粉状有机肥预填充车速自适应流量闭环撒施方法及装置

本发明涉及农业机械，特别是一种粉状有机肥预填充车速自适应流量闭环撒施方法及装置。

背景技术：

1、粉状有机肥由于含水率较高、黏结力强、流动性差，在撒施过程中极易出现架空结拱、堵塞及输送不均匀等问题，对撒施装备的设计提出了特殊要求。

2、目前，有机肥撒施装备主要分为两大类。一类是机械式撒肥机，在肥箱底部设置链式输送机构或螺旋输送机构将肥料输送至排肥口，再通过抛撒装置完成撒施。此类设备结构简单、成本较低，但普遍采用手动分档调速或固定转速驱动，输送连续性差、调速范围小且不精确，撒肥均匀性难以保证。另一类是变量施肥控制系统，现有变量施肥或施药控制多针对液态罐车、变量喷雾稳压或颗粒肥料的精准施用，通常采用闸阀/调节阀开度pid控制、排肥口高度与排肥转速联控、导航处方查表或压力稳压等方式。上述方案可为流量反馈和随速控制提供参考，但其控制对象、作业场景和物料状态与粉状有机肥宽幅撒施存在显著差异。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种粉状有机肥预填充车速自适应流量闭环撒施方法及装置，实现撒施量和撒施均匀性的协同控制，提高了粉状有机肥的撒施效率和撒施均匀性。

2、本发明的技术方案是：一种粉状有机肥预填充车速自适应流量闭环撒施方法，其中，包括以下步骤：

3、s1、系统初始化；

4、s2、设定目标撒施量参数；

5、s3、撒肥机构展开至水平工作位置；

6、s4、预填充作业，实现肥料在撒肥机构的腔体内的堆积；

7、s5、检测到装置前进信号后，驱动供肥部和变螺距螺旋输送机以作业速度运转，同时将落肥口开启至预设开度，开始撒施作业；

8、供肥部用于将肥料从肥箱输送至撒肥机构，肥箱的后端底部的出肥口处设有沿竖直方向设置的肥箱挡肥板，通过改变肥箱挡肥板的位置控制出肥口的开度大小；

9、变螺距螺旋输送用于将肥料输送至落肥口，落肥口处设有落肥口挡板，通过落肥口挡板调节落肥口的开度大小；

10、s6、在撒施作业过程中，实时检测机具前进速度，根据机具前进速度和目标撒施量确定目标撒施质量流量，并相应调节供肥部和变螺距螺旋输送机的运行速度，plc执行预填充—车速自适应—流量闭环的三阶段控制算法，实现撒施量和撒施均匀性的协同控制；

11、s7、将撒肥机构收起至折叠位置，关闭肥箱出肥口和落肥口，停止供肥装置和变螺距螺旋输送机，装置复位；

12、步骤s6的具体的过程如下所述：

13、s6.1、以预填充作业形成的初始装料状态作为后续车速自适应调节和流量闭环修正的控制初始条件；

14、s6.2、车速自适应调节：根据机具前进速度、目标亩施量和整机有效撒施作业幅宽，计算整机目标撒施质量流量，根据目标撒施质量流量确定供肥部目标转速和单侧变螺距螺旋输送机目标转速，并以预设车速－前馈控制参数映射表中的标定参数作为前馈控制基准；

15、s6.3、流量闭环修正：比较固体流量传感器反馈的实际供入撒肥机构的总质量流量与步骤s6.2得到的目标撒施质量流量，计算流量偏差和相对流量偏差,并根据相对流量偏差绝对值执行分区域控制：

16、当时进入大偏差区域，以供肥部目标转速和变螺距螺旋输送机目标转速为前馈基准，根据相对流量偏差对二者进行比例反馈修正，得到供肥部命令转速和变螺距螺旋输送机命令转速：

17、，

18、，

19、其中，表示第个控制周期的供肥部命令转速；表示第个控制周期的单侧变螺距螺旋输送机命令转速；表示供肥部转速的限幅函数；表示第个控制周期由车速自适应调节确定的供肥部目标转速；表示第个控制周期实际总质量流量与目标撒施质量流量之间的流量偏差；表示单侧变螺距螺旋输送机转速的限幅函数；表示第个控制周期由车速自适应调节确定的单侧变螺距螺旋输送机目标转速；

20、比例反馈增益和满足：

21、，

22、其中，m表示变螺距螺旋输送机数量;表示单侧螺旋单转理论输送容积；表示变螺距填充修正系数；表示供肥装置单转容积系数；

23、当时进入小偏差区域，调节肥箱出肥口和落肥口开度；当时进入稳态区域，更新预设车速－前馈控制参数映射表。

24、本发明中，步骤s6.2的具体实现过程如下所述：

25、在撒施作业过程中，实时接收转速传感器反馈的地轮转速信号，计算当前机具前进速度即车速：

26、，

27、其中，为地轮直径，单位为m；为地轮转速，单位为r/min；

28、预设车速－前馈控制参数映射表在标准工况下通过撒施标定试验建立，记录不同车速对应的供肥部前馈目标转速、单侧变螺距螺旋输送机前馈目标转速、肥箱出肥口前馈初始开度、落肥口前馈初始开度，形成车速与前馈控制参数之间的映射关系；预设车速－前馈控制参数映射表以数据表形式存储于plc内存中，plc根据当前车速通过线性插值获得对应的前馈控制参数；

29、根据当前机具前进速度 v、目标亩施量 q 、整机有效撒施作业幅宽 b，计算整机目标撒施质量流量 q，单位为kg/h;

30、，

31、，

32、其中，表示单侧撒肥机构的目标质量流量，单位为kg/h;

33、根据整机目标撒施质量流量计算供肥部目标转速和变螺距螺旋输送机目标转速，输出控制信号至相应液压马达，使供肥量和输送速度与车速初步匹配，供肥部目标转速为：

34、，

35、其中，表示粉状有机肥堆积密度；

36、变螺距螺旋输送机目标转速为：

37、，

38、根据供肥部目标转速和变螺距螺旋输送机目标转速，二者满足以下结构耦合关系：

39、。

40、步骤s6.3的具体的过程如下所述：

41、在车速自适应调节的基础上，实时接收固体流量传感器反馈的实际供入撒肥机构的总质量流量 ，计算流量偏差，以及相对流量偏差，根据相对流量偏差大小执行分区域控制策略：

42、a、时，为大偏差区域，其中，第一相对偏差阈值的取值范围为0.15～0.25；当时，降低供肥部转速和/或变螺距螺旋输送机转速；当时，实际流量偏小时，提高供肥部转速和/或变螺距螺旋输送机转速；

43、b、时，为小偏差区域，其中第二相对偏差阈值取值范围为0.03～0.08;

44、同步调节改变肥箱出肥口开度的直流减速电机和改变落肥口开度的直流电推杆；

45、当时，减小出肥口和落肥口的开度；当时，增大出肥口和落肥口的开度；

46、在小偏差区域，对出肥口开度和落肥口开度采用积分调节：

47、

48、，

49、其中，表示肥箱出肥口开度积分增益；表示撒肥装置落肥口开度积分增益；表示第控制周期的相对流量偏差；表示控制周期；表示第个控制周期的肥箱出肥口命令开度；表示第个控制周期的肥箱出肥口命令开度；表示第个控制周期的落肥口命令开度；表示第个控制周期的落肥口命令开度；表示肥箱出肥口开度限幅函数；表示落肥口开度限幅函数；

50、c、时，为稳态区域；

51、当连续若干控制周期内稳定收敛于以内时，按照下式更新预设车速－前馈控制参数映射表：

52、，

53、其中，表示当前车速对应的更新后的前馈控制参数；表示当前车速对应的更新前的前馈控制参数；表示流量闭环稳定后的前馈参数修正量；表示学习率，；

54、，

55、其中，表示供肥部稳态命令转速相对于供肥部前馈目标转速的修正量；表示单侧变螺距螺旋输送机稳态命令转速相对于其前馈目标转速的修正量；表示肥箱出肥口稳态开度相对于其前馈初始开度的修正量；表示落肥口稳态开度相对于其前馈初始开度的修正量。

56、本技术还公开了一种用于实现上述粉状有机肥预填充车速自适应流量闭环撒施方法的撒施装置，其中，包括：

57、肥料装载机构，设置在车架的中部，包括肥箱，肥箱的后端底部设有出肥口，肥箱的底部设有沿肥箱的前后方向延伸的供肥部，供肥部将肥料输送至出肥口处，出肥口处设有沿竖直方向滑动的肥箱挡肥板；

58、撒肥机构，车架的后部转动连接有两个对称设置的撒肥机构，撒肥机构的进料端位于出肥口的下方，撒肥机构包括撒肥机构外壳，撒肥机构的后侧下部沿其长度方向间隔设有数个落肥口，落肥口处设有活动的落肥口挡板，撒肥机构外壳内设有沿撒肥机构外壳的长度方向延伸的变螺距螺旋输送机；

59、供肥部液压马达的输出轴与供肥部后端的链轴传动连接，撒肥机构液压马达的输出轴与变螺距螺旋输送机的输送轴传动连接，车架的底部设有地轮，靠近地轮轴的位置处设有转速传感器，供肥部液压马达、撒肥机构液压马达、转速传感器分别与控制机构电连接。

60、供肥部包括：

61、沿肥箱的前后两端设置的链轴；

62、链条，缠绕在前、后两链轴上；

63、供肥链板，其沿链条的长度方向间隔设置，相邻两供肥链板之间形成肥料承载槽。

64、肥箱挡肥板与直流减速电机的输出轴传动连接，肥箱挡肥板在出肥口处沿竖直方向上下滑动；

65、出肥口与撒肥机构的进料端之间设有集料斗。

66、变螺距螺旋输送机包括输送轴和沿输送轴的轴向设置的四段双螺旋叶片，各段双螺旋叶片的螺距从进料端向出料端按相邻段螺距差值恒定递减；变螺距螺旋输送机的输送轴通过轴承转动安装于撒肥机构外壳内。

67、撒肥机构外壳的朝向肥箱的前侧面处固定有支撑座，支撑座呈倾斜设置；

68、支撑座朝向撒肥机构进料端的一侧与折叠支座通过销轴铰接，支撑座的远离撒肥机构进料端的一侧与折叠驱动液压杆铰接，折叠驱动液压杆的另一端与液压杆支座铰接；

69、工作状态下，撒肥机构呈水平状态设置在车架的后部；当装置处于未工作状态时，撒肥机构呈倾斜状态设置在肥箱的外侧。

70、本发明的有益效果是：

71、（1）本技术通过预填充－车速自适应－流量闭环三阶段控制算法，实现根据车速和设定施肥量的闭环自适应控制：预填充为车速自适应提供稳定初始条件，车速自适应为流量闭环提供前馈基准，流量闭环将稳态修正量回写映射表，使变螺距螺旋、三段拟合落肥口和plc 控制在控制律层面形成耦合，区别于固定映射、单一pid 或简单同步调节方式；

72、（2）本技术通过预填充－肥量控制的时序配合，改善了传统撒肥机启动作业时前段撒施量不足的问题：预填充在落肥口关闭状态下完成，保证了变螺距螺旋输送机在正式撒施开始时具备连续供料条件；

73、（3）本技术通过采用变螺距螺旋输送机设计，撒施均匀性显著提升：通过三段拟合线性落肥口开口设计使落肥量沿输送方向的分布与螺旋推送能力相匹配；通过四段相邻段螺距差值恒定变螺距设计使肥料在螺旋通道内保持均匀填充率，改善传统撒肥机可能存在的前段堆积、后段稀疏问题；

74、（4）本技术的撒肥机构采用折叠式设计，通过折叠驱动液压杆实现撒肥机构的快速展开和折叠收纳：在伸出状态下，撒肥机构被支撑至水平工作位置进行撒施作业；在缩回状态下，撒肥机构向车架方向折叠至倾斜收纳位置，有效减小了整机宽度和高度，提高了运输通过性和非作业状态下的道路适应性。