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农垦机械智能化控制系统设计研究

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摘要:农垦地修整机械结合智能化控制系统,能够节省大量劳动力,提高农业种植效率。本文设计了一种智能化控制系统,能控制农垦地修整机械的行进速度,同时引入深度控制理念,可以精确控制机械的入土深度,并通过传感器得到相关数值。根据实验结果,当农垦地修整机械的行进速度处在8.0~11.0km/h之间,农垦地平整度和碎土率都在合格范围内;当修整机械的行进速度为9.5km/h的时候,农垦地平整度达到最佳。

关键词:农垦地;修整机械;智能化控制

在农业机械化和智能化水平不断提高的背景下,种植农作物的各类机具也在更新换代。农垦地修整有利于更有效地种植农作物,进而提高农作物的收成和质量[1]。智能化控制既能发挥出农垦地修整机械的效率,又能使土壤的疏松和平整达到最佳状态,因此农垦地修整机械的智能化控制系统开发成为农业现代化领域的一项重要研究课题。从国内外研究成果看,美国、加拿大、澳大利亚等国家的相关研究起步较早,在上世纪八十年代末就有相关的论述出现。国内的研究起始于二十一世纪初,大约晚了十多年。Indumathi等对美国加利福尼亚州农作物种植的智能化控制现状进行了调查研究,发现该州的农民在土地灌溉和修整的时候,普遍采用一种联合型的机械,该机械由加利福尼亚大学发明并在州内推广,由于智能化控制水平高,被农民广泛采用[2]。Kamel等总结了澳大利亚农业温室种植的智能化控制现状,提出一种新型的智能化控制方案,在计算机控制的基础上加入物联网技术,通过传感器和全球定位系统使温室土地修整达到更高的水平[3]。林力鑫探讨了智能化控制系统在温室大棚中的应用,包括土地平整、温湿度控制、光照调节等,认为智能化控制系统能够促进高效、高产的技术型农业生产方式[4]。本文在前人研究成果的基础上,设计了一种农垦地修整机械的智能化控制系统,创新之处在于加入了深度控制理念,进一步发挥出自动化控制的效果。

1农垦机械的工作原理与智能化控制系统设计

1.1工作原理

农垦地修整机械能够实现挖掘、碎土、平整土地等多项操作,为农民节省大量的劳动力[5]。该机械的工作原理:通过动力牵引进行农垦地的修整工作,其中刀具用于挖掘和碎土,镇压器用于平整土壤。在作业的过程中,最重要的是如何掌控各部件的力度和入土深度,这就需要该机械各环节的协调,使修整后的土地上虚下实,达到农垦地修整的目的。为使刀具的使用寿命得到延长,需要分析刀具的应力和位置,通过试验进行结构优化,尽量避免应力的集中。刀具的运动轨迹如图1所示,修整机械的入土控制结构如图2所示。

1.2智能化控制系统设计

按照修整机械的作业要求,需要在作业过程中进行智能化控制操作,具有自动反馈功能及相关的控制程序。智能化控制系统能够读取安装在修整机械中的传感器数据,获取机具的位置信息及其它相关信息,在计算之后根据结果选择控制模式,利用D/A转换完成程序控制并执行相应动作。本系统的整体流程图如图3所示,监控人员通过上位机掌控修整机械的作业。本系统引入了深度控制理念,即精准控制修整机械的入土深度,这是整个系统的核心所在,能够极大地提高修整机械的智能化控制效果,使平整后的农垦地上虚下实,利于农作物生长,从而形成更强的工作效率。修整机械入土深度控制流程如图4所示。根据相应的约束条件及线性回归计算结果,以PID闭环的方式进行自动调节和控制,实现精准控制修整机械入土深度的目的。在这里要考虑到修整机械的作业位置、作业力度、行进速度、偏离角度和垂直运动范围等相关的影响因素。

2实验与分析

2.1实验条件设置

本实验通过设计好的智能化控制系统对农垦地修整机械进行控制操作,实验地点为农田,在相关的影响因素中选择行进速度和偏离角度作为关键性因素,设定的标准数值如表1所示。在实验过程中需准确记录实际数值,除了关键性因素数值之外,还有单位面积和深度的整体土量和实际碎土量,然后计算碎土率和农垦地平整度,其中平整度用标准差表示,单位为cm,要求<0.9cm才合格,且越小越好,而碎土率则要求>95%才合格。碎土率计算公式如下:

2.2实验结果分析

农垦地修整机械智能化控制的主要手段是改变机械的行进速度,使修整后的碎土率和平整度符合农作物生长要求。通过数据记录及相关计算,本实验的最终结果如表2所示。(1)农垦地修整机械的行进速度在8.0~11.0km/h之间,农垦地的平整度最高为0.83cm,最低为0.77cm,都在合格范围内,而碎石率最低为97.2%,最高为98.9%,也处在合格范围内。但是当农垦地修整机械的行进速度超过11.0km/h,虽然碎土率更高,处于合格范围内,但是平整度的标准差数值大幅上升,在农垦地修整机械的行进速度为11.5km/h时,平整度达到了0.92cm,超出了合格范围。且行进速度越快,平整度越高。由此可见,在确保碎土率处于合格范围的条件下,需要对农垦地修整机械行进速度进行一定控制,合理范围是8.0~11.0km/h之间。(2)对比分析农垦地修整机械各行进速度所产生的结果,当行进速度处在9.5km/h的时候,农垦地平整度降到最低水平0.77cm,且碎土率合格,说明这个行进速度可以让农垦地平整度达到最佳。因此在系统参数设定时,尽量控制行进速度在9.5km/h左右。

3结论

通过智能化控制系统实现农垦地修整机械的智能控制,能够同时进行多项作业,包括翻地、碎土、平整等,极大地节省了劳动力,还能提高农业种植的工作效率。本文在分析农耕地修整机械工作原理的基础上,设计了一种智能化控制系统,并引入深度控制理念,使农垦地修整机械的入土深度得到精确控制,有利于刀片、镇压器的入土控制,并通过传感器得到单位面积和深度的整体土量、实际碎土量数值,方便农垦地平整度和碎石率的计算。根据实验结果,在智能化控制系统的帮助下,可以实时调节农垦地修整机械的行进速度,当行进速度为9.5km/h的时候,农垦地平整度达到最佳。

参考文献

[1]赵丽萍,何新如,徐杰,等.可升降式整地筑埂联合作业机的设计[J].江苏农业科学,2016(2):406-408

[4]林力鑫.智能化控制在温室大棚中的应用[J].自动化技术与应用,2017(5):116-118

[5]陈永生,张浪,胡桧,等.蔬菜精整地机旋耕部件设计[J].农业开发与装备,2015(7):65-66

作者:叶洲 单位:浙江机电职业技术学院

农垦机械智能化控制系统设计研究责任编辑:张雨    阅读:人次