株距无级调节器试验及输出函数模型研究

宋茂华，杜瑞成，杨自栋，巩丙才

(山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博　255049)



株距无级调节器试验及输出函数模型研究

宋茂华，杜瑞成，杨自栋，巩丙才

(山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博255049)

摘要：株距无级调节器要进行株距的无级调节，必须要建立株距无级调节器转入转速、输出转速、调节架位移和株距之间的函数模型。滑移率是指播种机工作时地轮滑动成分所占的比例，滑移率是影响播种质量的重要因素。为此，利用齿轮转速传感器测得播种机的滑移率，然后反馈给株距无级调节器的控制系统，通过调节株距无级调节器的调节架位移来改变理论播种株距，从而减小滑移率对播种质量的影响，提高播种的均匀性。

关键词：智能农业；函数模型；株距；滑移率；拟合曲线

0引言

玉米播种机田间作业时，需要根据玉米品种特性、产量水平、土壤肥力及施肥水平选择合理的种植密度(即亩株数)。黄淮海区域玉米的种植密度一般为3 500～5 500株/667m2，行距为600mm。因此，不同的玉米品种、不同地区的种植模式、不同地块的种植环境都需要不同种植密度，即需要不同的株距。当株距无级调节器的调节架处于不同的位置时，调节器输入转速与输出转速的传动比不同，得到的玉米株距也随之不同。因此，株距无级调节器要进行株距的无级调节，必须要建立株距无级调节器转入转速、输出转速、调节架位移和株距之间的函数模型。

1株距无级调节器函数模型的建立

为方便建立函数模型，设定调节器的输入转速为定值(110.52r/min)，在JPS-12型计算机视觉排种器试验台上进行试验。由于链条传动时具有不稳定性，因此输入转速与输出转速用接触式机械转速表进行测量。株距无级调节器结构简图如图1所示。

数据采集时，设定株距无级调节器的输入转速为n1，输出转速为n2，调节架的位移为x，玉米株距为l。经测定，所得数据如表1所示。

1.输入轴　2.箱体　3.凸轮　4.摆杆复位装置　5.接近开关　6.摆杆

调节架移量x/mm调节器输入转速n1/r·min-1调节器输出转速n2/r·min-1n2n10110.524.790.04332110.525.100.04614110.525.730.05186110.526.250.05668110.526.870.062210110.527.450.0674

续表1

2试验过程

2.1变量的定义

将调节装置调节架的位移定义为变量x(mm)；将调节器的输出转速n2(r/min)与输入转速n1(r/min)的比值定义为变量y， 0≤x≤40且x∈N；将播种株距定义为l(m)。

2.2输出函数模型求解

在matlab中Command Windows窗口命令中输入一下命令：

>> x=0:2:40;

>> n1=[4.79 5.10 5.73 6.25 6.87 ...15.57 16.72 17.66 18.85 19.84 21.87];

>> n2=110.52;

>> y=n1./n2;

>> cftool

然后回车，点击出现的窗口1上的Date命令，出现下一个命令窗口。在X Date命令的下拉菜单中选择变量x，在Y Date命令的下拉菜单中选择变量y，在Date set name命令中输入名字“拟合曲线”，点击Create date set命令，最后点击Close命令，关闭窗口。此时，再点击命令窗口1中的Fitting命令，在出现的命令窗口中，点击New fit命令，在出现的新的命令窗口中的Fit name命令中输入要拟合函数的名字“函数模型”，Date set自动设置为刚才创建的数据组“拟合曲线”；命令Type of fit指的是要进行数据拟合的函数类型。经过对比分析，选择多项式、 正弦函数、高斯法3种经典拟合方法求解函数模型。每种求解方法有不同的函数形式(次数)，通过对比不同次数函数形式的拟合好坏，选择拟合程度最好的一种形式。

3结果分析与评价

3.1曲线拟合结果

1) 正弦函数模型。正弦函数模型包括8种函数形式，通过对比分析每种函数形式的拟合程度，得出如下函数模型是正弦函数模型中拟合程度最好的一种形式。拟合曲线图如图2所示，其函数关系式为

(1)

函数关系的误差平方和(SSE)、相关系数R-square、均方根误差RMSE为

SSE:0.000 102 1，R-square:0.997 7，AdjustedR-square:0.996 9，RMSE:0.002 609。

图2　正弦函数模型曲线拟合图

2) 多项式模型。多项式模型包括9种函数形式，通过对比分析每种函数形式的拟合程度，得出9次多项式模型是多项式模型中拟合程度最好的一种形式。拟合曲线图如图3所示，其函数关系式为

9.752×10-10x7-2.771×10-8x6+

3.452×10-7x5+2.515×10-7x4-

5.166×10-5x3+0.000 509 3x2+

0.000 732 4x+0.0432 9

(2)

函数关系的误差平方和(SSE)、相关系数R-square、均方根误差RMSE为

SSE:2.833e-005，R-square:0.999 4，AdjustedR-square:0.998 8，RMSE:0.001 605。

图3　多项式模型曲线拟合图

3)高斯模型。通过对比分析每种函数形式的拟合程度，得出如下函数模型是高斯函数模型中拟合程度最好的一种形式。拟合曲线图如图4所示，其函数关系式为

(3)

函数关系的误差平方和(SSE)、相关系数R-square、均方根误差RMSE为

SSE:0.000 102 1，R-square:0.997 7，AdjustedR-square:0.996 9，RMSE:0.002 609。

3.2确定函数模型

3.2.1输入转速与输出转速之间的函数模型

通过对比3种函数类型中函数模型的误差平方和(SSE)、相关系数R-square、均方根误差RMSE的数值的大小，得出多项式拟合模型是拟合程度最好的函数模型。由于y=n2/n1，带入多项式拟合模型的函数关系式，得出输出转速n2与输入转速n1之间的函数关系为

(4)

3.2.2株距与调节架位移之间的函数模型

以设计的2BYM-4型智能免耕玉米精量播种机为例，其传动示意图如图5所示。

图4　正弦函数模型曲线拟合图

1.地轮　2.锥齿轮1　3.锥齿轮2　4.锥齿轮3　5.锥齿轮4

其中，地轮直径为480mm；4个锥齿轮齿数相同,传动比为1；链轮z1=25，z2=15,z3=30，z4=12，z5=18，z6=19。播种机的株距、排种器转速与前进速度之间的关系为

(5)

其中，l为播种株距(m)；v为播种机的行进速度(km/h)；n为排种器链轮的转速(r/min)。地轮转速与播种机行进速度之间的关系为

(6)

其中，v为播种机的行进速度(km/h)；d为播种机地轮的直径(m)；n0为地轮的转速。

由传动系统示意图及各零件的参数可知

(7)

将式(4)、式(6)、式(7)都带入到式(5)中，可得

(8)

把d=0.48带入到上式中可得株距与调节器的调节架位移之间的函数关系式为

(9)

3.2.3株距与亩株数的函数模型

设定玉米株距为n1(m)；亩株数为a，行距为b(m)，则由

l×b×a=667

(10)

可得株距与亩株数的函数模型为

(11)

黄淮海区域的玉米种植行距一般为0.6m，则

(12)

3.3传递函数应用

3.3.1滑移率反馈调整

设脉冲计数模块的计数值为C，测量齿轮每转一周转速传感器输出的脉冲数为P，计数时间为t(s)，测量齿轮转速为n(r / min)，则以下关系式成立，有

(13)

若t=1s，P=60，则C=n，可得到测量齿轮转速的公式为

(14)

由式(13)可知，如果用计数器在时间t内对脉冲信号进行计数，就可以计算出测量齿轮的转速n。由课本公式可知，滑移率的计算公式为

(15)

对于播种机，地轮滑移率的计算公式为

(16)

其中，δ表示地轮的滑移率；v表示播种机的前进速度；n表示测量齿轮的转速；r表示地轮的半径。

l=

4结论

结合MatLab曲线拟合工具箱，求出了株距无级调节器输入转速n1与输出转速n2之间的最优函数模型，为调节器控制系统的开发提供了理论支持。同时，控制系统结合齿轮传感器测得的齿轮转速和GPS提供的机组行进速度，按照地轮滑移公式计算，实现株距的在线调整，减小滑移率对排种质量的影响。

参考文献：

[1]迟宏伟,李智,金风华.东北地区农机制造业的地位和作用及发展措施[J].农机化研究,2007(1):4-8.

[2]马美琴.大力发展农业机械化 加快实现农业现代化[J].中国农机化,2001(5):48.

[3]高晓燕,汤楚宙,吴明亮.变量播种技术在精细农业中的研究现状与发展前景[J].企业技术开发,2011,30(5):1-3.

[4]高晓燕.油菜变量播种系统试验研究[D].长沙：湖南农业大学,2011.

Abstract ID:1003-188X(2016)01-0066-EA

The Research for Test and Output Function Model to Adjust the Plant Spacing Stepless

Song Maohua, Du Ruicheng, Yang Zidong, Gong Bingcai

(School of Agriculture and Food Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China)

Abstract：Variable spacing stepless regulator to adjust the plant spacing, the plant spacing stepless regulator must be transferred to the speed, output speed, adjust the function model between the rack displacement and spacing of the establishment. Slip rate refers to the percentage of the ground wheel slide component seeding machine when the proportion, the slip rate is an important factor affecting the sowing quality, therefore, this paper use sliding gear velocity sensor measured the rate of seeding machine, and then a feedback control system for plant spacing stepless regulator, by adjusting the spacing rack displacement stepless regulator for regulating, change theories seeding planting distance, thereby reducing the slip rate effects on sowing quality, improve the evenness of seeding.

Key words：smart agriculture; function model; plant spacing; slip rate; curve fitting

文章编号：1003-188X(2016)01-0066-04

中图分类号：S223.2;S220.3

文献标识码：A

作者简介：宋茂华(1987-),男，山东菏泽人，硕士研究生，(E-mail)songmaohua668@163.com。通讯作者：杜瑞成(1957-)，男，山东淄博人，教授，博士生导师，(E-mail)drc@sdut.edu.cn。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2013BAD08B02-02)

收稿日期：2015-01-08