基于近地光譜技術(shù)的冬小麥精準變量施肥機的研制.pdf

1、氮肥是影響冬小麥生長發(fā)育最為活躍的因素之一，合理科學(xué)地施用氮肥有助于提高冬小麥的品質(zhì)和產(chǎn)量，過量增施氮肥不僅無法發(fā)揮其增產(chǎn)增質(zhì)的特性，而且易造成肥料浪費、引發(fā)環(huán)境問題甚至降低糧食產(chǎn)量和品質(zhì)。變量施肥技術(shù)是實現(xiàn)氮肥科學(xué)合理施用的有效途徑。但目前的變量施肥機械多采用測土配方技術(shù)，應(yīng)用于底肥施用環(huán)節(jié)，而關(guān)于冬小麥拔節(jié)期精準變量施肥機的研究較少，缺乏基于作物長勢的在線實時控制的變量施肥機具。因此，本文針對冬小麥拔節(jié)期增施氮肥的農(nóng)藝要求和技術(shù)指標

2、，基于近地光譜探測技術(shù)研究開發(fā)了應(yīng)用于冬小麥拔節(jié)期增施氮肥的精準變量施肥機，構(gòu)建了變量施肥機智能控制系統(tǒng)，并對變量施肥機具進行了系統(tǒng)的試驗驗證。
　　本文的主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)提出了基于近地光譜技術(shù)的、軸分段式、雙變量調(diào)節(jié)的技術(shù)方案，設(shè)計研制了相關(guān)的變量施肥機。研究了變量排肥執(zhí)行機構(gòu)，采用直流電動機控制排肥器的轉(zhuǎn)速，采用步進電動機驅(qū)動絲桿滑軌調(diào)節(jié)排肥器的開度。變量施肥機設(shè)置了左右兩個獨立的控制單元，能夠各自實

3、現(xiàn)排肥器轉(zhuǎn)速和開度自適應(yīng)控制，達到在線實時調(diào)整排肥量的目的。
　　(2)研究設(shè)計了變量施肥機智能控制系統(tǒng)。采用STM32單片機作為下位機，完成變量施肥作業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、分析、處理與存儲，通過各相關(guān)傳感器實時監(jiān)測變量施肥機械田間作業(yè)參數(shù)，并將其反饋給控制器形成閉環(huán)反饋控制;采用組態(tài)軟件設(shè)計開發(fā)變量施肥機人機交互界面，實現(xiàn)變量施肥參數(shù)設(shè)定、實時數(shù)據(jù)顯示以及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能;應(yīng)用模塊化程序設(shè)計原理，開發(fā)了變量施肥機配套軟件系統(tǒng)。

4、r>　　(3)探討了變量施肥機的最佳光譜采樣頻率，在確保光譜數(shù)據(jù)客觀反映田間小麥長勢空間差異性的前提下，降低變量控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理負荷，提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率，試驗確定了最佳采樣頻率為1Hz;提出了基于改進的Ruan模型氮肥需求量優(yōu)化算法，分11個等級指導(dǎo)田間施肥作業(yè)，當(dāng)冬小麥冠層的歸一化植被指數(shù)值低于0.25或高于0.75時目標施肥量為0，當(dāng)其值介于0.25與0.75之間則間隔0.05劃分為一個等級進行施肥作業(yè)。
　　(4)通過分析外

5、槽輪排肥器的工作原理以及不同轉(zhuǎn)速、開度下排肥量的標定，應(yīng)用Bisquare估計穩(wěn)健回歸方法構(gòu)建排肥器排肥量的數(shù)學(xué)模型;對比了通過排肥量標定數(shù)據(jù)均值建模與控制單元內(nèi)各排肥器回歸模型加權(quán)平均建模得到的排肥器控制模型的優(yōu)劣，確定了變量施肥機排肥量的控制模型。分析了變量施肥機雙變量調(diào)節(jié)的控制策略，設(shè)計了轉(zhuǎn)速優(yōu)先控制、開度優(yōu)先控制以及轉(zhuǎn)速開度自適應(yīng)控制三種控制策略;制定雙變量自適應(yīng)控制策略中目標控制序列的生成規(guī)則，構(gòu)建了雙變量目標控制序列的最佳組

6、合表，施肥作業(yè)過程中通過查表法獲得系統(tǒng)的目標控制序列。
　　(5)研究了基于模糊PID的變量施肥優(yōu)化控制算法，分析了轉(zhuǎn)速和開度控制子單元的系統(tǒng)模型和傳遞函數(shù)，設(shè)計了模糊PID控制器。采用粒子群優(yōu)化算法，以ITAE準則作為適應(yīng)度函數(shù)確定PID控制器3個參數(shù)的初始值。分析比較模糊PID與常規(guī)控制的差異，試驗表明模糊PID控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精準變量施肥控制。研究分析變量施肥機的施肥位置滯后模型，并對其進行了修正。
　　(6)對變量施

7、肥機進行性能測試驗證試驗。試驗結(jié)果表明:變量施肥機測速精度高，系統(tǒng)測速誤差均值低于0.26m/s;光譜監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的魯棒性，多次測量結(jié)果的變異系數(shù)低于0.86％;變量施肥左右控制系統(tǒng)的平均控制誤差分別為9.85％和9.63％，整機的平均控制誤差為9.74％，控制精度可達90％以上，系統(tǒng)的性能良好。
　　(7)應(yīng)用本文開發(fā)的變量施肥機開展田間變量施肥試驗。試驗結(jié)果表明:控制系統(tǒng)的性能良好，能夠?qū)崿F(xiàn)冬小麥拔節(jié)期精準施肥的要求;變量