升閥組的最大設(shè)計(jì)流量

Q≥πD2Ln4T

（4）

式中：

n——提升油缸數(shù)量，取2；

D——提升油缸直徑，取110 mm；

L——提升油缸行程，mm；

T——提升時(shí)間，s。

由式（4）計(jì)算可得播種機(jī)電控比例提升閥組的最大設(shè)計(jì)流量Q≥68.4 L/min，根據(jù)計(jì)算電控比例提升閥組各閥件選擇設(shè)計(jì)壓力：25 MPa。

2.4 播種機(jī)仿地形控制

如圖6所示，播種機(jī)仿地形控制系統(tǒng)由控制裝置、提升傳感器、浮船傳感器、電比例閥組組成。其中控制裝置由控制面板和控制板組成，控制板負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)、面板數(shù)據(jù)、算法運(yùn)算、輸出控制等；在控制裝置面板上設(shè)置提升擋位、停止擋位、下降擋位、浮動(dòng)擋位，當(dāng)操控手柄置于浮動(dòng)擋位時(shí)，仿形比例控制器輸出的控制量參與到提升閉環(huán)控制；當(dāng)操控手柄置于非浮動(dòng)擋位時(shí)，仿形比例控制器輸出仿形修正量不參與提升閉環(huán)控制，浮船傳感器不起作用?？刂蒲b置設(shè)置CAN總線、串口RS232總線，通過總線可以將所采集傳感器信息及控制裝置輸出信息上傳至上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)。

2.4.1 提升PID控制器設(shè)計(jì)

PID控制器是一種線性控制器，通過對(duì)偏差e（t）進(jìn)行比例、積分和微分變換的控制，控制規(guī)律如式（5）所示。

u（t）=KPe（t）+1TI∫t0e（t）dt+TDde（t）dt

（5）

式中：

u（t）——PID控制器輸出；

e（t）——

浮船傳感器當(dāng)前值與仿形基準(zhǔn)的差值，取512；

KP——比例系數(shù)；

TI——積分時(shí)間常數(shù)；

TD——微分時(shí)間常數(shù)。

本文控制器在工作時(shí)，數(shù)據(jù)是系統(tǒng)采集的離散數(shù)據(jù)，故需將上述連續(xù)算法進(jìn)行離散化，可求得離散PID控制增量表達(dá)式［18］，如式（6）所示。

Δu（k）=

KP［e（k）-e（k-1）］+KIe（k）+

KD［e（k）-2e（k-1）+e（k-2）］

（6）

式中：

KI——積分系數(shù)；

KD——微分系數(shù)。

根據(jù)本文控制板PWM的實(shí)際賦值范圍為0～65535，傳感器的輸出信號(hào)為0～5 V，控制器A/D轉(zhuǎn)換器采集范圍為0～1024，因此提升傳感器輸出信號(hào)經(jīng)數(shù)字化后均為0～1024。

本文PID控制器參數(shù)由PWM賦值范圍和AD轉(zhuǎn)換器范圍初步確定：KP=65535/1024=64。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取KD=KP/10=6.4，KI=KD/4=1.6。

2.4.2 仿形比例控制器設(shè)計(jì)

仿形比例控制是將浮船傳感器輸出信息反饋至提升PID輸入端，本文采用比例控制，表達(dá)式如式（7）所示。

u（t）=KFe（t）

（7）

式中：

KF——仿形控制比例系數(shù)。

浮船傳感器的輸出信號(hào)為0～5 V，控制器模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，范圍為0～1024。提升軸與播種機(jī)之間通過拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛相連接，由于三點(diǎn)懸掛傳動(dòng)比i的存在，則

KF=1i

（8）

本文取i=6［19］，代入式（8）得KF=1/6。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 PID控制試驗(yàn)

3.1.1 PID控制試驗(yàn)內(nèi)容

將浮船傳感器安裝于8 m寬水稻播種機(jī)中間位置，如圖6（a）所示。將電比例控制閥組、提升傳感器、控制裝置安裝在拖拉機(jī)上，8 m寬水稻播種機(jī)通過三點(diǎn)懸掛掛接到常發(fā)CF2204拖拉機(jī)上，本文所示控制裝置通過串口RS232/USB數(shù)據(jù)線與電腦相連，控制裝置實(shí)時(shí)地將所采集的傳感器信息上傳至電腦進(jìn)行存儲(chǔ)。

在平整地面上，拖拉機(jī)在水平面上垂直于道路放置，將播種機(jī)懸置于道路旁邊溝渠上方，控制裝置上電，操控控制面板手柄，將水稻播種機(jī)提至與道路齊平；通過筆記本電腦設(shè)置PID參數(shù)，分別對(duì)KP=70，KD=10，KI=1；KP=200、KD=10，KI=1；KP=200，KD=40，KI=1這3組參數(shù)進(jìn)行測(cè)試；將控制裝置面板手柄置于浮動(dòng)位置，浮船后端鉸接點(diǎn)快速上下擺動(dòng)，同時(shí)電腦采集數(shù)據(jù)。在播種機(jī)控制器程序中，將浮船傳感器輸出數(shù)據(jù)乘以比例系數(shù)KF后和提升傳感器數(shù)據(jù)均處理成0～1 000的范圍內(nèi)，便于比較。在Excel中將所測(cè)數(shù)據(jù)畫成曲線如圖7所示，研究當(dāng)播種機(jī)仿地形控制系統(tǒng)出現(xiàn)最大偏差時(shí)，控制系統(tǒng)的修正性能。

3.1.2 PID控制試驗(yàn)結(jié)果

如圖7（a）所示，當(dāng)KP=70，KD=7，KI=1時(shí)，通過手動(dòng)操控浮船傳感器在仿形基準(zhǔn)上下擺動(dòng)，并且使用提升傳感器來(lái)記錄水稻播種機(jī)的仿形過程，從圖7（a）可以看出，從仿形最高位置至最低位置，經(jīng)過1.14 s完成，播種機(jī)從仿形最低位置至最高位置平均約2.1 s，系統(tǒng)無(wú)超調(diào)。其原因主要是受提升油缸活塞桿的影響，導(dǎo)致提升油缸下腔面積大于上腔面積，其下腔進(jìn)油時(shí)響應(yīng)速度小于上腔進(jìn)油時(shí)相應(yīng)速度。

如圖7（b）所示，當(dāng)KP=200，KD=10，KI=1時(shí)，播種機(jī)從仿形最低位置至最高位置平均約1.7 s；從仿形最高位置至最低位值，經(jīng)過1 s左右時(shí)間完成，系統(tǒng)無(wú)超調(diào)。分析其原因，主要是PID參數(shù)比例作用放大以后，控制系統(tǒng)的響應(yīng)提高，但是提升油缸活塞桿的影響仍然存在。

如圖7（c）所示，當(dāng)KP=200，KD=40，KI=1時(shí)，播種機(jī)從仿形最低位置至最高位置平均約1.5 s；從仿形最高位置至最低位置，經(jīng)過1 s左右時(shí)間完成，系統(tǒng)無(wú)超調(diào)。分析其原因，主要是PID參數(shù)微分作用放大以后，偏差變化率作用增加，浮船傳感器和提升傳感器的差值對(duì)控制系統(tǒng)的響應(yīng)提高。

另外，當(dāng)KP=200，KD=40，KI=1時(shí)，手油門處于最大位置，播種機(jī)從仿形最低位置至最高位置最長(zhǎng)耗時(shí)約1.5 s，該數(shù)據(jù)表明播種機(jī)組行駛速度小于1/1.5=0.67 m/s的情況下，播種機(jī)能夠跟隨浮船傳感器仿地形浮動(dòng)。縮小仿形修正量的范圍可提高控制系統(tǒng)響應(yīng)速度。

3.2 水稻播種機(jī)精確埋深控制試驗(yàn)

3.2.1 精確埋深控制試驗(yàn)內(nèi)容

按照標(biāo)準(zhǔn)DB2111/T 0006—2021《水稻種植技術(shù)規(guī)范》，選擇5月份水稻播種季節(jié)，在鹽城大豐上海海豐農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，將水稻種子炒熟，使其不能發(fā)芽。對(duì)仿形控制系統(tǒng)控制精度λ分別取不同數(shù)值（表1），進(jìn)行播種。播種過后，對(duì)應(yīng)每一個(gè)λ值，分別連同泥土取播種樣本，每組樣本尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為300 mm×100 mm×50 mm。測(cè)量樣本水稻種子的埋深，每個(gè)樣本選擇10個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行取樣，將埋深數(shù)據(jù)記錄，計(jì)算種子埋深平均值、最大值、最小值及均方差，如表1所示；本文中定義控制系統(tǒng)仿形控制精度λ取值如下，例如：λ=10 mm±10 mm，即意味著種子埋深在10 mm上下波動(dòng)10 mm以內(nèi)，種子埋深取值在0～20 mm之間，即可滿足λ=10 mm±10 mm的精度要求。在試驗(yàn)過程中，對(duì)應(yīng)控制精度λ的不同數(shù)值，同時(shí)測(cè)試播種機(jī)組達(dá)到熱平衡后的液壓油溫度，如表2所示，分析對(duì)液壓系統(tǒng)發(fā)熱的影響程度。

3.2.2 精確埋深控制試驗(yàn)結(jié)果

如表1所示，對(duì)應(yīng)仿形控制系統(tǒng)的控制精度λ的不同數(shù)值，λ取值間隔5 mm。試驗(yàn)結(jié)果顯示，種子埋深平均值控制在20 mm±20 mm以內(nèi)時(shí)的合格率為96.7%，由此可以看出，8 m寬水稻播種機(jī)采用精確埋深控制技術(shù)后，可以根據(jù)水田下面硬地面的不平度改變自身姿態(tài)，可提高其作業(yè)性能指標(biāo)，減少播種過程中的不合格率，從而增加經(jīng)濟(jì)效益。

如表2所示，在仿地形控制精度設(shè)置為10 mm±10 mm時(shí)，在機(jī)組熱平衡后，溫度達(dá)到91.8 ℃，主要原因在于拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)為定量系統(tǒng)，提升閥組改為電比例閥組后（圖5），提升比例閥經(jīng)常開啟，總有一部分液壓油會(huì)產(chǎn)生高壓溢流，發(fā)熱嚴(yán)重。通過不斷地放大仿地形控制精度，當(dāng)50 mm±50 mm，提升比例電磁閥開啟頻率大大減少，播種機(jī)組溫度可以維持在75 ℃。但是因?yàn)槿▔毫ρa(bǔ)償器的存在（圖5），在卸載時(shí)，仍然存在一定的壓差損失。因此相比于拖拉機(jī)原液壓系統(tǒng)，發(fā)熱量仍然偏高10 ℃左右。

4 結(jié)論

1） ?本文針對(duì)水稻播種機(jī)在水田中，種子埋深難以保證均勻一致的問題，設(shè)計(jì)播種機(jī)仿地形精確埋深控制系統(tǒng)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性，在完全自動(dòng)控制條件下，實(shí)現(xiàn)種子埋深20 mm±10 mm的設(shè)計(jì)目標(biāo)。仿形控制系統(tǒng)的控制精度在10 mm±10 mm～50 mm±50 mm變化時(shí)，在掩埋浮板的作用下，種子埋深控制精度，幾乎無(wú)明顯變化。

2） ?浮板掩埋裝置，在完全保證設(shè)計(jì)目標(biāo)的情況下，能夠降低液壓比例閥的開啟頻率，減少液壓定量系統(tǒng)的發(fā)熱量，確保液壓油溫在長(zhǎng)時(shí)間工作條件下小于80 ℃。

3） ?進(jìn)行了模擬試驗(yàn)和田間試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：在油門處于最大位置、仿形修正量約占拖拉機(jī)提升總量程的1/4左右的情況下，播種機(jī)從仿形最低位置至最高位值最長(zhǎng)耗時(shí)約1.5 s。播種機(jī)組車輛行駛速度應(yīng)該控制在小于0.67 m/s以下?？s小仿形修正量的范圍可提高控制系統(tǒng)響應(yīng)速度，下一步工作將進(jìn)一步探究仿形修正量與機(jī)組行駛速度的匹配研究。

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