發(fā)布時間：2019-07-29 09:43

【摘要】：氮肥是影響冬小麥生長發(fā)育最為活躍的因素之一,合理科學地施用氮肥有助于提高冬小麥的品質和產量,過量增施氮肥不僅無法發(fā)揮其增產增質的特性,而且易造成肥料浪費、引發(fā)環(huán)境問題甚至降低糧食產量和品質。變量施肥技術是實現(xiàn)氮肥科學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,應用于底肥施用環(huán)節(jié),而關于冬小麥拔節(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)期增施氮肥的農藝要求和技術指標,基于近地光譜探測技術研究開發(fā)了應用于冬小麥拔節(jié)期增施氮肥的精準變量施肥機,構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。本文的主要研究內容及結論如下:(1)提出了基于近地光譜技術的、軸分段式、雙變量調節(jié)的技術方案,設計研制了相關的變量施肥機。研究了變量排肥執(zhí)行機構,采用直流電動機控制排肥器的轉速,采用步進電動機驅動絲桿滑軌調節(jié)排肥器的開度。變量施肥機設置了左右兩個獨立的控制單元,能夠各自實現(xiàn)排肥器轉速和開度自適應控制,達到在線實時調整排肥量的目的。(2)研究設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)設定、實時數(shù)據(jù)顯示以及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能;應用模塊化程序設計原理,開發(fā)了變量施肥機配套軟件系統(tǒng)。(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個等級指導田間施肥作業(yè),當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)通過分析外槽輪排肥器的工作原理以及不同轉速、開度下排肥量的標定,應用Bisquare估計穩(wěn)健回歸方法構建排肥器排肥量的數(shù)學模型;對比了通過排肥量標定數(shù)據(jù)均值建模與控制單元內各排肥器回歸模型加權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節(jié)的控制策略,設計了轉速優(yōu)先控制、開度優(yōu)先控制以及轉速開度自適應控制三種控制策略;制定雙變量自適應控制策略中目標控制序列的生成規(guī)則,構建了雙變量目標控制序列的最佳組合表,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,分析了轉速和開度控制子單元的系統(tǒng)模型和傳遞函數(shù),設計了模糊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)能夠實現(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)對變量施肥機進行性能測試驗證試驗。試驗結果表明: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。試驗結果表明:控制系統(tǒng)的性能良好,能夠實現(xiàn)冬小麥拔節(jié)期精準施肥的要求;變量施肥有利于改善冬小麥的群體結構,產量趨于均衡,而傳統(tǒng)定量施肥作業(yè)區(qū)冬小麥群體結構差,產量的變異性較大;精準變量施肥小區(qū)的產量略低于傳統(tǒng)定量施肥管理區(qū),但產量差異小,變量施肥能夠實現(xiàn)冬小麥的高產;不同底肥施用的變量施肥小區(qū)間,隨著底肥施用量的增加,冬小麥產量也相應提高;對于不同品種的冬小麥,實施變量施肥作業(yè)的效益存在差異性。
【圖文】：

，肥量在線調節(jié)，從而達到變量施肥的目標。但是，目前國內關于此類變量施肥機械研逡逑究較少，特別是缺乏基于作物長勢的在線實時控制的變量施肥機具。因此本文針對冬逡逑小麥拔節(jié)期增施氮肥的農藝要求和技術指標，基于近地光譜探測技術研究開發(fā)了應用逡逑于冬小麥拔節(jié)期的、可根據(jù)冬小麥長勢空間差異性進行按需精準變量施肥的施肥機。逡逑１．２施肥機械及變量施肥技術逡逑１．２．邋１施肥機械逡逑施肥機械作為農業(yè)生產施肥作業(yè)環(huán)節(jié)的執(zhí)行機構，根據(jù)撒施肥料的類型可以分為逡逑液態(tài)肥施用機械、固體顆粒肥施用機械和廄肥撒播機械［１２］。冬小麥在拔節(jié)期增施的氮逡逑肥通常為尿素，屬于固體顆粒肥，因此本文研宄的變量施肥機械屬于固體顆粒肥施用逡逑機械。該類施用機械又可分為全面撒施的拋撒施肥機和擁有條播的施肥機械［１３］。全面逡逑拋撒的施肥機一次性施肥面積大，，生產效率高，但是其均勻性較差，不適合小地塊作逡逑業(yè)，如圖Ｍ（ａ）所示。條播的施肥機械，由肥箱、排肥器、排肥驅動機構、機架以逡逑及開溝器組成，施肥幅度較小，適合小地塊作業(yè)，如圖ｌ－ｌ（ｂ）所示。逡逑邐邋？——0ｍｍｍ邋？ｉ邋ｔ逡逑

逡逑本低廉。其結構示意圖如圖１－２所示。逡逑＿遍逡逑圖１－２外槽輪式肥器逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ邋ｓｏｗｉｎｇ邋ａｍｏｕｎｔ逡逑隨著農業(yè)機械化水平的發(fā)展，自動控制技術越來越多地被應用到施肥機械上用于逡逑構建施肥控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)施肥機械的智能化控制。市場上的變量施肥機械通常配備逡逑有智能控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用車載計算機、嵌入式系統(tǒng)、單片機等設備作為控制終逡逑端，采集施肥作業(yè)的相關信息，自動調整化學肥料的施用量［１５？］。同時，變量施肥機逡逑械還裝備有定位系統(tǒng)，如ＧＰＳ、ＤＧＰＳ以及ＢＤＳ，用于識別田間作業(yè)位置１２＜Ｗ４〗。而逡逑施肥執(zhí)行機構通常采用液壓馬達系統(tǒng)、步進電動機、直流電動機以及伺服電動機驅動逡逑調節(jié)固體顆粒肥施用；采用電磁閥調整液體肥施用
【學位授予單位】：南京農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O657.3;S224.2

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本文編號：2520423