山区烤烟液态肥精准施肥系统关键技术研究

摘要

农业发展水平在国民经济中起着重要作用，烤烟作为我国经济农作物，与众多农作物一样在生长过程中需要施用化肥提高烤烟产量。目前我国比较常用的化肥是固态肥，但是固态肥的有效利用率较低，将液态肥替代传统意义上的固态肥，既可提高肥效又可减少环境污染。液态肥的发展促进了液态肥施用机械的发展，目前市面上液态肥施肥机大多应用于普通平原地区，适用于山区烤烟的施肥机械较少，故针对山区地形开展烤烟精准施肥系统研究具有实际意义，本文主要研究的内容如下： （1）液态肥精准施肥系统方案研究。针对山区烤烟作物施肥需求确定总体设计原则，研究系统的整机方案。 （2）施肥系统关键部件设计与分析。首先对肥液供给装置的回路方案进行比较分析，确定采用主路节流调节回路，然后对其结构进行设计，经计算确定该装置的输肥管道管径参数；对田中支撑装置进行设计，并对软管导向梁进行优化设计，确定其尺寸参数；最后进行施肥枪结构设计和相关元器件选型，建立施肥枪控制模型。 （3）施肥通道流体特性研究与分析。计算校核系统扬程损失和管道压损，确保肥液能够成功输送至施肥枪进口；对施肥枪流体域进行Fluent仿真分析，数值验证施肥枪的设计满足出口施肥量需求。 （4）施肥枪精准控制系统硬件设计。应用Altium Designer软件工具设计单片机最小系统模块、按键输入模块、LCD显示模块、电动调节阀驱动模块及流量报警电路模块，确定精准施肥控制系统的硬件电路原理图。 （5）精准控制系统的软件设计与实现。采用PID控制方法和自适应模糊PID控制方法，以阶跃信号作为输入，在MATLAB中建立二者控制模型并进行仿真，可得出常规PID控制响应时间是0.35s，而自适应模糊PID控制的响应时间为0.15s，对比得出自适应模糊PID控制方法更优越，并根据此方法在Keil uVision中对系统的软件程序进行编程实现。 （6）试制施肥枪样机并进行施肥枪精准控制试验。经试验可得出施肥量在施肥枪施肥范围控制误差最高是4.7%，最低仅为1%，低于烟草行业要求的8%的误差，验证精准施肥控制系统的硬件和软件可行性。

目录

第1章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外液态肥施肥机的研究现状

1.2.1 国外液态肥施肥机的研究现状

1.2.2 国内液态肥施肥机的研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 研究技术路线

1.5 本章小结

第2章 液态肥精准施肥系统整体方案设计

2.1 总体设计原则

2.2 设计相关要求

2.3 整机方案设计

2.3.1 总体结构设计

2.3.2 三维模型设计

2.3.3 工作原理

2.4 本章小结

第3章 施肥系统关键部件的设计与分析

3.1 肥液供给装置的设计

3.1.1 控制回路分析与选择

3.1.2 肥液供给装置的结构设计

3.1.3 肥液供给管径的计算

3.1.4 流体元器件的选取

3.2 田中支撑装置的设计与分析

3.2.1 三脚架的设计

3.2.2 转向机构的设计

3.2.3 自动卷管器

3.2.4 支撑结构的设计

3.2.5 软管导向梁强度优化分析

3.3 施肥枪系统的设计与分析

3.3.1 施肥枪系统结构设计

3.3.2 施肥量控制模型分析

3.4 关键管道流体计算仿真分析

3.4.1 水泵扬程计算校核

3.4.2 输送管道压强损失计算

3.4.3 施肥枪流体仿真分析

3.5 本章小结

第4章 精准施肥枪控制系统硬件设计

4.1 硬件电路设计环境

4.2 精准施肥枪硬件设计方案

4.3 系统硬件模块

4.3.1 单片机最小系统模块

4.3.2 按键输入模块

4.3.3 LCD显示模块

4.3.4 电动调节阀驱动模块

4.3.5 流量报警模块

4.4 硬件电路总体实现

4.5 本章小结

第5章 精准施肥枪系统软件实现

5.1 精准施肥软件实现方案

5.2 PID控制算法设计与仿真

5.2.1 PID控制算法设计原理

5.2.2 PID控制系统仿真分析

5.3 施肥量自适应模糊PID控制设计与仿真

5.3.1 自适应模糊PID控制原理

5.3.2 自适应模糊PID控制器的设计

5.3.3 自适应模糊PID系统仿真分析

5.4 精准施肥枪系统程序实现

5.5 本章小结

第6章 施肥枪精准施肥试验与分析

6.1 试验目的

6.2 试验内容

6.2.1 施肥枪精准控制有效性试验

6.2.2 精准施肥系统流量测量试验及误差分析

6.3本章小结

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 创新点

7.3 展望

致谢

参考文献

附录

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