宋茂華，杜瑞成，楊自棟，鞏丙才

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博　255049)

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株距無級(jí)調(diào)節(jié)器試驗(yàn)及輸出函數(shù)模型研究

宋茂華，杜瑞成，楊自棟，鞏丙才

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博255049)

摘要：株距無級(jí)調(diào)節(jié)器要進(jìn)行株距的無級(jí)調(diào)節(jié)，必須要建立株距無級(jí)調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)架位移和株距之間的函數(shù)模型?；坡适侵覆シN機(jī)工作時(shí)地輪滑動(dòng)成分所占的比例，滑移率是影響播種質(zhì)量的重要因素。為此，利用齒輪轉(zhuǎn)速傳感器測得播種機(jī)的滑移率，然后反饋給株距無級(jí)調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)株距無級(jí)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)架位移來改變理論播種株距，從而減小滑移率對(duì)播種質(zhì)量的影響，提高播種的均勻性。

關(guān)鍵詞：智能農(nóng)業(yè)；函數(shù)模型；株距；滑移率；擬合曲線

0引言

玉米播種機(jī)田間作業(yè)時(shí)，需要根據(jù)玉米品種特性、產(chǎn)量水平、土壤肥力及施肥水平選擇合理的種植密度(即畝株數(shù))。黃淮海區(qū)域玉米的種植密度一般為3 500～5 500株/667m2，行距為600mm。因此，不同的玉米品種、不同地區(qū)的種植模式、不同地塊的種植環(huán)境都需要不同種植密度，即需要不同的株距。當(dāng)株距無級(jí)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)架處于不同的位置時(shí)，調(diào)節(jié)器輸入轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速的傳動(dòng)比不同，得到的玉米株距也隨之不同。因此，株距無級(jí)調(diào)節(jié)器要進(jìn)行株距的無級(jí)調(diào)節(jié)，必須要建立株距無級(jí)調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)架位移和株距之間的函數(shù)模型。

1株距無級(jí)調(diào)節(jié)器函數(shù)模型的建立

為方便建立函數(shù)模型，設(shè)定調(diào)節(jié)器的輸入轉(zhuǎn)速為定值(110.52r/min)，在JPS-12型計(jì)算機(jī)視覺排種器試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)。由于鏈條傳動(dòng)時(shí)具有不穩(wěn)定性，因此輸入轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速用接觸式機(jī)械轉(zhuǎn)速表進(jìn)行測量。株距無級(jí)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集時(shí)，設(shè)定株距無級(jí)調(diào)節(jié)器的輸入轉(zhuǎn)速為n1，輸出轉(zhuǎn)速為n2，調(diào)節(jié)架的位移為x，玉米株距為l。經(jīng)測定，所得數(shù)據(jù)如表1所示。

1.輸入軸　2.箱體　3.凸輪　4.擺桿復(fù)位裝置　5.接近開關(guān)　6.擺桿

調(diào)節(jié)架移量x/mm調(diào)節(jié)器輸入轉(zhuǎn)速n1/r·min-1調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)速n2/r·min-1n2n10110.524.790.04332110.525.100.04614110.525.730.05186110.526.250.05668110.526.870.062210110.527.450.0674

續(xù)表1

2試驗(yàn)過程

2.1變量的定義

將調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)架的位移定義為變量x(mm)；將調(diào)節(jié)器的輸出轉(zhuǎn)速n2(r/min)與輸入轉(zhuǎn)速n1(r/min)的比值定義為變量y， 0≤x≤40且x∈N；將播種株距定義為l(m)。

2.2輸出函數(shù)模型求解

在matlab中Command Windows窗口命令中輸入一下命令：

>> 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

然后回車，點(diǎn)擊出現(xiàn)的窗口1上的Date命令，出現(xiàn)下一個(gè)命令窗口。在X Date命令的下拉菜單中選擇變量x，在Y Date命令的下拉菜單中選擇變量y，在Date set name命令中輸入名字“擬合曲線”，點(diǎn)擊Create date set命令，最后點(diǎn)擊Close命令，關(guān)閉窗口。此時(shí)，再點(diǎn)擊命令窗口1中的Fitting命令，在出現(xiàn)的命令窗口中，點(diǎn)擊New fit命令，在出現(xiàn)的新的命令窗口中的Fit name命令中輸入要擬合函數(shù)的名字“函數(shù)模型”，Date set自動(dòng)設(shè)置為剛才創(chuàng)建的數(shù)據(jù)組“擬合曲線”；命令Type of fit指的是要進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合的函數(shù)類型。經(jīng)過對(duì)比分析，選擇多項(xiàng)式、 正弦函數(shù)、高斯法3種經(jīng)典擬合方法求解函數(shù)模型。每種求解方法有不同的函數(shù)形式(次數(shù))，通過對(duì)比不同次數(shù)函數(shù)形式的擬合好壞，選擇擬合程度最好的一種形式。

3結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

3.1曲線擬合結(jié)果

1) 正弦函數(shù)模型。正弦函數(shù)模型包括8種函數(shù)形式，通過對(duì)比分析每種函數(shù)形式的擬合程度，得出如下函數(shù)模型是正弦函數(shù)模型中擬合程度最好的一種形式。擬合曲線圖如圖2所示，其函數(shù)關(guān)系式為

(1)

函數(shù)關(guān)系的誤差平方和(SSE)、相關(guān)系數(shù)R-square、均方根誤差RMSE為

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

圖2　正弦函數(shù)模型曲線擬合圖

2) 多項(xiàng)式模型。多項(xiàng)式模型包括9種函數(shù)形式，通過對(duì)比分析每種函數(shù)形式的擬合程度，得出9次多項(xiàng)式模型是多項(xiàng)式模型中擬合程度最好的一種形式。擬合曲線圖如圖3所示，其函數(shù)關(guān)系式為

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)

函數(shù)關(guān)系的誤差平方和(SSE)、相關(guān)系數(shù)R-square、均方根誤差RMSE為

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

圖3　多項(xiàng)式模型曲線擬合圖

3)高斯模型。通過對(duì)比分析每種函數(shù)形式的擬合程度，得出如下函數(shù)模型是高斯函數(shù)模型中擬合程度最好的一種形式。擬合曲線圖如圖4所示，其函數(shù)關(guān)系式為

(3)

函數(shù)關(guān)系的誤差平方和(SSE)、相關(guān)系數(shù)R-square、均方根誤差RMSE為

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

3.2確定函數(shù)模型

3.2.1輸入轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)模型

通過對(duì)比3種函數(shù)類型中函數(shù)模型的誤差平方和(SSE)、相關(guān)系數(shù)R-square、均方根誤差RMSE的數(shù)值的大小，得出多項(xiàng)式擬合模型是擬合程度最好的函數(shù)模型。由于y=n2/n1，帶入多項(xiàng)式擬合模型的函數(shù)關(guān)系式，得出輸出轉(zhuǎn)速n2與輸入轉(zhuǎn)速n1之間的函數(shù)關(guān)系為

(4)

3.2.2株距與調(diào)節(jié)架位移之間的函數(shù)模型

以設(shè)計(jì)的2BYM-4型智能免耕玉米精量播種機(jī)為例，其傳動(dòng)示意圖如圖5所示。

圖4　正弦函數(shù)模型曲線擬合圖

1.地輪　2.錐齒輪1　3.錐齒輪2　4.錐齒輪3　5.錐齒輪4

其中，地輪直徑為480mm；4個(gè)錐齒輪齒數(shù)相同,傳動(dòng)比為1；鏈輪z1=25，z2=15,z3=30，z4=12，z5=18，z6=19。播種機(jī)的株距、排種器轉(zhuǎn)速與前進(jìn)速度之間的關(guān)系為

(5)

其中，l為播種株距(m)；v為播種機(jī)的行進(jìn)速度(km/h)；n為排種器鏈輪的轉(zhuǎn)速(r/min)。地輪轉(zhuǎn)速與播種機(jī)行進(jìn)速度之間的關(guān)系為

(6)

其中，v為播種機(jī)的行進(jìn)速度(km/h)；d為播種機(jī)地輪的直徑(m)；n0為地輪的轉(zhuǎn)速。

由傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖及各零件的參數(shù)可知

(7)

將式(4)、式(6)、式(7)都帶入到式(5)中，可得

(8)

把d=0.48帶入到上式中可得株距與調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)架位移之間的函數(shù)關(guān)系式為

(9)

3.2.3株距與畝株數(shù)的函數(shù)模型

設(shè)定玉米株距為n1(m)；畝株數(shù)為a，行距為b(m)，則由

l×b×a=667

(10)

可得株距與畝株數(shù)的函數(shù)模型為

(11)

黃淮海區(qū)域的玉米種植行距一般為0.6m，則

(12)

3.3傳遞函數(shù)應(yīng)用

3.3.1滑移率反饋調(diào)整

設(shè)脈沖計(jì)數(shù)模塊的計(jì)數(shù)值為C，測量齒輪每轉(zhuǎn)一周轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖數(shù)為P，計(jì)數(shù)時(shí)間為t(s)，測量齒輪轉(zhuǎn)速為n(r / min)，則以下關(guān)系式成立，有

(13)

若t=1s，P=60，則C=n，可得到測量齒輪轉(zhuǎn)速的公式為

(14)

由式(13)可知，如果用計(jì)數(shù)器在時(shí)間t內(nèi)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可以計(jì)算出測量齒輪的轉(zhuǎn)速n。由課本公式可知，滑移率的計(jì)算公式為

(15)

對(duì)于播種機(jī)，地輪滑移率的計(jì)算公式為

(16)

其中，δ表示地輪的滑移率；v表示播種機(jī)的前進(jìn)速度；n表示測量齒輪的轉(zhuǎn)速；r表示地輪的半徑。

l=

4結(jié)論

結(jié)合MatLab曲線擬合工具箱，求出了株距無級(jí)調(diào)節(jié)器輸入轉(zhuǎn)速n1與輸出轉(zhuǎn)速n2之間的最優(yōu)函數(shù)模型，為調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了理論支持。同時(shí)，控制系統(tǒng)結(jié)合齒輪傳感器測得的齒輪轉(zhuǎn)速和GPS提供的機(jī)組行進(jìn)速度，按照地輪滑移公式計(jì)算，實(shí)現(xiàn)株距的在線調(diào)整，減小滑移率對(duì)排種質(zhì)量的影響。

參考文獻(xiàn)：

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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

文章編號(hào)：1003-188X(2016)01-0066-04

中圖分類號(hào)：S223.2;S220.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：宋茂華(1987-),男，山東菏澤人，碩士研究生，(E-mail)songmaohua668@163.com。通訊作者：杜瑞成(1957-)，男，山東淄博人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)drc@sdut.edu.cn。

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD08B02-02)

收稿日期：2015-01-08