穴盘苗自动取苗机构的自适应模糊PID定位控制

针对目前穴盘苗移栽机控制系统定位精度不高、可靠性差、控制性能不稳定、智能化程度低等问题,该文对全自动大田移栽机中的顶苗杆式穴盘苗自动取苗机构的定位控制进行研究。经过理论计算和分析,提出采用自适应Fuzzy-PID控制算法来实现苗盘的步进输送定位控制。设计了自适应Fuzzy-PID控制器,进行了Matlab建模仿真分析以及系统调试试验。结果表明,自适应Fuzzy-PID控制下的响应时间为0.192 s,扰动超调量约为扰动信号幅值的0.88%, PID控制下的响应时间为0.359 s,扰动超调量约为扰动信号幅值的10%,且自适应Fuzzy-PID控制下的最大相对定位误差为0.27%,小于允许值1.25%。采用自适应Fuzzy-PID控制算法能够提高系统的定位精度以及改善系统的抗干扰性和作业稳定性,满足苗盘输送的定位精度要求。研究结果可为该取苗机构整个控制系统的研制提供参考和依据,也可为其他取苗移栽控制系统克服多重非线性因素影响适应于大田移栽作业环境提供一种新的解决途径。     

自动补苗装置精准定位自适应模糊PID控制

为实现补苗装置精准定位控制,解决自动移栽作业过程中因穴盘缺苗和取苗投苗失败而导致的漏栽问题,采用自适应Fuzzy-PID控制算法来实现钵苗输送的步进定位控制。构建了步进电机角速度控制传递函数的数学模型,设计了自适应Fuzzy-PID控制器及其模糊规则,通过MATLAB的Simulink模块建立了基于模糊PID控制器的步进电机系统角速度控制模型,以阶跃信号作为激励信号,自适应模糊PID控制和PID控制的仿真试验表明:PID控制的响应时间为7 s,出现超调量为0.1的振荡,通过调整PID控制器参数增大比例系数,系统响应时间缩短为2.2 s,系统响应速度明显加快,且未出现振荡环节;自适应模糊PID的响应时间为0.12 s,步进电机系统快速到达阶跃响应的稳态值,步进电机角速度控制稳定,角速度响应快,满足钵苗输送的定位要求。自动补苗试验结果表明:在植苗频率为40、50与60株/min时,补苗成功率分别为100%,100%、95.8%,且只要光纤传感器检测到漏苗信号,基于自适应Fuzzy-PID控制的步进电机系统快速响应,补苗控制系统都能准确及时地进行自动补苗。该研究可为解决自动移栽机田间作业的漏栽问题提供参考。     

基于玻璃化转变的稻谷干燥变温控制系统的设计与试验

针对在稻谷变温干燥过程中变温节点不明确、温度波动范围大和响应时间慢等问题,该研究设计了一种基于玻璃化转变的稻谷变温干燥控制系统。根据稻谷玻璃化转变曲线,确定变温控制策略,运用Logistic回归分析建立混配阀门开度和稻谷温度之间的控制模型并通过最小二乘法辨识模型参数。利用遗传算法对模糊隶属度函数进行优化,目标函数值迭代至0.118收敛,寻得最优幅宽。在Simulink仿真试验中,稻谷温度设定为42 ℃时,模糊PID控制的响应时间为66.43 s,且超调量为3.600%,优化后的模糊PID控制响应时间为37.06 s,且超调量为0.120%;在150 s加入5 s的外部信号干扰,优化后的模糊PID控制比模糊PID控制的调节时间少4.19 s且超调量减小0.050%;在稳态时输入升温信号,优化后的模糊PID控制比模糊PID控制的调节时间少16.79 s且超调量低0.338%。利用自主研制的干燥试验台进行变温试验,在变温响应试验中,优化后的模糊PID控制比模糊PID控制在目标温度和梯度升温调节时间中分别缩短了37.56 s和18.63 s;在温度稳定性试验中,稻谷温度变化范围为41.9～42.1 ℃,平均相对误差小于0.4%,变异系数小于0.5%;在建三江国家农业高新技术示范区浓江农场进行生产性验证,优化后的模糊PID控制系统响应时间小于30 s,稳态温度误差在±0.15 ℃,平均相对误差小于0.5%。测试数据表明变温干燥控制系统性能稳定,满足实际干燥作业的生产工艺需求。     

变量喷雾流量阀的变论域自适应模糊PID控制

为解决变量喷雾过程中实时混药时农药微小流量的控制问题,采用小型针阀、直流电动机及减速器设计了机电流量控制阀。构建了机电流量控制阀传递函数的数学模型,并为之设计了变论域自适应模糊PID控制算法。对该流量控制阀进行了变论域自适应模糊PID控制和PID控制的MATLAB仿真,比较结果表明：PID控制的响应时间为3.5 s,最大超调量约为39.0%,变论域自适应模糊PID的响应时间为0.93 s,超调量最大不超过2.9%。系统稳定性,准确性和快速性等指标完全满足农业技术要求。     

基于模糊PID控制的玉米精量播种机单体驱动器设计与试验

为提升新疆地区玉米精量播种机作业效率、稳定高速工况下播种质量，该研究以气吸圆盘式玉米排种器为研究对象，设计了一种基于模糊PID控制的玉米精量播种机单体驱动器。基于电机驱动排种控制系统硬件构成及工作原理，搭建了以STM32F103C8T6单片机为核心的功能电路。该单体驱动器工作时，由霍尔传感器采集播种机的作业速度，通过高精度光电旋转编码器实时反馈电机转速，利用增益调整型模糊PID算法使调速系统根据转速偏差和偏差变化率实时修正PID控制参数，使电机转速快速精准地跟随作业速度的变化。通过转速控制特性试验可知：脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）频率为60 kHz时，电机具有良好的启动特性；电机转速在307～10 441 r/min范围内，电机实际转速变异系数均小于6.29%，具有较好的稳定性和线性度。电机调速试验结果表明：在设定电机目标转速为1 500 r/min时，模糊PID调速系统相比传统PID调速系统超调量降低0.4%，上升时间和调节时间分别缩短0.12和0.49 s，稳态误差减小0.3%；在种床带速度反馈周期T=1.0 s时，模糊PID动态调速精度较高、鲁棒性好。电机驱动排种台架试验结果表明：作业速度为8、10 km/h时，两种控制方式的播种性能指标差异较小；作业速度为12 km/h时，模糊PID控制的播种合格指数大于93.04%，重播指数小于5.13%，漏播指数小于1.83%；与传统PID控制方式相比合格指数均值提高2.50个百分点，重播指数均值降低0.85个百分点，漏播指数均值降低0.88个百分点，各播种性能指标均优于传统PID控制方式，适于高速播种作业。研究结果可为玉米高速精量播种机的研发设计提供参考。     

植保四轴飞行器的模糊PID控制

针对当前植保四轴飞行器在作业过程中自身载荷发生改变后的飞行控制性能下降、抵抗环境扰动能力差的问题,该文改进了传统比例积分微分(proportion,integration,differentiation,PID)控制算法,提出了一种模糊PID控制算法。该文通过研究四轴飞行器的姿态解算和飞行原理,设计了以STM32系列的单片机为核心处理器的四轴飞行控制系统。采用AHRS模块实时解算飞行器姿态参数,结合模糊控制和PID控制算法调节电机的输出量来控制飞行姿态。试验结果表明:与传统PID相比,模糊自整定PID控制算法适应性强,参数整定简单,系统的动态响应能力和稳定性获得了提高,实现了四轴飞行器的稳定飞行。该文为植保无人机控制算法研究提供了一定的参考。     

基于Smith-模糊PID控制的变量喷药系统设计及试验

为实现精准变量喷药技术,该文设计了旁路节流式变量喷药控制系统用于变量喷药和幅宽调节控制,运用流体网络理论建立系统的数学模型,将模糊PID控制与基于喷药流体网络模型的Smith预估控制结合起来喷药量的调节,并对国产3W-250型喷杆喷雾机进行改造并构建喷药试验平台。试验结果表明,基于喷药流体网络模型的Smith-模糊PID控制算法的动态响应更快,降低了变量喷药系统滞后性和非线性的不利影响,超调量小于13.1%,稳态误差小于3.52%,且具有较好的适应能力和鲁棒性,为精准变量喷药控制提供一种实现方法。     

番茄钵苗移栽机自动取苗装置作业参数优化与试验

针对新疆地区番茄移栽机械自动化程度低、劳动强度大、作业效率低等问题,该文分析了一种番茄钵苗自动取苗装置的夹苗器凸轮运动过程,得到了凸轮运动过程参数,结合钵苗取苗作业要求搭建取苗试验台,对自动取苗装置主要工作参数进行优化。以适栽期番茄钵苗为试验对象,利用自动取苗试验台进行单因素试验。进一步结合理论分析及单因素试验,选取苗针长度、苗针开度、取苗频率为影响因素,以伤苗率、漏苗率和取苗成功率为评价指标进行三因素三水平二次旋转正交组合试验,通过Design-Expert.V8.0.6软件,得到理论最优参数组合:苗针长度198 mm,苗针开度19 mm,取苗频率57株/min,此参数组合下伤苗率为3.91%,漏苗率为1.56%,取苗成功率为94.69%。在自动取苗试验台上进行验证试验,取苗装置伤苗率为3.44%,漏苗率为1.72%,取苗成功率为94.38%,与优化结果基本吻合,验证了所建模型与优化参数的合理性。田间取苗试验伤苗率为3.65%,漏苗率为2.08%,取苗成功率为94.27%。田间试验取苗成功率与优化结果的误差为0.44%,表明取苗装置抗干扰能力较强。该研究结果可为番茄全自动移栽机取苗装置的结构改进和作业参数控制提供参考。     

基于分层结构模糊免疫PID的孵化过程控制

针对孵化系统具有强耦合、强干扰、大滞后的特点，提出一种基于分层结构的模糊免疫PID（Proportional—IntegralDerivative）算法，首先，前层结构控制采用前馈补偿解耦控制算法消除系统主要控制参数的耦合关系，后层结构控制根据系统主要参数易产生震荡和超调特点，采用模糊免疫PID控制算法，该算法根据模糊控制原理对PID参数模型中的kp，ki，kd进行在线修改，利用生物免疫机理调整非线性函数，然后用免疫修正进一步调整PID系统参数，实现家禽孵化设备中温度、湿度和含氧量的更为精确的智能控制。最后，实际运行结果验证了该控制算法的有效性。     

基于模糊PID控制的再生稻自适应仿形割台性能试验与分析

为促进水稻再生季穗头萌发,头季稻机械收获时需保证300～450 mm的留茬高度,但水田泥脚深浅不一,收获时割台高度上下浮动,留茬高度难以保证,严重影响再生季产量。为此,该研究设计了一种自适应仿形割台,可实现割台高度及水平自适应调整。首先,对自适应仿形割台结构进行设计。然后,在Matlab/Simulink中搭建控制系统仿真模型,设计模糊规则,采用模糊PID控制方法对自适应仿形割台进行性能仿真,以超调量、响应时间和稳定性为指标,验证控制方法的可行性;以阶跃信号作为激励,对比分析了传统PID和模糊PID的控制效果,结果表明,模糊PID控制比传统PID的上升时间和到达稳态所需时间分别减少78.9%和81.6%,超调量由46 mm下降到8.2 mm。最后,搭建割台试验平台进行性能试验。结果表明,采用模糊PID控制时割台提升过程的平均响应速度约为0.216 m/s,下降过程的平均响应速度约为0.244 m/s,割台高程调节的平均误差6.75 mm,水平调节的平均误差为0.64°,割台调整迅速,定位准确度高,可满足再生稻头季收获使用需求。     

机械驱动式辣椒穴盘苗自动取投苗系统设计与试验

针对目前半自动移栽机人工取投苗劳动强度大、工作效率低,控制系统复杂等问题,该研究结合当前新疆穴盘苗移栽作业模式和农艺要求,模仿人工取喂苗的方式设计了一种机械驱动式辣椒穴盘苗自动取投苗系统。该自动取投苗系统由地轮提供动力,通过穴盘进给装置的横向送苗驱动机构和纵向送苗驱动机构驱动穴盘横向、纵向准确移位,实现128穴整盘穴盘苗的自动进给,通过机械取投苗装置实现穴盘苗的自动取投。根据"己"字型穴盘进给方案和机械手取投苗轨迹与姿态要求,确定了机械取投苗装置偏转驱动机构和拔取驱动机构各构件的尺寸参数,构建了机械自动取投苗机构驱动装置的运动学模型,分析得出机械手末端位移、速度、加速度方程以及偏转、拔取驱动装置的主要参数和运动规律。为验证该系统的作业性能,利用Solidworks软件对机械手取投苗轨迹和运动规律进行仿真分析,选取苗龄60d、基质含水率24.61%～31.57%的辣椒穴盘苗进行室内样机穴盘进给位移可靠性试验和取投苗试验。试验结果表明,机械手仿真运动轨迹满足设计要求;穴盘纵向和横向进给位移与理论偏差小于1 mm,满足穴盘进给装置的供苗要求;在取投苗速度64～88株/min范围内,随着取苗速度的增加,取苗成功率、投苗成功率先增大后减少,输苗成功率总体波动较小,取投苗总成功率先增大后减少,取投苗速度80株/min时效果最佳,此时系统平均取投苗总成功率、取苗成功率、投苗成功率、输苗成功率分别为92.54%、92.93%、99.57%和100.00%,作业过程中无伤苗情况,满足穴高45 mm的辣椒穴盘苗栽植前自动进给穴盘苗、取投苗、输苗等作业要求。研究结果可为后续机械式自动穴盘移栽机的设计提供参考。     

差速水稻钵苗Z字形宽窄行移栽机构设计

针对水稻钵苗宽窄行Z字形移栽农艺要求,提出了一种差速式水稻钵苗Z字形宽窄行移栽机构,利用差速轮系的不等速传动和空间传动,以空间轨迹实现水稻钵苗Z字形宽窄行移栽.将非均匀B样条曲线理论应用于非圆齿轮节曲线的拟合,并采用坐标变换方法建立了机构齿轮箱轮系的数学模型.将水稻钵苗Z字形宽窄行移栽的轨迹和姿态要求参数化为9个具体的运动学优化目标,编写了基于机构数学模型的可视化参数优化界面,利用该软件界面分析了传动箱非圆齿轮节曲线和齿轮箱非圆齿轮节曲线对轨迹形状的影响,以及斜齿轮螺旋角和取秧夹片长度与轨迹偏移量的关系.通过优化得到取秧段偏移量为3.9mm,取秧段轨迹有效长度为45.6mm,移栽机构离地高度为32.6mm,夹片离从动非圆齿轮牙嵌轴距离6.7mm的大环扣式移栽轨迹.完成了移栽机构的虚拟仿真与样机试制,利用自制试验台架、工业相机和图像处理软件对机构移栽臂运动轨迹和姿态进了分析,结果与理论数据吻合,验证了移栽机构方案的可行性和结构的合理性.     

辣椒穴盘苗自动移栽机设计与试验

针对新疆广泛应用的半自动辣椒移栽机效率低、劳动强度大的问题,该研究设计了一种辣椒穴盘苗自动移栽机。整机主要由全自动取投苗系统与栽植机构组成,采用整排取苗再分苗投苗的方式,实现128(16列×8行)穴辣椒穴盘苗的自动取苗、投苗。在分析现有移栽机结构和工作原理的基础上,确定了辣椒穴盘苗自动移栽机的整体结构,完成了全自动取投苗系统的关键参数设计;制定了全自动取投苗系统的气动回路方案,并基于Fluid SIM软件进行仿真及优化。采用平均苗高166.7 mm的辣椒苗,以取投苗成功率,栽植频率,株距变异系数,倒伏率为评价指标进行田间试验。试验结果表明:在工作气压0.4 MPa及移栽机作业速度1.4～1.7 km/h时,平均取投苗成功率为97.07%,栽植频率为123株/min,倒伏率1.67%,株距变异系数为3.67%,各项性能指标均满足辣椒穴盘苗移栽的农艺要求。该研究可为自动化移栽机的研究提供参考。     

蔬菜穴盘苗弧形展开式自动取投苗装置设计与试验

针对穴盘苗取投苗装置机械结构较复杂、取投苗易失败等问题,该研究设计了一种蔬菜穴盘苗弧形展开式自动取投苗装置。通过对取投苗作业过程进行分析,提出整排取苗、弧形展开投苗的自动取投苗作业方式,对夹苗组件、导向槽、旋转接苗机构等进行设计,并确定各部件关键参数,搭建PLC自动控制系统,设计执行单元的气动回路方案,并提出匹配延时函数。以辣椒穴盘苗为试验对象,以平均取投苗频率、供气压力、基质平均含水率为试验因素,以取投苗成功率、损伤率为试验指标进行正交试验,并以较优参数组合进行重复验证试验。试验结果表明：平均取投苗频率为90株/min、供气压力为0.4 MPa、基质平均含水率为30%时,取投苗成功率为94.05%,损伤率为1.19%,该研究可为自动取投苗装置的研发提供参考。     

蔬菜穴盘苗插入顶出式取苗装置研制

针对蔬菜穴盘苗自动取苗装置结构复杂、取苗性能差等问题，该研究综合顶出式取苗与插入夹持式取苗的优缺点，设计了一种插入顶出式取苗装置。首先对钵苗顶出过程进行受力分析，对抛出后的钵苗进行运动过程分析，得出造成顶出式取苗的钵苗翻滚的影响因素，提出插入顶出式取苗结构的优化目标，然后对送盘机构、插入顶出式取苗机构进行受力分析和参数优化。以辣椒钵苗为试验对象，选取苗龄、钵体含水率和取苗频率为影响因素，以取苗合格率、基质损失率和伤苗率为指标进行正交试验。试验结果表明：苗龄30 d、基质含水率60%、取苗频率120 株/min时，取苗成功率为97.22%，基质损失率为18.06%，伤苗率为1.39%，取苗效果最佳。以苗龄25 d的甘蓝和花椰菜苗进行不同蔬菜作物取苗验证试验，取苗合格率分别为93.75%和95.14%，基质损失率分别为17.21%和16.67%，伤苗率分别为4.17%和3.47%，满足蔬菜穴盘苗全自动移栽机取苗作业要求。研究结果可为蔬菜穴盘苗全自动移栽机的设计和作业参数优化提供参考。     

全自动玉米秧苗移栽机的研制与试验

为了克服人工移栽劳动强度大、作业效率低、移栽质量差的缺点,该文研制了一种全自动玉米秧苗移栽机。设计了全液压驱动系统和以PLC为核心模块的自动控制快速上秧装置,可实现整册纸筒自动取苗,数字识别无苗纸筒并剔除,有苗纸筒带式水平和针刺带垂直输送,夹持圆盘可完成零速投苗栽植。该机与破茬开沟、垄型整理、滤水覆土有机结合,可完成全部移栽过程。田间试验结果表明,当机组前进速度为2.5~3.0 km/h、理论株距为22 cm时,移栽深度合格率为87.5%,株距合格率为93.2%,苗株直立度合格率为91.2%,能够满足玉米纸筒苗移栽的农艺要求。该机是实施玉米纸筒秧苗移栽新型农艺技术的机械化载体,可显著提高玉米纸筒秧苗移栽作业的标准化、机械化和自动化程度。