精密播种机下压力和播深CAN总线监控与评价系统研究

为实现精密播种作业中播种下压力和播深的实时监控和质量评价,设计了一种多行播种机下压力和播深CAN总线监控与评价系统。系统采用基于角度和轴销传感器的播深和下压力测量装置,优化设计了液压驱动和分区控制的气压驱动装置,开发了基于Co De Sys(Controlled development system)编程环境的智能终端交互界面和ECU(Electronic control unit)控制程序,实现了基于CAN总线通信的作业参数监测控制和质量评价。通过搭建的室内试验台完成了播深和下压力静态建模试验,建立了适应不同设定播深的下压力测量模型。分区控制系统响应测试试验表明,在调节范围(0. 2～0. 6 MPa)内,系统超调量低于5. 97%;响应时间与控制行数和设定气压正相关;在设定气压(0. 1～0. 6 MPa)范围内,6行播种机调节时间不超过2. 35 s。为测试系统工作性能,在25、50、75 mm 3种设定播深下,对左区控制(600 N)、右区控制(300 N)、机械调节和自重调节4种控制方式进行了田间性能试验。土壤压实和播种下压力控制效果试验表明,主动分区控制方式可实现更为稳定的土壤紧实度,且在浅旋地块环境下,右区控制方式可达到最优的下压力稳定性,其控制合格率不小于95. 78%;播深控制效果试验表明,随着设定播深的增大,播深质量显著降低,在设定播深25～75 mm范围内,左区控制、右区控制、机械调节和自重调节对应的最小播深合格率分别为91. 92%、92. 53%、70. 44%和58. 72%,对应的最大标准差分别为2. 22、3. 11、3. 69、7. 70 mm,对应的最大变异系数分别为3. 52%、4. 40%、4. 96%和14. 01%。相比机械调节和自重调节,分区控制系统提高了单体下压力和播深稳定性。     

玉米播种单体下压力控制系统设计与试验

针对机械式仿形压力调节机构的不足,开展了基于力反馈的播种深度一致性控制方法研究,研制了播种单体下压力控制系统。本系统由安装在播种单体平行四连杆仿形机构上的下压液压缸、电液减压阀、下压力感知传感器,以及控制器、车载计算机组成。在播种作业过程中,控制器实时采集力传感器信息,与设定的下压力阈值相比较,计算并输出控制量到液压阀组驱动液压缸实时调整平行四连杆仿形机构,使限深轮与地表的压力值在设定的阈值区间内,从而保证播种深度的一致性。田间试验结果表明,在播种深度判定标准为(5.0±1.0)cm时,下压力机械调节方式和下压力电控调节方式下的播种深度合格率均值分别为77.04%和90.37%,下压力电控调节方式下的播种深度合格率均值比机械调节方式高13.33个百分点。将播种深度判定标准提高至(5.0±0.5)cm后,对应播种深度合格率分别为31.11%和56.30%,下压力控制装置的播种深度合格率比机械调节方式高25.19个百分点。可见,下压力电控系统能保持种子播种深度的稳定性,提高了种子深度一致性。     

播种机气动式下压力控制系统设计与试验

为保证播种机适宜的压实力和稳定的播种深度,提高种子出苗品质,促进后期生长发育,针对现有下压力测量方式灵敏度低、且缺少快速有效精准控制模型的问题,提出一种基于气囊压力和仿形四连杆倾角的播种下压力控制方法。采用一阶低通滤波的轴销传感器下压力监测方式,设计了气动式下压力监控系统,包括气压驱动装置、倾角传感器、数据采集控制卡及上位机控制软件等,轴销传感器和倾角传感器分别实时测量限深轮对地下压力和仿形四连杆倾角,并反馈给上位机,经过模型计算后控制数据采集控制卡发送信号调节气压驱动装置,保证限深轮对地下压力在设定范围内。室内建模和响应测试结果表明,在不同气囊压力和四连杆倾角设置下,建立的播种下压力控制模型校正决定系数为0. 974 3,均方根误差为49. 41 N,试验验证模型预测均方根误差为39. 51 N,对播种下压力具有较好的控制准确性;在0. 1～0. 6 MPa压力设定下,气囊充气阶跃响应平均超调量3. 83%,平均稳态误差0. 005 2 MPa,平均调节时间0. 42 s,满足作业需求。田间播种深度控制性能试验结果表明,在6～10 km/h作业速度范围内,气动式下压力控制系统对播种深度具有稳定可靠的控制性能,系统播种深度合格率不小于98. 91%,特别是在10 km/h高速作业时,播种深度标准差为3. 46 mm,变异系数为6. 97%,显著优于被动弹簧式下压力调节方式。     

基于自适应模糊PID的小麦播深控制系统研究

针对目前小麦播种机在复杂的田间作业过程中存在的播深一致性和稳定性难以控制等问题,从调节覆土量确定小麦播深的控制角度出发,提出了一种基于播深反馈的模糊PID控制方法,设计了小麦播种机高精度播深控制系统,实现了播深的自动调控,保证了小麦播深的均匀一致性。该系统主要由车载终端、播深检测模块、播前镇压辊检测模块以及播前镇压辊调节机构等4部分组成,能够实现小麦播种机播深的实时检测及调整。通过播深检测模块获取实时播深并作为反馈输入,结合播深预设值,根据专家模糊规则和Mamdani推理法对PID参数进行在线整定得到控制输出量,控制驱动器调整播前镇压辊位置,不断调整作业过程中的覆土量,从而实现对播深的实时精确控制,确保播深的一致性。田间试验结果表明：播种作业过程中,播深存在小范围波动。当设定播深为30mm、车速为3~5km/h时,播深平均值为30.13mm,播深标准差为0.18mm,播深合格率均值为93%,播深变异系数均值为2.93%。该系统实现了小麦播种机播深均匀一致的实时自适应调控。     

电液混合调控式大蒜播种机设计与试验

针对传统大蒜播种装备自动化程度低而导致的播种合格率和作业效率低等问题,设计了一种电液混合调控式大蒜播种机。该机主要由电控播种装置、播深调节装置、参数检测装置和人机交互界面等组成。以单片机为核心控制器,利用速度传感器和旋转编码器,实现了株距与作业速度的匹配;分析开沟入土阻力与入土深度关系,确定了播深调节液压装置关键部件;结合光电传感器和显示屏,完成了作业参数实时显示与播种异常报警功能。以杂交蒜为试验对象,分别进行了播深一致性试验、播量检测试验和播种质量试验,结果显示,播深调节平均误差为4.7%,播深变异系数平均值为5.3%;播量检测平均误差为4.0%;播种合格率为83.7%,漏播率为6.2%,满足大蒜播种农艺要求,且较同种条件下以汽油机为动力源的大蒜播种机漏播率降低3.1个百分点。     

基于模糊神经网络的液压式播种机电气控制系统研究

播种机电液悬挂系统主要用于在使用过程中对播种机具进行调节,以实现播种深度和播种间距的控制。为了提高电液悬挂系统的控制精度和智能化水平,将模糊神经网络理论引入到了控制系统的设计上,通过PID反馈调节的方式,实现播种机具的自动化提升或者降低,保证播种机具在预定的耕深下工作。模拟免耕播种的作业环境,对模糊神经网络PID控制系统进行了测试,结果表明:在播深自动化调节过程中,系统的响应速度较快,响应精度较高,从而验证了方案的可行性。     

轻量化玉米垄作免耕播种机设计与试验

针对目前东北地区的免耕播种机主要依靠自重增加下压力来保证开沟深度的问题,设计了2BQM-2型轻量化玉米垄作免耕播种机,重量为一般免耕播种机的一半,可减轻对土壤的压实。轻量化垄作免耕播种机采用悬挂方式与拖拉机联结成作业机组,利用拖拉机液压系统的位置调节法来控制破茬深度。为了验证作业机组的工作性能,田间试验以播种机速度、播种深度、秸秆覆盖量为试验因素,以免耕播种机的工作阻力和粒距合格率为试验指标,进行三因素五水平二次回归正交试验。试验结果得到的最佳工况组合为:播种机速度为1.21 m/s,播种深度为4.96 cm,秸秆覆盖量为0.73 kg/m2时,播种机工作阻力为3.62 k N,粒距合格率为93.63%。经过对免耕播种机优化设计有效减轻了免耕播种机的重量,减少了机器的制造成本和工作时对土壤的压实,降低了能耗。经田间测量镇压轮压实土壤的深度平均为10 mm,相对现有的垄台被压平的机具,工作效果良好。     

2BM-5型气吸式免耕播种机田间播种性能试验

为提高2BM-5型气吸式免耕播种机的播种精度,对该机关键部件改进优化后,进行了田间播种性能试验。结果表明:播种机传动轮的滑移率为5.7%,轮子下陷深度均值17mm,前进速度为3~5km/h的范围内播种深度保持在30~70mm之间,破土宽度在前进速度为3~5km/h的范围内保持在50~100mm之间,粒距合格指数为86.01%,重播指数7.74%,漏播指数6.33%,平均合格粒距变异系数4.86%,各行排肥量一致性变异系数均值为3.44%,总排肥量稳定性变异系数均值为0.26%,播种深度合格率均值为89.81%,排肥深度合格率均值为88.23%,均符合免耕播种技术指标。     

基于精确播深控制目标的播种单体田间台架试验

为了探明长江中下游稻麦轮作区单体精播技术的适配性及其农艺效应,揭示基于区域土壤力学特征的精密播种机设计原则,以2BMYFQ型免耕播种机单体为例开展田间台架播种试验,提出符合农机-农艺融合原则的4个精播主控目标和技术要素,探讨2种耕作处理方式（免耕、旋耕）、3个预定播深(2.5、4.0、6.0cm)和3个下压力（0.6、1.0、1.2kN）因子组合下的种子播深、土壤物理变化及小麦出苗效果。结果表明,播种单体与土壤力学性质交互影响并导致播深变化差异显著,土壤力学变异造成高达37.61%的播深变异,基于线性弹力张紧特征的下压力控制技术与不合理耕作方式组合下的精确播深控制目标无法实现。现有试验单体既存在土壤对双圆盘开沟器支撑力过大导致的限深轮虚支撑,也存在土壤支撑力不够且限深轮过度下陷导致农学意义上过深的种子位。单体造成种子位土壤压实状况也受耕作方式及下压力影响,并最终反映为出苗率的变化。综合比较发现,稻田原茬免耕、预定播深4cm、下压力1.2kN工况下,实际播深与预定播深差异较小,播深稳定性高,出苗率高,但种沟侧壁压实程度大;在旋耕条件时最优播深为预定播深4cm和下压力1.0kN组合;旋耕处理的单体播深控制整体效果优于免耕。因此智能精密播种技术应首先探明土壤力学条件和农艺播深目标的合理下压力控制策略,实现基于“播种单体-土壤力学关系”的单体创新设计和智能化土壤力学在线检测系统是区域精播技术的关键。     

玉米播种机电液播深调节装置运动仿真与优化

针对玉米免耕播种机在起伏较大的地面工作时播种单体被架空、导致播种深度不合格的问题,设计了一种电液播深调节装置。该装置在平行四杆机构处加装了液压缸,用以调节播深。通过对电液播深调节装置进行受力分析,确定了影响液压缸受力的因素;在ADAMS软件中建立播深调节机构简化模型,采用有限元构件法建立土壤模型,对开沟铲入土过程进行仿真,并以液压缸受力值为目标函数对液压缸进行仿真优化。结果表明:开沟铲入土仿真过程符合实际入土情况,确定了液压缸的安装位置及上-下播深休止状态液压缸伸出量。该研究结果为设计智能播深控制免耕播种机提供了理论依据。     

基于压电薄膜的免耕播种机播种深度控制系统

为使免耕播种机在秸秆覆盖地作业时自动保证播种深度的一致性和稳定性,设计了一种主动作用式播种深度自动控制系统。采用聚偏二氟乙烯(Polyvinylidence fluoride,PVDF)压电薄膜传感器将免耕播种机限深轮的胎面形变量转换为电压信号,信号处理电路对传感器产生的信号放大滤波,提取信号峰值,系统根据峰值信号实时监测播种单体对地表的压力,控制信号形成电路在压力不足时发出控制信号,控制安装在播种机机架与播种单体四连杆间的空气弹簧产生推力,使播种单体能够产生对地表的压力,从而保证播种深度的一致性。试验结果表明,所设计的主动作用式播种深度自动控制系统能够精确控制开沟深度,仿形性能可靠,作业速度为5~8 km/h时,播深合格率达到90%,作业速度大于8 km/h时,播深合格率明显高于被动作用式播种深度控制装置。     

播种机关键部件性能测试平台设计与应用

针对缺少系统测试播种机关键部件运行参数和性能指标测试平台的问题,设计了一种播种机关键部件性能测试平台,阐述了该平台的工作过程,确定了其种肥量检测系统、气流供给与检测模块、地轮驱动模块、三点悬挂模块、液压动力模块及显示与控制系统的结构及关键参数,并以Stewart类自由度并联结构设计了模拟地表坡度的运动框架。播种机关键部件性能测试平台空载和各系统模块工作性能测试试验结果表明：该平台可实现排种与排肥过程中8路导种管和导肥管内种肥排出信号及种肥质量检测,可提供排种轴与排肥轴转速为20～120r/min时,高速气送式排种与排肥所需流量为1.6992～2.5575m3/h的输送气流,并可测试排种与排肥环节气流压力与流量、播种机传动系统转速与转矩;通过运动框架可模拟-5°～5°地表坡度中地表不平对播种机排种性能的影响,运动框架设置的倾斜角度与角度传感器测定的倾斜角度偏差率为0～0.25%、往复摆动角度偏差率为0～0.275%,平台运行稳定,满足不同排量的排种与排肥性能测试要求。     

气吸式胡萝卜播种机设计与试验

针对胡萝卜种子体积小、质量轻、形状不规则且籽粒中含有杂质等问题,设计了一种气吸式胡萝卜播种机.该播种机可一次完成开沟、播种、覆土和压实等作业环节,通过理论计算与分析,确定了胡萝卜播种机及其排种器吸种装置的结构和关键参数.田间试验验证了其播种性能,其中播深合格率90％,伤种率0,满足胡萝卜精密播种的相关国家标准,为胡萝卜...     

气吸式穴盘育苗精密播种机的设计与试验

针对育苗播种机设备作业过程播种效率较低,取种、播种过程不够精确等问题,设计了气吸式穴盘育苗精密播种机,并对其进行了试验验证.该播种机的主要组成为PLC控制器、电源模块、机架、播种模块、气动系统模块和传感器模块.通过采用吸盘进行吸种播种和双排播种的方式,提高播种机的播种精度和效率,并建立了种子吸附过程和双排播种过程的数学...     

免耕播种机侧深分层施肥播种部件设计与试验

为减少追肥机具进地次数、最大限度地提高肥料利用率,针对因秸秆残茬分布不均、侧深施肥导致播种带两侧土壤紧实度不一致而引起免耕播种机横向稳定性差、掉垄的问题,设计了一种可以底肥侧位深施、口肥垂直分施的免耕播种机侧深分层施肥播种部件。以直斜错位双圆盘肥种沟开沟器的圆盘直径、圆盘夹角和圆盘倾角为试验因素,以前进阻力、侧向合力及开沟深度稳定性系数为试验指标,对影响机具横向稳定性和作业质量的参数进行分析和试验。结果表明,当圆盘直径为352 mm、圆盘夹角为14°、圆盘倾角为7.5°时,肥种沟开沟器前进阻力为585.96 N、侧向合力为181.95 N、开沟深度稳定性系数为91.46%。样机性能试验表明,种肥垂直距离合格率为91.7%,种肥侧向距离合格率为92.4%,播种深度变异系数为10.7%,播种横向变异系数为28.4%,满足侧深施肥播种质量要求。     

前置式大垄原茬地种床整备装置设计与试验

为解决东北寒区部分播种机在秸秆重度覆盖还田地区无法正常播种作业问题,基于2BMFJ-DL4型原茬地免耕精量播种机侧向清秸覆秸原理,结合玉米大豆1.1m大垄轮作宽窄行种植模式,设计了一种前置式原茬地种床整备装置。通过理论分析和计算机仿真,设计了装置结构和液压系统,确定了其作业关键参数范围,液压系统分析结果表明,液压悬挂系统和液压驱动系统各执行元件的同步性能、转速和扭矩均满足作业技术要求。应用Design-Expert 8.0.6软件和三因素三水平正交试验方法,以作业速度、种床整备单元组刀轴转速和种床整备刀齿入土深度为试验因素,以清秸率、覆秸均匀度和每个种床整备单元组刀轴旋转功耗为评价指标,实施参数组合优化田间试验。结果表明,在参数组合为作业速度7.2km/h、种床整备单元组刀轴转速600r/min、种床整备刀齿入土深度30mm时,清秸率为91.03%,覆秸均匀度为92.61%,每个种床整备单元组刀轴旋转功耗为7.96kW,性能满足生产农艺技术要求;研究结果为提高播种机利用率和原茬地免耕覆秸播种机械化技术模式在玉米秸秆全量还田地区的推广应用提供了技术支持。     

基于PID控制的小麦智能播种机研制与试验

针对小麦播种机工作时地轮打滑和手动播量调整不精准等问题,研发一种基于PID控制的小麦智能播种机。该播种机控制系统工作时,由速度传感器获取播种机行进速度,根据行进速度、亩播量及播种机相关参数,计算排种轮转速的给定值,利用PID控制器实现对排种轮转速的控制。室内试验结果表明：播种机在不同作业条件下实际亩播量与设定亩播量误差均在2%以下,满足小麦精量播种的农艺要求。在中速和中高速作业条件下,智能排种系统控制精度最高,稳定性好。田间试验结果表明：小麦播种机的实际亩播量与设定亩播量之间最大误差为2.33%,略大于室内试验结果,主要是由田间作业环境等因素造成的。研制的基于PID控制的小麦智能精量播种机能有效提高播种精度。