专利名称：双变量液压无级调速变量施肥机及其调速系统的制作方法
技术领域：
本发明属于农业技术领域，涉及一种双变量液压无级调速变量施肥机及其调速系统，具体地说是一种基于基于PLC+液压马达的双变量液压无级调速变量施肥机及其调速系统。
背景技术：
进入二十一世 纪，我国的农业生产对农业机械提出了更高的要求。伴随着大量农产品逐渐由数量为主转变为以质量为主，对农业机械的要求也日益更新，农业机械的品种和数量也大幅度提升，农业机械也逐步由单纯数量的增加转变为质量与技术水平的提高。我国是一个农业大国，农业是国民经济的基础，农业现代化的主要标志是农业机械化装备程度和机械化水平的高低。农业机械是农业生产的重要工具，是发展农业生产力的重要因素之一，是实现农业科学技术的载体。保持农业稳定，对社会安定和经济发展都具有极其重要的意义。因此，农业要实现现代化，就必须首先实现农业生产的全面机械化。但从施肥机械这方面国内外农化专家普遍认为，在其他生产因素不变的情况下，农作物施用化肥可增加产量40 60%。由于中国农民施用化肥多停留在经验施肥的水平上，化肥利用率仅30 40%，因此浪费和损失惊人。肥料施用量的增加和利用效率的下降，不仅造成了经济上的巨大损失，而且引起了严重的环境污染。过多施用的肥料不仅造成了对地表水和地下水的持续污染，还增加了农业产品中有毒物质的残留，出现了地表水富营养化，地下水和蔬菜中硝态氮含量超标等问题，化肥尤其是氮肥已成为主要的环境污染源之一。这同时也给农业可持续发展带来很大危害。随着环境问题日益受到重视，如何在保证作物高产优质的同时提高氮肥的利用率(USE)，防止或尽量减少作物生产带来的环境污染是我国政府、农学家及生产者所必须解决的问题。我国当今农业机械技术水平从总体上看落后发达国家不20年，在变量施肥技术研究方面，基本是引进国外先进技术设备，进行消化、吸收的跟踪研究。需要在变量施肥技术及相关技术方面，如采样技术、采样导航技术、土壤速测技术、施肥决策技术和产量记录技术等领域推动高新技术的应用研究与实践，开发适于我国国情先的变量施肥技术，使之成为一个有机的技术体系。精准农业的示范试验研究有可能成为农业机械装备领域应用信息高新技术实现技术创新的切入点[6]。研究和开发自动变量施肥技术，具有重要的社会意义，而自动变量施肥控制系统作为关键环节之一，为自动变量施肥的实现提供了技术支持。变量施肥技术在西方发达国家已经得到成功应用。其相关技术已日臻完善和商品化。其中，变量施肥机调速系统是变量施肥机的重要组成部分。主要可以分为:电控机械无级变速器型、电控液压马达型、电控步进电机型等几种调速控制方式。目前，国内外对于在电控机械无级变速器型、电控步进电机型调速控制系统方面的研究较为深入，如:美国约翰迪尔公司生产的JD-1820/1910型气力式变量施肥播种机和黑龙江八一农垦大学工程学院研制的大豆精密播种机变量施肥自控控制系统都采用了电控机械无级变速器调速系统。吉林大学生物与农业工程学院研究的变量施肥控制系统则采用了电控步进电机调速控制系统。但是在几种调速控制方式中，液压调速在:功率质量比、调速范围、稳定型、自动控制和过载保护方面具有明显优点，特别是随着与现代电子和信息技术的结合发展，液压调速技术得到了更快的发展，同时，也在农业机械中得到了大量的应用。2003年，国家农业信息技术研究中心设计的变量旋耕施肥机，其变量施肥调速系统由液压节流阀和液压马达组成，通过控制液压节流阀的开度来控制液压马达的转速实现变量施肥。2007年，吉林农业大学研制设计了由变量液压马达实现变量作业的自动变量施肥机，变量液压马达的转速与其容积成反比，系统通过控制变量液压马达的容积来实现液压马达转速控制，实现变量施肥。2002年美国CASE公司生产的2340型空气输送种肥车由电控液压马达实现变量施肥播种。调速系统由变量控制驱动器、直流伺服电动机、液压马达等组成，作业时变量控制驱动器通过控制直流伺服电动机转动使液压马达在不同的转速下转动，实现变量控制。美国Ag Leader公司生产的精确播种和施肥机以PFA作为控制器，通过控制变量液压马达实现变量播种和施肥控制控制。德国ΑΜΑΖ0ΝΕ公司开发的用于麦类作物春季追肥的实时自动变量施肥机，通过拖拉机前部安装的作物长势传感器监测作物叶绿素含量，计算出氮肥的需要量，然后通过控制液压马达的转速来实现变量施肥。国外变量施肥技术起步较早，液压调速技术应用比较成熟并已经有产品投入市场；国内在变量施肥机液压调 速技术方面的研究尚处于起步阶段，型号比较单一。随着各种液压元件的国产化和性能的提高，结合液压调速系统优点，液压调速变量施肥执行机构在变量施肥机的应用和推广中体现出了更为显著的优势。同时，液压调速技术的应用将显著提高我国农机的质量和技术含量，缩小与先进国家的技术差距，对巩固与占领国内外市场起着根本性的作用。
发明内容
当今的施肥机存在控制系统稳定性不高无法适应田间作业环境；大型化发展潜力小；运作能耗较大需要配备较多能源设备(如电瓶)；设备成本较高不便推广等问题。为克服以上问题，针对新疆地域特色，本文提出了 PLC控制液压马达变量施肥控制方案:以PLC为控制器，由液压马达驱动排肥轴作业，技术方案为:双变量施肥液压调速系统总共包括三大部分:(I)以车载计算机和闭环控制器为核心的双变量施肥控制系统；(2)基于PLC阀控液压马达双变量液压传动控制调速系统；(3)单轴双头螺杆传动双变量多参数施肥机液压执行机构。其中以车载计算机和闭环控制器为核心的双变量施肥控制系统包括有DGPS接收机、车载计算机、变量施肥闭环控制器、AD转换器、FN转换器；基于PLC阀控液压马达双变量液压传动控制调速系统由液压油源(由50拖拉机液压泵提供)、滤油器、两位两通电磁阀、溢流阀、节流阀、电液比例调速阀、比例伺服阀、液压压力表、速度传感器、比例尺、摆线液压主轴马达、开口马达等，单轴双头螺杆传动双变量多参数施肥机液压执行机构包括单轴双螺杆主轴、排肥盒、外槽轮、阻塞套和排肥舌、轴承座、轴承。其中液压调调速系统采用的是基于PLC的闭环系统，以PC机作为上位机机接收GPS定位数据，通过变量施肥控制专用软件对位置数据进行处理，并对当前位置进行网格识别，显示当前对应的专家施肥样方图、机进速度、施肥机主轴转速、槽轮工作位置以及实际施肥量等详细的信息。然后将变量施肥参数值通过PC机RS-232串行接口送到下位机PLC闭环控制器中，将施肥参数值由数字量转变为模拟量输出；再通过放大驱动器将变量信号放大，来控制电液比例调速阀的阀口开度，控制液压油的流量及其压力，从而控制摆线液压马达的转速；实现槽轮工作速度和工作长度双变量控制施肥。双变量施肥液压调速系统原理框图如图2所示。根据变量施肥机的施肥精度要求及施肥机工作原理，设计出如图1所示的液压电液比例速度调速系统原理图。其液压油路的主要动作顺序如下:启动拖拉机为整个系统提供液压油源，在进入电液比例电磁前先分别调整两位两通电磁阀IDT和2DT为系统提高两个稳定的液压油源。PLC根据接收到的命令信号不仅调整伺服比例阀电磁铁3DT两端的电压使阀芯开口保持在一定的状态，驱动开口液压马达转动，将其速度保持在10mm/s (40mm/s)实现慢速调整槽轮工作 长度和快速调整高低档转换。同时调整电液比例调速组合阀4DT两端的电压对主轴马达进行转速调整。整个调速系统中关键油路安装了液压表时刻监测工作油路的油压稳定性以便减少油路不稳定给施肥精度带来的施肥误差。其中霍尔传感器和位移传感器将采集到得主轴马达转速和槽轮工作位移实时信号传输给PLC再由PLC和上位机进行处理分析。本发明的有益效果:(I)本发明成本较低；(2)本发明提高了自动控制单元的实时性与稳定性，实现棉花自动变量施肥的精确控制；(3)大型化发展潜力大，运作能耗无需配备较多能源设备。
图1是双变量施肥机原理图；图2是双变量施肥电液调速系统原理框图；图3是液压系统油路图；图4是电液比例压力流量控制阀原理；图5是PID控制的系统转速曲线。
具体实施过程下面结合附图和本发明实施例作进一步详细地说明:参照图1，一种基于PLC+液压马达的双变量液压无级调速变量施肥系统原理为:排肥盒、外槽轮、阻塞套和排肥舌共同构成了外槽轮排肥器，用卡子固定在排肥转轴上。通过改变排肥转轴的转速和其轴向移动来实现双变量参数控制施肥。该施肥播种机的工作过程为:控制器先从GPS模块获取施肥机所在经纬度信息。同时，霍尔传感器和电子尺分别将采集到的主轴转速信息和槽轮相对位置信息传输给控制器(包括上位机和下位机)控制器接收到信息后利用PID控制算法计算出两个信息所对应的实际的施肥量，继而PID将实际施肥量与作业处方推荐的该网格的施肥量进行比较，得到所需的施肥参数值。为了提高PID计算精度在PID算法中设定了两个临界值10和100，当施肥差值在IOg以下，仅开口马达转动带动螺纹丝杆装置左右移动调节槽轮的有效工作长度。当施肥误差在IOg-1OOg之间时开口马达和主轴马达同时转动分别改变主轴转速和槽轮有效工作长度。当施肥误差在IOOg以上时控制器仅调节主轴马达转速以实现所需的排肥量。图2为变量施肥电液调速系统原理框图:液压调调速系统采用的是基于PLC的闭环系统，以PC机作为上位机机接收GPS定位数据，通过变量施肥控制专用软件对位置数据进行处理，并对当前位置进行网格识别，显示当前对应的专家施肥样方图、机进速度、施肥机主轴转速、槽轮工作位置以及实际施肥量等详细的信息。然后将变量施肥参数值通过PC机RS-232串行接口送到下位机PLC闭环控制器中，将施肥参数值由数字量转变为模拟量输出；再通过放大驱动器将变量信号放大，来控制电液比例调速阀的阀口开度，控制液压油的流量及其压力，从而控制摆线液压马达的转速；实现槽轮工作速度和工作长度双变量控制施肥。图3为液压系统油路图，其液压油路的主要动作顺序如下:启动拖拉机为整个系统提供液压油源，在进入电液比例电磁前控两位两通电磁阀IDT和2DT通电为系统提高两个不同的稳定的液压油源。PLC根据接收到的命令信号不仅调整伺服比例阀电磁铁3DT两端的电压，在不同的电压信号开口液压马达获得不同转动速度，将其速度保持在lOmm/s实现慢速调整槽轮工作长度和速度保持在40mm/s快速调整高低档转换。同时调整电液比例调速组合阀4DT两端的电压对主轴马达进行转速调整。整个调速系统中关键油路安装了液压表时刻监测工作油路的油压稳定性以便减少油路不稳定给施肥精度带来的施肥误差。其中霍尔传感器和位移传感器将采集到的主轴马达转速和槽轮工作位移实时信号传输给PLC，再由PLC和上位机进行处理分析。图4为电液比例压力流量控制阀原理:电液比例调速阀的工作原理组装设计而成的。其电液比例压力流量控制阀控制原理为电液比例压力流量控制阀通过调节压力先导阀RY两端的额定电压信号，来调节系统所需的流量，调节系统所需的流量分以下几种方式:
(I)当液压系统系统提供的压力无法打开压力先导阀时，复合阀的压力阀限定系统工作时的压力，压力先导阀RY关闭，溢流阀使比例节流阀阀口形成形成所需的压力差，为此实现了电液比例流量阀的控制功能。(2)当系统进入正常工作状况时，比例节流阀通有恒定的电压信号，比例节流阀为系统提供稳定的压力，此时仅需调节比例压力先导阀电磁阀上电信号大小就可以实现系统所需的保压压力，完成比例溢流阀的控制功能。(3)电液比例压力流量控制阀除了电控制以外还可以手动调节，手动调节时就可完成手动调节压力先导比例复合阀。图5是采用PID控制系统的转速仿真曲线:在设计的液压系统时中加入了 PID控制调节，当PID的参数选为KP = 1， KI = 200, KD = 0.06时，液压马达转速输出曲线完全可以满足精准施肥的精度要求。
权利要求
1.一种基于PLC液压马达的双变量液压无级调速变量施肥系统:液压油源由50拖拉机液压泵提供(5)，在液压油路中增设稳压油路￠)，油液经稳定油路后分别通过两位两通电磁阀(7)DT和(S)DT为工作油路提供两个不同的压力，PLC根据接收到的命令信号不仅调整伺服比例阀电磁铁(9)DT两端的电压，在不同的电压信号开口液压马达获得不同转动速度，将其速度保持在10mm/s实现慢速调整槽轮工作长度和速度保持在40mm/s快速调整高低档转换。同时调整电液比例调速组合阀(10)DT两端的电压对主轴马达进行转速调整。整个调速系统中关键油路安装了液压表时刻监测工作油路的油压稳定性以便减少油路不稳定给施肥精度带来的施肥误差。其中霍尔传感器和位移传感器将采集到的主轴马达转速和槽轮工作位移实时信号传输给PLC，再由PLC和上位机进行处理分析。
2.根据权利要求1所述的基于PLC液压马达的双变量液压无级调速变量施肥系统，其特征在于在液压油路中增设稳压油路5，油液经稳定油路后分别通过两位两通电磁阀IDT和2DT为工作油路提供两个不同的压力。
3.根据权利要求1所述的基于PLC液压马达的双变量液压无级调速变量施肥系统，其特征在于由电液比例调速阀7和比例伺服阀8分别控制主轴马达9和开口马达10转动实现双变量控制施肥。
4.根据权利要求1所述的基于PLC液压马达的双变量液压无级调速变量施肥系统，在设计的液压系统时中加入了 PID控制调节，最终仿真结果表明:当PID的参数选为KP = 1，KI = 200，KD = 0.06时，液压马达转速输出曲线完全可以满足精准施肥的精度要求。
全文摘要
本发明公开了一种基于PLC+液压马达的双变量液压无级调速变量施肥系统，包括图由排肥盒、外槽轮、阻塞套、和排肥舌、共同构成了外槽轮排肥器，用卡子固定在排肥转轴上。通过改变排肥转轴的转速和其轴向移动来实现双变量参数控制施肥，为了实现精准施肥，提高双变量施肥液压调速系统的稳定性，设计了基于PLC与液压马达的双变量液压无级调速变量施肥系统。以液压油路的稳定性和排肥槽轮机构驱动控制方法为重点，研究并建立了数学模型和仿真模型。为了更好控制施肥精度，在液压油路中增加了液压稳压环节和液压压力传感器，并根据数学模型，采用PID控制算法对传动误差进行补偿，并在不同PID控制参数下对系统进行仿真。
文档编号A01C15/00GK103168542SQ201210556148
公开日2013年6月26日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者吴金林, 张立新, 喻俊志, 王卫兵, 张家华 申请人:石河子大学