基于播量控制模型的水稻直播机播种控制系统设计

张书彦，张文毅，祁 兵，纪 要，余山山，李 坤

(农业部南京农业机械化研究所，江苏 南京 210014)

0 引言

水稻是世界三大主要栽培粮食作物(水稻、小麦、玉米)之一，全球有30亿多人口以稻米为主食[1]。三大粮食作物中直接用于人类食用的稻米占稻米总产量的85%，而小麦为72%，玉米仅占19%。水稻也是我国种植面积最大，总产量最多的粮食作物，约是全国65%人口的主食[2]。2014 年，我国水稻种植面积达30 309khm2[3]。水稻种植是其生产过程中的重要环节，要求在合理的时间内，完成水稻的播种和培育等一系列工作，使水稻获得良好的生长条件。水稻种植质量的好坏，将直接影响到其出苗、分蘖和生长，进一步影响水稻生产的经济效益[4]。

目前，水稻主要的种植方式有人工育秧移栽、抛秧、机插秧和直播等几种。我国机械种植方式以机插秧为主。水稻直播具有工序简单、省工省时的优点，近几年发展迅速。水稻直播是指前季作物收获后对土地进行翻耕，不经育秧、移栽环节而将稻种直接播种到大田的一种栽培方式[2-8]。水稻播种的质量将直接影响到大田出苗、分蘖和生长，进一步影响水稻生产的经济效益。水稻机械直播与传统移栽稻相比具有省工、省力、省秧苗田、提高生产率，以及减少劳动强度等优势，对实现水稻生产的轻简化、专业化、规模化具有十分重要的意义。

大田播种作业时，播到田间的种子理想效果是播量精确、均匀一致且出苗率高，因此对于水稻直播机的播种精度提出了较高的要求。通过在农场调研和查阅相关文献发现[1-11]，市场上现有的精量水稻直播机多数采用机械式播量可调装置，播量在一定范围内实现调节，存在排量不稳定、播量调节精度不高等问题，易造成播种不均匀，使得播种效果与预期值相差较大，甚至会造成大量减产，不能完全满足农艺播种要求。因此，需要研制更加先进的播量可调式水稻精量播种机。

本设计提出了建立多因素影响下的水稻播量控制模型，将其作为控制核心部分，测速传感器实时检测机车前进速度，根据控制模型实时控制播种量，从而达到精确播种的效果。

1 建立水稻播量控制模型

水稻精量直播机播种装置原理如图1所示。工作时，PLC给出电脉冲信号，排种电机通过传动链条带动排种轮转动，将种箱内的稻种带出种箱，经过护舌落到种腔，通过落种管将种子播到田间，完成一次排种。

水稻直播希望达到播种均匀、出苗一致的效果。现有的直播机播量调节装置按驱动方式大体可分为机械传动式、电机驱动式和液压马达驱动式[5-9]。目前，对于水稻播种的精量控制研究多是针对电机驱动式进行的。控制器给驱动电机速度脉冲信号，电机通过传动机构带动排种轮旋转从而实现播量调节。

1.种箱 2.排种轮 3.排种轮轴 4.护舌 5.落种腔 6.传动链 7.排种电机 8.电机轴 9.水稻种

水稻播量Q与电脉冲信号x之间的关系式为

(1)

式中q—排种轮单圈播量(kg/r)；

i—电机与排种轮之间的传动比；

n—n个脉冲电机转1圈。

通过农场农机企业调研发现，在实际播种过程中，播量往往会出现实际播种量Q实与期望值Q值不相等的情况，即

|Q实-Q|=k

(2)

式中k—实际播量与期望播量的差值(kg)，k≥0。

这可能由于：①我国水稻多为浸泡、催芽、包衣处理过的潮湿水稻芽种，在播种过程中，容易出现排种器凹槽堵塞等情况降低播种精度；②排种电机由于外界负载的原因产生非线性变化，从而使得实际转速低于PLC给出的指令转速，降低了播种精度；③随着排种转速的增加，排种轮由于惯性作用将更多静止层的种子带出导致排种量加大。

我们期望的理想结果是：limQ实=Q，也就是当k值为0时达到最理想的效果，此时Q实=Q。假设播量精度可能影响因素有n个，其对播量的影响因子分别为k1，k2，…，kn,则k和k1，k2，…，kn之间的关系可用下列模型表示，即

k=f(k1,k2,…,kn)+ε

(3)

其中，f(k1,k2,…,kn)是k1，k2，…，kn的响应函数；ε是随机误差，表示不可操控噪声因素所带来的干扰项，通常假定ε在不同的试验中相互独立，且均值为0，方差为σ2。因此，可以通过上述模型的研究，确定当k达到最小值时，这n个影响因子最优组合，从而达到实际播量与期望播量差值最小的效果。

2 播量控制系统工作原理

通过农场、推广站和农机企业等地调研，总结目前市面上水稻直播机的技术优缺点，结合已有研究水平，提出了基于播量控制模型的水稻播量控制系统设计。控制系统结构如图2所示。

图2 控制系统结构框图

通过室内台架试验建立水稻播量多变量影响下的水稻控制系统模型，以PLC控制器为核心，霍尔测速传感器检测机车实时前进速度，达到直播机播量实时精确可控的效果。驾驶室内配备一台触摸屏，可实时显示直播机行进状态信息，包括前进速度、排种轮转速、已播种面积、已前进距离和行进状态。

该控制系统主要由电源模块、检测模块、执行模块和参数显示模块组成。水稻播量控制系统硬件部分包括PLC控制器、霍尔测速传感器、步进电机、触摸屏以及电源模块。霍尔测速传感器安装于直播机主动轮内侧用于采集速度信号。播种开始前，机手通过安装在驾驶室的触摸屏预先设置本次播种需要的亩播量、种子类型及含水率等。不同的类型和含水率的稻种播量模型已预先录入控制系统的模型库，在实际播种过程中，控制系统会根据机车前进速度合理调整排种轮转速，从而达到播量精确、均匀一致的效果。

3 系统硬件设计

3.1 数据采集模块

本控制系统数据采集模块主要用于采集机车前进速度。霍尔测速传感器安装在直播机主动轮内侧，主动轮上安装磁铁。其测速原理图如图3所示。当机车前进时，霍尔测速传感器每检测到一个磁铁计数一次，根据单位时间内累积检测到的电磁铁个数换算得到前进速度。

1.霍尔测速传感器 2.测速齿轮

假设直播机主动轮上安装磁铁的数目为N，轮子直径为D，霍尔测速传感器在t时间内检测到n个脉冲，则直播机前进速度v为

(4)

式中D—车轮直径(m)；

v—前进速度(m/s)。

则在t时间，直播机的前进距离和播种面积分别为

(5)

(6)

式中S—播种面积(m2)。

L—前进距离(m)；

B—直播机的作业幅宽(m)。

3.2 电源转换模块

该控制系统的电源由直播机的牵引拖拉机蓄电池提供，蓄电池的电压为12V，但PLC控制器、霍尔传测速感器以及触摸屏的额定电压均为24V，电机驱动器的工作电压为48V。因此，需要一个12V转48V的直流升压器和一个48V转12V的直流降压器为控制系统各部件提供电压。图4为升压/降压器，其量程范围可选。

图4 直流升压器

3.3 执行模块

执行模块主要由步进电机控制系统构成，如图5所示。首先，PLC将采集到的速度脉冲信号进行分析，将电机转速脉冲信号传给步进电机驱动器，进而控制步进电机和排种轴转速。该步进电机的步距角为3.6°。假设步进电机驱动器给出的速度信号是每秒N个，步进电机和排种轮的传动比i=1，排种轮的单圈排量为q，则单位时间内的播量Q为

(7)

式中q—排种轮单圈排量(kg/r)；

Q—播量(kg)。

图5 步进控制系统结构图

3.4 显示模块

水稻直播机通过触摸屏界面实现人机对话。该控制系统采用步科公司生产的MT4512系列触摸屏。播种开始前,预先设置种子类型、含水率及亩播量，控制系统会选择相应的控制模型。在播种过程中，可以实时显示直播机当前的前进速度、排种轮转速、已行车距离和已播面积,且水稻播量监控系统可实时显示该直播机的行进状态。图6为水稻播量控制系统人机交互界面。

图6 水稻播量监控系统人机交互界面

4 结论

1)本设计提出了基于播量控制模型的水稻直播机播种控制系统设计，充分考虑影响播量的各因素对播量精度的影响，提出多因素影响下的播量控制模型。但是未对具体影响因素进行实验探究，后续会继续完成。

2)自行设计控制系统，采用人机交互界面，实现播种量手动设置、行进参数的实时显示功能，且操作灵活、界面功能丰富，为智能化大型水稻直播机的研制提供基础。

3)该控制系统的结构简单、成本较低、且移植性好，可适用于其他各类直播种植机械，具有良好的应用发展前景。