【摘要】：氮肥是影響冬小麥生長(zhǎng)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(fèi)、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(shí)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(jī)械多采用測(cè)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(zhǔn)變量施肥機(jī)的研究較少,缺乏基于作物長(zhǎng)勢(shì)的在線實(shí)時(shí)控制的變量施肥機(jī)具。因此,本文針對(duì)冬小麥拔節(jié)期增施氮肥的農(nóng)藝要求和技術(shù)指標(biāo),基于近地光譜探測(cè)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(zhǔn)變量施肥機(jī),構(gòu)建了變量施肥機(jī)智能控制系統(tǒng),并對(duì)變量施肥機(jī)具進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。本文的主要研究?jī)?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(jì)研制了相關(guān)的變量施肥機(jī)。研究了變量排肥執(zhí)行機(jī)構(gòu),采用直流電動(dòng)機(jī)控制排肥器的轉(zhuǎn)速,采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿滑軌調(diào)節(jié)排肥器的開度。變量施肥機(jī)設(shè)置了左右兩個(gè)獨(dú)立的控制單元,能夠各自實(shí)現(xiàn)排肥器轉(zhuǎn)速和開度自適應(yīng)控制,達(dá)到在線實(shí)時(shí)調(diào)整排肥量的目的。(2)研究設(shè)計(jì)了變量施肥機(jī)智能控制系統(tǒng)。采用STM32單片機(jī)作為下位機(jī),完成變量施肥作業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、分析、處理與存儲(chǔ),通過各相關(guān)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變量施肥機(jī)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(jì)開發(fā)變量施肥機(jī)人機(jī)交互界面,實(shí)現(xiàn)變量施肥參數(shù)設(shè)定、實(shí)時(shí)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(jì)原理,開發(fā)了變量施肥機(jī)配套軟件系統(tǒng)。(3)探討了變量施肥機(jī)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(zhǎng)勢(shì)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(fù)荷,提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率,試驗(yàn)確定了最佳采樣頻率為1Hz;提出了基于改進(jìn)的Ruan模型氮肥需求量?jī)?yōu)化算法,分11個(gè)等級(jí)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(shí)目標(biāo)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(gè)等級(jí)進(jìn)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(zhuǎn)速、開度下排肥量的標(biāo)定,應(yīng)用Bisquare估計(jì)穩(wěn)健回歸方法構(gòu)建排肥器排肥量的數(shù)學(xué)模型;對(duì)比了通過排肥量標(biāo)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(jī)排肥量的控制模型。分析了變量施肥機(jī)雙變量調(diào)節(jié)的控制策略,設(shè)計(jì)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(biāo)控制序列的生成規(guī)則,構(gòu)建了雙變量目標(biāo)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(biāo)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(jì)了模糊PID控制器。采用粒子群優(yōu)化算法,以ITAE準(zhǔn)則作為適應(yīng)度函數(shù)確定PID控制器3個(gè)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(yàn)表明模糊PID控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)變量施肥控制。研究分析變量施肥機(jī)的施肥位置滯后模型,并對(duì)其進(jìn)行了修正。(6)對(duì)變量施肥機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:變量施肥機(jī)測(cè)速精度高,系統(tǒng)測(cè)速誤差均值低于0.26m/s;光譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較高的魯棒性,多次測(cè)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(jī)的平均控制誤差為9.74%,控制精度可達(dá)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(jī)開展田間變量施肥試驗(yàn)。試驗(yàn)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(zhǔn)施肥的要求;變量施肥有利于改善冬小麥的群體結(jié)構(gòu),產(chǎn)量趨于均衡,而傳統(tǒng)定量施肥作業(yè)區(qū)冬小麥群體結(jié)構(gòu)差,產(chǎn)量的變異性較大;精準(zhǔn)變量施肥小區(qū)的產(chǎn)量略低于傳統(tǒng)定量施肥管理區(qū),但產(chǎn)量差異小,變量施肥能夠?qū)崿F(xiàn)冬小麥的高產(chǎn);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(chǎn)量也相應(yīng)提高;對(duì)于不同品種的冬小麥,實(shí)施變量施肥作業(yè)的效益存在差異性。
【圖文】：

，肥量在線調(diào)節(jié)，從而達(dá)到變量施肥的目標(biāo)。但是，目前國(guó)內(nèi)關(guān)于此類變量施肥機(jī)械研逡逑究較少，特別是缺乏基于作物長(zhǎng)勢(shì)的在線實(shí)時(shí)控制的變量施肥機(jī)具。因此本文針對(duì)冬逡逑小麥拔節(jié)期增施氮肥的農(nóng)藝要求和技術(shù)指標(biāo)，基于近地光譜探測(cè)技術(shù)研究開發(fā)了應(yīng)用逡逑于冬小麥拔節(jié)期的、可根據(jù)冬小麥長(zhǎng)勢(shì)空間差異性進(jìn)行按需精準(zhǔn)變量施肥的施肥機(jī)。逡逑１．２施肥機(jī)械及變量施肥技術(shù)逡逑１．２．邋１施肥機(jī)械逡逑施肥機(jī)械作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施肥作業(yè)環(huán)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)撒施肥料的類型可以分為逡逑液態(tài)肥施用機(jī)械、固體顆粒肥施用機(jī)械和廄肥撒播機(jī)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(jī)械屬于固體顆粒肥施用逡逑機(jī)械。該類施用機(jī)械又可分為全面撒施的拋撒施肥機(jī)和擁有條播的施肥機(jī)械［１３］。全面逡逑拋撒的施肥機(jī)一次性施肥面積大，，生產(chǎn)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(jī)械，由肥箱、排肥器、排肥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)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(jié)構(gòu)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(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)越來越多地被應(yīng)用到施肥機(jī)械上用于逡逑構(gòu)建施肥控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)施肥機(jī)械的智能化控制。市場(chǎng)上的變量施肥機(jī)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(jì)算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)、單片機(jī)等設(shè)備作為控制終逡逑端，采集施肥作業(yè)的相關(guān)信息，自動(dòng)調(diào)整化學(xué)肥料的施用量［１５？］。同時(shí)，變量施肥機(jī)逡逑械還裝備有定位系統(tǒng)，如ＧＰＳ、ＤＧＰＳ以及ＢＤＳ，用于識(shí)別田間作業(yè)位置１２＜Ｗ４〗。而逡逑施肥執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常采用液壓馬達(dá)系統(tǒng)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)以及伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)逡逑調(diào)節(jié)固體顆粒肥施用；采用電磁閥調(diào)整液體肥施用
【學(xué)位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O657.3;S224.2

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本文編號(hào)：2520423