葛　蓁，熊　瓊，鄧明華，汪小志，鮑秀蘭

(1.武漢工商學院 信息工程學院，武漢　430200；2.南昌大學，南昌　330031;3.華中農(nóng)業(yè)大學 工學院，武漢　430070)

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基于嵌入式通信系統(tǒng)的變量施肥虛擬樣機優(yōu)化設計

葛蓁1，熊瓊1，鄧明華1，汪小志2，鮑秀蘭3

(1.武漢工商學院 信息工程學院，武漢430200；2.南昌大學，南昌330031;3.華中農(nóng)業(yè)大學 工學院，武漢430070)

摘要：為了達到液態(tài)施肥機高速作業(yè)的目標，提出了一種新的施肥機施肥變量控制的方法，該方法主要采用Pro/E和ADMAS聯(lián)合仿真的方式對機構的機械運動軌跡進行驗證，采用模糊控制和二階差分算法降低施肥量的誤差，使用PLC實現(xiàn)施肥數(shù)據(jù)的處理和通信。為了驗證該方法的有效性和可靠性，應用三維造型設計軟件Pro/E，繪制機構各零部件模型并裝配，通過改變保存文件的類型實現(xiàn)Pro/E與ADAMS數(shù)據(jù)交換，在ADAMS中建立機構虛擬樣機和運動學仿真，得到了施肥機虛擬樣機的運動軌跡。最后，通過PLC嵌入式通信系統(tǒng)的優(yōu)化，得到了虛擬樣機施肥量隨速度變化曲線，并將優(yōu)化前后的施肥準確度和效率進行了對比。通過對比發(fā)現(xiàn)：使用PLC嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化后的施肥機，施肥的精確性得到了明顯的改善，且施肥效率較高，為變量施肥控制的研究提供了理論參考。

關鍵詞：變量施肥；虛擬樣機；二階差分；嵌入式

0引言

傳統(tǒng)施肥機械都是對農(nóng)作物進行開溝固體施肥，若遇地面干燥土質較干，則作物對肥力吸出較慢，不利于作物生長；若遇土質太濕，不利于開溝施肥，從而對作物生長期的需肥狀況造成不利影響，若采用人工施肥則提高了勞動強度且效率低下。液態(tài)施肥機克服傳統(tǒng)施肥機的缺點，可將化肥直接施在作物根系側旁，作物吸收快、利用率高，節(jié)約肥料，能有效減輕環(huán)境污染。因此，液態(tài)施肥機極具應用價值。液態(tài)施肥的關鍵技術是對液態(tài)肥施肥流量的控制，如果流量控制不合理，不僅會造成肥料的浪費，也會降低糧食的產(chǎn)量。

本文設計了一種新的施肥機變量控制方法，運用 Pro/E軟件繪制出機構各零部件的三維實體圖和機構裝配圖，而后轉到專業(yè)的運動學仿真軟件下，添加約束和運動副，最終形成系統(tǒng)的虛擬樣機。對虛擬樣機進行運動軌跡準確性驗證之后，采用PLC算法對排肥量的準確性進行優(yōu)化，并對施肥的準確性和效率進行了計算分析，為施肥機變流量精確控制的優(yōu)化提供了一種新的設計方法。

1變量流控制設計原理

數(shù)值仿真模擬應用到施肥機的設計過程中，可以大大提高機械的設計效率，縮短設計周期，降低設計成本。其設計過程如圖1所示。

圖1　施肥機變流量控制過程

施肥機的變流量控制過程：首先利用Pro/E軟件創(chuàng)建施肥機虛擬樣機的模型，然后利用ADMAS軟件對施肥機的運動軌跡進行動力學仿真；如果運動軌跡不正常，則需要重新建模，如果運動軌跡正常，則對速度模型機械優(yōu)化；同時，利用二階差分和模糊控制降低施肥量控制誤差，最終提高施肥量的控制精度。

圖2為PLC嵌入式系統(tǒng)的設計總體框架。由圖2可以看出：嵌入式系統(tǒng)的主要控制過程是依據(jù)施肥機的行進速度，對施肥量進行控制，并利用IC卡對施肥量的大小進行決策控制，完成施肥的變流量自動化控制。

圖2　PLC嵌入式系統(tǒng)設計框架

2虛擬樣機力學模型和優(yōu)化設計

為了實現(xiàn)施肥機施肥的變流量控制，需要對施肥過程中的主要變量進行分析。施肥量一般和施肥機3方面的因素有關，包括施肥的跟進速度、施肥機的行距和單行排肥器的排肥量。在施肥過程中，施肥機每公頃的施肥量為

(1)

其中，q表示單行排肥器的排肥量(L/s)；v表示施肥機前進速度(km/h)；S表示施肥機行距(m)。在這3個量中，專家系統(tǒng)可以提供施肥量的數(shù)據(jù)，并存儲在IC卡中，進行施肥決策；施肥機的前進速度可以利用傳感器測出，機具的行距由施肥機的具體型號確定，排肥器的排肥量由排肥轉速控制。同時，可以通過定量實驗得到排肥轉速的三元一次方程為

q=an3+bn2+cn+d

(2)

其中，a、b、c、d值是由不同化肥類型確定的，通過反復實驗即可確定。三次方程的三次項和二次項系數(shù)都很小，可以忽略不計，因此可得

q=an+b

(3)

將式(3)代入式(1)，得

(4)

最終得到了排肥軸的轉速，轉速可以通過模糊控制來實現(xiàn)排肥量的精確控制。首先，定義排肥量的誤差有

-2rad/s≤n(i)=n(i)-n(i-1)≤2rad/s

(5)

施肥機模糊控制轉速的基本誤差域為n[-2,2]，利用模糊控制將誤差域進行離散化，有

(6)

其中，x∈[r,z]，r表示誤差上限值，z表示誤差下限值，y為離散度。為了加速殘差的收斂，可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡訓練的方式，定義誤差的一階差商為

(7)

二階訓練差商定義為

(8)

計算機上計算均差表的公式為

(9)

根據(jù)差商定義，把x看成[r,z]上一點，可得

(10)

把后1式代入前1式可得

(11)

利用誤差值，控制器在端子輸出電壓信號，通過 PLC 進行比較計算之后實現(xiàn)切換，最終使泵電機及變頻器均能夠正常工作，調(diào)節(jié)施肥的轉速。其使用的主要控制程序如下：

ld m1

ld x0

or y5

anb

out y5

mov k10 d2

rst m14

rst m19

rst m24

rst m29

ld m1

ani m19

ani y5

ldi m200

or m201

anb

out y0

……

3虛擬樣機運動學仿真

3.1Pro/E建模和ADAMS運動學仿真

為了驗證所設計的施肥機變流量控制算法的有效性和可靠性，采用Pro/E和ADMAS聯(lián)合仿真的形式，對施肥機虛擬樣機進行動力學仿真，以期得到施肥機的施肥速度和精度的驗證結果。機構總體裝配之后，需要利用Pro/E軟件建立虛擬樣機的模型，本研究采用自底向上的建模方式，建立虛擬樣機的基本部件齒輪，如圖3所示。

圖3　虛擬樣機齒輪模型

仿真時，將各部件進行裝配后導入到ADMAS軟件中，運用軟件自帶的機構/運動分析功能進行運動學仿真。設置齒輪之間的傳動比及機構前進速度，得到噴肥針尖的絕對運動軌跡，如圖 4 所示。

相對于 Pro/E而言，ADAMS 的仿真能力能更強。由計算結果可以看出，仿真結果符合預期的設計要求，得到生產(chǎn)要求的相對運動軌跡為淚滴型軌跡，從而驗證了模型建構和仿真分析的正確性。

圖4　虛擬樣機運動軌跡

3.2樣機嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化測試

為了實現(xiàn)虛擬樣機排肥速度的控制，本研究主要采用霍爾元件來測定速度。霍爾軟件對露天灰塵的環(huán)境適應好，價格相對便宜，體積小，性能好。此元件采用OC門，在輸出端與電源之間要接一個電阻，為了提高其帶負載能力，接1個三極管放大電路。其原理圖如圖5所示。

圖5　測速電路圖

其中，集成霍爾傳感器一般片內(nèi)設有穩(wěn)壓電路及施密特電路，通過晶體管的集電極輸出信號，并且輸出的脈沖信號不需進行整形。這種傳感器還具有時滯特性，此特性可以防止噪聲干擾。

施肥速度進行優(yōu)化后，可以將施肥速度按一定的順序存儲在數(shù)據(jù)存儲卡中，在田間施肥過程中，由單片機按操作單元對存儲卡進行讀取。本設計中采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT24C02芯片，具有體積小、功耗低的特性，其電路原理如圖6所示。

圖6　IC卡電路圖

3.3仿真結果分析

通過對虛擬樣機的仿真模擬和實驗測試，得到了虛擬樣機的運動軌跡和流量控制的參數(shù)數(shù)據(jù)，且運動軌跡和預期想要得到的軌跡吻合性較好。排肥量隨時間的變化曲線如圖7所示。

圖7　排肥量隨速度變化曲線

由圖7可知：隨著速度的變化，排肥機的排肥量發(fā)生了較大的變化；隨著速度的加快，排肥量在排肥速度的控制下逐漸加快，有效地實現(xiàn)了快速均勻的施肥效果。

如表1所示，通過的10次施肥實驗，使用PLC優(yōu)化控制的施肥機和普通施肥機的施肥精確程度存在很大的差異。其中，使用PLC嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化后的施肥機，其施肥的精確性得到了明顯的改善。

表1　施肥準確率測試結果表

續(xù)表1

表2表示在100m單行情況下的施肥時間。由表2可以看出：使用本文設計的PLC優(yōu)化控制虛擬樣機可以大大縮短施肥的時間，提高了施肥的效率，是一種既精確效率又高的施肥機械結構。

表2　施肥時間測試結果表

4結論

依據(jù)施肥機排肥器排肥原理，采用Pro/E和ADMAS聯(lián)合仿真方法，使用PLC嵌入式通信系統(tǒng)，設計了一種新的變流量控制的施肥虛擬樣機，大大提高了施肥機的作業(yè)精度和作業(yè)效率。

利用模糊控制算法對施肥機的排肥速度進行了控制，使用二階差分對排肥的誤差進行了分析，最后對利用聯(lián)合仿真和虛擬樣機實驗，得到了排肥量隨施肥機行進速度的變化曲線，以及施肥機工作效率和工作精度的分析結果。

通過對結果的分析發(fā)現(xiàn)：使用PLC嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化后的施肥機，施肥機的工作性能得到了明顯的改善，施肥精度和效率都得到了大幅度的提高，可在變量施肥機的設計過程中進行推廣使用。

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Optimization Design for Virtual Prototype of Variable Rate Fertilization Based on Embedded Communication System

Ge Zhen1, Xiong Qiong1, Deng Minghua1, Wang Xiaozhi2, Bao Xiulan3

(1.School of Information Engineering,Wuhan Technology and Business University,Wuhan 430200, China; 2.Nanchang University,Nanchang 330031,China; 3.College of Engineering,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070, China)

Abstract：In order to achieve high speed operation of liquid fertilizer machine goal, it proposes a new method of variable control fertilization, the method mainly by the joint simulation of Pro/E and ADMAS mode of mechanical motion trajectory of the mechanism is verified,by using fuzzy control and two order differential algorithm to reduce the low fertilization amount of error, the realization of the use of PLC processing fertilization and communication data. In order to verify the validity of the method and reliability, application of 3D modeling design software Pro/E, the parts and assembly drawing mechanism model, through the type change save file to realize Pro/E and ADAMS data exchange, to establish the mechanism of virtual prototype and kinematics simulation in ADAMS, get the trajectory of the virtual prototype and fertilizing machine. Finally, through the optimization of the PLC embedded communication system, obtained the change curve of virtual prototype with the speed and the amount of fertilizer, the fertilizer before and after optimization accuracy and efficiency are compared, found that the fertilizing machine using the PLC embedded system optimized by comparison, the accuracy of fertilization got obvious improvement, and fertilizer efficiency is high,which provides the theory reference for the research on variable rate fertilization control.

Key words：variable rate fertilization; virtual prototype; two-order difference; embedded

文章編號：1003-188X(2016)03-0028-05

中圖分類號：S224.2；S126

文獻標識碼：A

作者簡介：葛蓁(1983-)，女，河南商城人，講師，碩士。通訊作者：汪小志(1981-)，女，武漢人，講師，博士研究生，(E-mail)wangxiaozhi@ncu.edu.cn。

基金項目：湖北省自然科學基金項目(2014CFB322)

收稿日期：2015-02-02