專利名稱：雙變量液壓無級調速變量施肥機及其調速系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于農業技術領域，涉及一種雙變量液壓無級調速變量施肥機及其調速系統，具體地說是一種基于基于PLC+液壓馬達的雙變量液壓無級調速變量施肥機及其調速系統。
背景技術：
進入二十一世 紀，我國的農業生產對農業機械提出了更高的要求。伴隨著大量農產品逐漸由數量為主轉變為以質量為主，對農業機械的要求也日益更新，農業機械的品種和數量也大幅度提升，農業機械也逐步由單純數量的增加轉變為質量與技術水平的提高。我國是一個農業大國，農業是國民經濟的基礎，農業現代化的主要標志是農業機械化裝備程度和機械化水平的高低。農業機械是農業生產的重要工具，是發展農業生產力的重要因素之一，是實現農業科學技術的載體。保持農業穩定，對社會安定和經濟發展都具有極其重要的意義。因此，農業要實現現代化，就必須首先實現農業生產的全面機械化。但從施肥機械這方面國內外農化專家普遍認為，在其他生產因素不變的情況下，農作物施用化肥可增加產量40 60%。由于中國農民施用化肥多停留在經驗施肥的水平上，化肥利用率僅30 40%，因此浪費和損失驚人。肥料施用量的增加和利用效率的下降，不僅造成了經濟上的巨大損失，而且引起了嚴重的環境污染。過多施用的肥料不僅造成了對地表水和地下水的持續污染，還增加了農業產品中有毒物質的殘留，出現了地表水富營養化，地下水和蔬菜中硝態氮含量超標等問題，化肥尤其是氮肥已成為主要的環境污染源之一。這同時也給農業可持續發展帶來很大危害。隨著環境問題日益受到重視，如何在保證作物高產優質的同時提高氮肥的利用率(USE)，防止或盡量減少作物生產帶來的環境污染是我國政府、農學家及生產者所必須解決的問題。我國當今農業機械技術水平從總體上看落后發達國家不20年，在變量施肥技術研究方面，基本是引進國外先進技術設備，進行消化、吸收的跟蹤研究。需要在變量施肥技術及相關技術方面，如采樣技術、采樣導航技術、土壤速測技術、施肥決策技術和產量記錄技術等領域推動高新技術的應用研究與實踐，開發適于我國國情先的變量施肥技術，使之成為一個有機的技術體系。精準農業的示范試驗研究有可能成為農業機械裝備領域應用信息高新技術實現技術創新的切入點[6]。研究和開發自動變量施肥技術，具有重要的社會意義，而自動變量施肥控制系統作為關鍵環節之一，為自動變量施肥的實現提供了技術支持。變量施肥技術在西方發達國家已經得到成功應用。其相關技術已日臻完善和商品化。其中，變量施肥機調速系統是變量施肥機的重要組成部分。主要可以分為:電控機械無級變速器型、電控液壓馬達型、電控步進電機型等幾種調速控制方式。目前，國內外對于在電控機械無級變速器型、電控步進電機型調速控制系統方面的研究較為深入，如:美國約翰迪爾公司生產的JD-1820/1910型氣力式變量施肥播種機和黑龍江八一農墾大學工程學院研制的大豆精密播種機變量施肥自控控制系統都采用了電控機械無級變速器調速系統。吉林大學生物與農業工程學院研究的變量施肥控制系統則采用了電控步進電機調速控制系統。但是在幾種調速控制方式中，液壓調速在:功率質量比、調速范圍、穩定型、自動控制和過載保護方面具有明顯優點，特別是隨著與現代電子和信息技術的結合發展，液壓調速技術得到了更快的發展，同時，也在農業機械中得到了大量的應用。2003年，國家農業信息技術研究中心設計的變量旋耕施肥機，其變量施肥調速系統由液壓節流閥和液壓馬達組成，通過控制液壓節流閥的開度來控制液壓馬達的轉速實現變量施肥。2007年，吉林農業大學研制設計了由變量液壓馬達實現變量作業的自動變量施肥機，變量液壓馬達的轉速與其容積成反比，系統通過控制變量液壓馬達的容積來實現液壓馬達轉速控制，實現變量施肥。2002年美國CASE公司生產的2340型空氣輸送種肥車由電控液壓馬達實現變量施肥播種。調速系統由變量控制驅動器、直流伺服電動機、液壓馬達等組成，作業時變量控制驅動器通過控制直流伺服電動機轉動使液壓馬達在不同的轉速下轉動，實現變量控制。美國Ag Leader公司生產的精確播種和施肥機以PFA作為控制器，通過控制變量液壓馬達實現變量播種和施肥控制控制。德國ΑΜΑΖ0ΝΕ公司開發的用于麥類作物春季追肥的實時自動變量施肥機，通過拖拉機前部安裝的作物長勢傳感器監測作物葉綠素含量，計算出氮肥的需要量，然后通過控制液壓馬達的轉速來實現變量施肥。國外變量施肥技術起步較早，液壓調速技術應用比較成熟并已經有產品投入市場；國內在變量施肥機液壓調 速技術方面的研究尚處于起步階段，型號比較單一。隨著各種液壓元件的國產化和性能的提高，結合液壓調速系統優點，液壓調速變量施肥執行機構在變量施肥機的應用和推廣中體現出了更為顯著的優勢。同時，液壓調速技術的應用將顯著提高我國農機的質量和技術含量，縮小與先進國家的技術差距，對鞏固與占領國內外市場起著根本性的作用。
發明內容
當今的施肥機存在控制系統穩定性不高無法適應田間作業環境；大型化發展潛力小；運作能耗較大需要配備較多能源設備(如電瓶)；設備成本較高不便推廣等問題。為克服以上問題，針對新疆地域特色，本文提出了 PLC控制液壓馬達變量施肥控制方案:以PLC為控制器，由液壓馬達驅動排肥軸作業，技術方案為:雙變量施肥液壓調速系統總共包括三大部分:(I)以車載計算機和閉環控制器為核心的雙變量施肥控制系統；(2)基于PLC閥控液壓馬達雙變量液壓傳動控制調速系統；(3)單軸雙頭螺桿傳動雙變量多參數施肥機液壓執行機構。其中以車載計算機和閉環控制器為核心的雙變量施肥控制系統包括有DGPS接收機、車載計算機、變量施肥閉環控制器、AD轉換器、FN轉換器；基于PLC閥控液壓馬達雙變量液壓傳動控制調速系統由液壓油源(由50拖拉機液壓泵提供)、濾油器、兩位兩通電磁閥、溢流閥、節流閥、電液比例調速閥、比例伺服閥、液壓壓力表、速度傳感器、比例尺、擺線液壓主軸馬達、開口馬達等，單軸雙頭螺桿傳動雙變量多參數施肥機液壓執行機構包括單軸雙螺桿主軸、排肥盒、外槽輪、阻塞套和排肥舌、軸承座、軸承。其中液壓調調速系統采用的是基于PLC的閉環系統，以PC機作為上位機機接收GPS定位數據，通過變量施肥控制專用軟件對位置數據進行處理，并對當前位置進行網格識別，顯示當前對應的專家施肥樣方圖、機進速度、施肥機主軸轉速、槽輪工作位置以及實際施肥量等詳細的信息。然后將變量施肥參數值通過PC機RS-232串行接口送到下位機PLC閉環控制器中，將施肥參數值由數字量轉變為模擬量輸出；再通過放大驅動器將變量信號放大，來控制電液比例調速閥的閥口開度，控制液壓油的流量及其壓力，從而控制擺線液壓馬達的轉速；實現槽輪工作速度和工作長度雙變量控制施肥。雙變量施肥液壓調速系統原理框圖如圖2所示。根據變量施肥機的施肥精度要求及施肥機工作原理，設計出如圖1所示的液壓電液比例速度調速系統原理圖。其液壓油路的主要動作順序如下:啟動拖拉機為整個系統提供液壓油源，在進入電液比例電磁前先分別調整兩位兩通電磁閥IDT和2DT為系統提高兩個穩定的液壓油源。PLC根據接收到的命令信號不僅調整伺服比例閥電磁鐵3DT兩端的電壓使閥芯開口保持在一定的狀態，驅動開口液壓馬達轉動，將其速度保持在10mm/s (40mm/s)實現慢速調整槽輪工作 長度和快速調整高低檔轉換。同時調整電液比例調速組合閥4DT兩端的電壓對主軸馬達進行轉速調整。整個調速系統中關鍵油路安裝了液壓表時刻監測工作油路的油壓穩定性以便減少油路不穩定給施肥精度帶來的施肥誤差。其中霍爾傳感器和位移傳感器將采集到得主軸馬達轉速和槽輪工作位移實時信號傳輸給PLC再由PLC和上位機進行處理分析。本發明的有益效果:(I)本發明成本較低；(2)本發明提高了自動控制單元的實時性與穩定性，實現棉花自動變量施肥的精確控制；(3)大型化發展潛力大，運作能耗無需配備較多能源設備。
圖1是雙變量施肥機原理圖；圖2是雙變量施肥電液調速系統原理框圖；圖3是液壓系統油路圖；圖4是電液比例壓力流量控制閥原理；圖5是PID控制的系統轉速曲線。
具體實施過程下面結合附圖和本發明實施例作進一步詳細地說明:參照圖1，一種基于PLC+液壓馬達的雙變量液壓無級調速變量施肥系統原理為:排肥盒、外槽輪、阻塞套和排肥舌共同構成了外槽輪排肥器，用卡子固定在排肥轉軸上。通過改變排肥轉軸的轉速和其軸向移動來實現雙變量參數控制施肥。該施肥播種機的工作過程為:控制器先從GPS模塊獲取施肥機所在經緯度信息。同時，霍爾傳感器和電子尺分別將采集到的主軸轉速信息和槽輪相對位置信息傳輸給控制器(包括上位機和下位機)控制器接收到信息后利用PID控制算法計算出兩個信息所對應的實際的施肥量，繼而PID將實際施肥量與作業處方推薦的該網格的施肥量進行比較，得到所需的施肥參數值。為了提高PID計算精度在PID算法中設定了兩個臨界值10和100，當施肥差值在IOg以下，僅開口馬達轉動帶動螺紋絲桿裝置左右移動調節槽輪的有效工作長度。當施肥誤差在IOg-1OOg之間時開口馬達和主軸馬達同時轉動分別改變主軸轉速和槽輪有效工作長度。當施肥誤差在IOOg以上時控制器僅調節主軸馬達轉速以實現所需的排肥量。圖2為變量施肥電液調速系統原理框圖:液壓調調速系統采用的是基于PLC的閉環系統，以PC機作為上位機機接收GPS定位數據，通過變量施肥控制專用軟件對位置數據進行處理，并對當前位置進行網格識別，顯示當前對應的專家施肥樣方圖、機進速度、施肥機主軸轉速、槽輪工作位置以及實際施肥量等詳細的信息。然后將變量施肥參數值通過PC機RS-232串行接口送到下位機PLC閉環控制器中，將施肥參數值由數字量轉變為模擬量輸出；再通過放大驅動器將變量信號放大，來控制電液比例調速閥的閥口開度，控制液壓油的流量及其壓力，從而控制擺線液壓馬達的轉速；實現槽輪工作速度和工作長度雙變量控制施肥。圖3為液壓系統油路圖，其液壓油路的主要動作順序如下:啟動拖拉機為整個系統提供液壓油源，在進入電液比例電磁前控兩位兩通電磁閥IDT和2DT通電為系統提高兩個不同的穩定的液壓油源。PLC根據接收到的命令信號不僅調整伺服比例閥電磁鐵3DT兩端的電壓，在不同的電壓信號開口液壓馬達獲得不同轉動速度，將其速度保持在lOmm/s實現慢速調整槽輪工作長度和速度保持在40mm/s快速調整高低檔轉換。同時調整電液比例調速組合閥4DT兩端的電壓對主軸馬達進行轉速調整。整個調速系統中關鍵油路安裝了液壓表時刻監測工作油路的油壓穩定性以便減少油路不穩定給施肥精度帶來的施肥誤差。其中霍爾傳感器和位移傳感器將采集到的主軸馬達轉速和槽輪工作位移實時信號傳輸給PLC，再由PLC和上位機進行處理分析。圖4為電液比例壓力流量控制閥原理:電液比例調速閥的工作原理組裝設計而成的。其電液比例壓力流量控制閥控制原理為電液比例壓力流量控制閥通過調節壓力先導閥RY兩端的額定電壓信號，來調節系統所需的流量，調節系統所需的流量分以下幾種方式:
(I)當液壓系統系統提供的壓力無法打開壓力先導閥時，復合閥的壓力閥限定系統工作時的壓力，壓力先導閥RY關閉，溢流閥使比例節流閥閥口形成形成所需的壓力差，為此實現了電液比例流量閥的控制功能。(2)當系統進入正常工作狀況時，比例節流閥通有恒定的電壓信號，比例節流閥為系統提供穩定的壓力，此時僅需調節比例壓力先導閥電磁閥上電信號大小就可以實現系統所需的保壓壓力，完成比例溢流閥的控制功能。(3)電液比例壓力流量控制閥除了電控制以外還可以手動調節，手動調節時就可完成手動調節壓力先導比例復合閥。圖5是采用PID控制系統的轉速仿真曲線:在設計的液壓系統時中加入了 PID控制調節，當PID的參數選為KP = 1， KI = 200, KD = 0.06時，液壓馬達轉速輸出曲線完全可以滿足精準施肥的精度要求。
權利要求
1.一種基于PLC液壓馬達的雙變量液壓無級調速變量施肥系統:液壓油源由50拖拉機液壓泵提供(5)，在液壓油路中增設穩壓油路￠)，油液經穩定油路后分別通過兩位兩通電磁閥(7)DT和(S)DT為工作油路提供兩個不同的壓力，PLC根據接收到的命令信號不僅調整伺服比例閥電磁鐵(9)DT兩端的電壓，在不同的電壓信號開口液壓馬達獲得不同轉動速度，將其速度保持在10mm/s實現慢速調整槽輪工作長度和速度保持在40mm/s快速調整高低檔轉換。同時調整電液比例調速組合閥(10)DT兩端的電壓對主軸馬達進行轉速調整。整個調速系統中關鍵油路安裝了液壓表時刻監測工作油路的油壓穩定性以便減少油路不穩定給施肥精度帶來的施肥誤差。其中霍爾傳感器和位移傳感器將采集到的主軸馬達轉速和槽輪工作位移實時信號傳輸給PLC，再由PLC和上位機進行處理分析。
2.根據權利要求1所述的基于PLC液壓馬達的雙變量液壓無級調速變量施肥系統，其特征在于在液壓油路中增設穩壓油路5，油液經穩定油路后分別通過兩位兩通電磁閥IDT和2DT為工作油路提供兩個不同的壓力。
3.根據權利要求1所述的基于PLC液壓馬達的雙變量液壓無級調速變量施肥系統，其特征在于由電液比例調速閥7和比例伺服閥8分別控制主軸馬達9和開口馬達10轉動實現雙變量控制施肥。
4.根據權利要求1所述的基于PLC液壓馬達的雙變量液壓無級調速變量施肥系統，在設計的液壓系統時中加入了 PID控制調節，最終仿真結果表明:當PID的參數選為KP = 1，KI = 200，KD = 0.06時，液壓馬達轉速輸出曲線完全可以滿足精準施肥的精度要求。
全文摘要
本發明公開了一種基于PLC+液壓馬達的雙變量液壓無級調速變量施肥系統，包括圖由排肥盒、外槽輪、阻塞套、和排肥舌、共同構成了外槽輪排肥器，用卡子固定在排肥轉軸上。通過改變排肥轉軸的轉速和其軸向移動來實現雙變量參數控制施肥，為了實現精準施肥，提高雙變量施肥液壓調速系統的穩定性，設計了基于PLC與液壓馬達的雙變量液壓無級調速變量施肥系統。以液壓油路的穩定性和排肥槽輪機構驅動控制方法為重點，研究并建立了數學模型和仿真模型。為了更好控制施肥精度，在液壓油路中增加了液壓穩壓環節和液壓壓力傳感器，并根據數學模型，采用PID控制算法對傳動誤差進行補償，并在不同PID控制參數下對系統進行仿真。
文檔編號A01C15/00GK103168542SQ201210556148
公開日2013年6月26日 申請日期2012年12月20日 優先權日2012年12月20日
發明者吳金林, 張立新, 喻俊志, 王衛兵, 張家華 申請人:石河子大學