基于近地光譜技術(shù)的冬小麥精準(zhǔn)變量施肥機(jī)的研制.pdf

1、氮肥是影響冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育最為活躍的因素之一，合理科學(xué)地施用氮肥有助于提高冬小麥的品質(zhì)和產(chǎn)量，過量增施氮肥不僅無法發(fā)揮其增產(chǎn)增質(zhì)的特性，而且易造成肥料浪費(fèi)、引發(fā)環(huán)境問題甚至降低糧食產(chǎn)量和品質(zhì)。變量施肥技術(shù)是實(shí)現(xiàn)氮肥科學(xué)合理施用的有效途徑。但目前的變量施肥機(jī)械多采用測(cè)土配方技術(shù)，應(yīng)用于底肥施用環(huán)節(jié)，而關(guān)于冬小麥拔節(jié)期精準(zhǔn)變量施肥機(jī)的研究較少，缺乏基于作物長(zhǎng)勢(shì)的在線實(shí)時(shí)控制的變量施肥機(jī)具。因此，本文針對(duì)冬小麥拔節(jié)期增施氮肥的農(nóng)藝要求和技術(shù)指標(biāo)

2、，基于近地光譜探測(cè)技術(shù)研究開發(fā)了應(yīng)用于冬小麥拔節(jié)期增施氮肥的精準(zhǔn)變量施肥機(jī)，構(gòu)建了變量施肥機(jī)智能控制系統(tǒng)，并對(duì)變量施肥機(jī)具進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)提出了基于近地光譜技術(shù)的、軸分段式、雙變量調(diào)節(jié)的技術(shù)方案，設(shè)計(jì)研制了相關(guān)的變量施肥機(jī)。研究了變量排肥執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用直流電動(dòng)機(jī)控制排肥器的轉(zhuǎn)速，采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿滑軌調(diào)節(jié)排肥器的開度。變量施肥機(jī)設(shè)置了左右兩個(gè)獨(dú)立的控制單元，能夠各自實(shí)

3、現(xiàn)排肥器轉(zhuǎn)速和開度自適應(yīng)控制，達(dá)到在線實(shí)時(shí)調(diào)整排肥量的目的。
　　(2)研究設(shè)計(jì)了變量施肥機(jī)智能控制系統(tǒng)。采用STM32單片機(jī)作為下位機(jī)，完成變量施肥作業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、分析、處理與存儲(chǔ)，通過各相關(guān)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變量施肥機(jī)械田間作業(yè)參數(shù)，并將其反饋給控制器形成閉環(huán)反饋控制;采用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)變量施肥機(jī)人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)變量施肥參數(shù)設(shè)定、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示以及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能;應(yīng)用模塊化程序設(shè)計(jì)原理，開發(fā)了變量施肥機(jī)配套軟件系統(tǒng)。

4、r>　　(3)探討了變量施肥機(jī)的最佳光譜采樣頻率，在確保光譜數(shù)據(jù)客觀反映田間小麥長(zhǎng)勢(shì)空間差異性的前提下，降低變量控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理負(fù)荷，提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率，試驗(yàn)確定了最佳采樣頻率為1Hz;提出了基于改進(jìn)的Ruan模型氮肥需求量?jī)?yōu)化算法，分11個(gè)等級(jí)指導(dǎo)田間施肥作業(yè)，當(dāng)冬小麥冠層的歸一化植被指數(shù)值低于0.25或高于0.75時(shí)目標(biāo)施肥量為0，當(dāng)其值介于0.25與0.75之間則間隔0.05劃分為一個(gè)等級(jí)進(jìn)行施肥作業(yè)。
　　(4)通過分析外

5、槽輪排肥器的工作原理以及不同轉(zhuǎn)速、開度下排肥量的標(biāo)定，應(yīng)用Bisquare估計(jì)穩(wěn)健回歸方法構(gòu)建排肥器排肥量的數(shù)學(xué)模型;對(duì)比了通過排肥量標(biāo)定數(shù)據(jù)均值建模與控制單元內(nèi)各排肥器回歸模型加權(quán)平均建模得到的排肥器控制模型的優(yōu)劣，確定了變量施肥機(jī)排肥量的控制模型。分析了變量施肥機(jī)雙變量調(diào)節(jié)的控制策略，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速優(yōu)先控制、開度優(yōu)先控制以及轉(zhuǎn)速開度自適應(yīng)控制三種控制策略;制定雙變量自適應(yīng)控制策略中目標(biāo)控制序列的生成規(guī)則，構(gòu)建了雙變量目標(biāo)控制序列的最佳組

6、合表，施肥作業(yè)過程中通過查表法獲得系統(tǒng)的目標(biāo)控制序列。
　　(5)研究了基于模糊PID的變量施肥優(yōu)化控制算法，分析了轉(zhuǎn)速和開度控制子單元的系統(tǒng)模型和傳遞函數(shù)，設(shè)計(jì)了模糊PID控制器。采用粒子群優(yōu)化算法，以ITAE準(zhǔn)則作為適應(yīng)度函數(shù)確定PID控制器3個(gè)參數(shù)的初始值。分析比較模糊PID與常規(guī)控制的差異，試驗(yàn)表明模糊PID控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)變量施肥控制。研究分析變量施肥機(jī)的施肥位置滯后模型，并對(duì)其進(jìn)行了修正。
　　(6)對(duì)變量施

7、肥機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:變量施肥機(jī)測(cè)速精度高，系統(tǒng)測(cè)速誤差均值低于0.26m/s;光譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較高的魯棒性，多次測(cè)量結(jié)果的變異系數(shù)低于0.86％;變量施肥左右控制系統(tǒng)的平均控制誤差分別為9.85％和9.63％，整機(jī)的平均控制誤差為9.74％，控制精度可達(dá)90％以上，系統(tǒng)的性能良好。
　　(7)應(yīng)用本文開發(fā)的變量施肥機(jī)開展田間變量施肥試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:控制系統(tǒng)的性能良好，能夠?qū)崿F(xiàn)冬小麥拔節(jié)期精準(zhǔn)施肥的要求;變量