一种气吸滚筒式排种器的连续对穴播种控制系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种气吸滚筒式排种器的连续对穴播种控制系统及方法，包括空心轴、滚筒、绝对值编码器、驱动机构、传送带、光电传感器和控制器；本发明专利技术在对滚筒式排种器播种轨迹理论计算的基础上，提出滚筒结构的优化设计方法，以籽粒能够连续播种到穴孔中心为目标，建立穴盘输送位置与排种角度的理论模型，在育苗流水线上实时监测穴盘的输送位置和滚筒吸孔的转动位置，计算实际吸孔位置与理论排种角度的差值以及差值变化率，并将其作为输入参数，设计滚筒转速的模糊控制器，通过滚筒转速的自适应调节控制，有效解决了由于连续输送穴盘的位置波动造成的播种位置误差，提高排种器播种的位置精度，实现育苗流水线的连续对穴中心播种。

【技术实现步骤摘要】
一种气吸滚筒式排种器的连续对穴播种控制系统及方法
本专利技术属于农业机械
，尤其涉及一种气吸滚筒式排种器的滚筒转速的控制系统及方法。
技术介绍
育苗流水线是工厂化育苗生产的主要装备，完备的流水线可以一次性完成穴盘供给、铺底土、压实、播种、覆表土、淋洒水、取穴盘等多个工序。播种部件是决定育苗流水线作业性能的核心。目前，气吸式排种器主要包括针吸式、盘吸式和滚筒式三种结构，其中针吸式和盘吸式排种器的播种位置精度易于控制，但它们均属于间歇式播种，总体作业效率较低。气吸滚筒式排种器具有内部气体流场稳定、功耗低、能够实现连续播种作业、生产效率高的优点，成为国外先进高速育秧流水线主要采用的播种装置。滚筒内部通过隔板分为两个独立的内腔，一个与负压风机相连，在滚筒上部形成吸种的负压区域，另一个与正压风机相连，在滚筒底部形成排种的正压区域。工作过程中，滚筒绕固定空心轴转动，当吸孔经过种箱时，籽粒在吸孔负压差的作用下被吸附在吸孔上随滚筒一起转动；当吸附籽粒的吸孔转至正压腔时，籽粒在正压和自重的作用下落。与撒播和条播不同，穴盘育秧对排种器播种的位置精度要求更高，要求籽粒能够准确播入每穴的中心，从而有利于籽粒生根、发芽和后续移栽取苗作业。目前的流水线播种作业过程中，传送带通常以恒定速度输送穴盘，滚筒也以恒定转速转动。当出现输送带速度波动、穴盘在输送带上产生一定的滑动、连续供盘中的穴盘与穴盘衔接间隙变化等现象时，就会造成籽粒下落到穴孔位置的变化，籽粒不能落入对应穴孔的中心区域，甚至导致空穴漏播，这是制约高速气吸滚筒式育苗流水线作业性能提升的关键问题。因此，本专利技术提出一种气吸滚筒式排种器的滚筒转速自适应控制方法，以实现高速育苗流水线的连续对穴中心播种，具有重要的理论研究意义和实用价值，目前未见公开研究报道。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提出了一种气吸滚筒式排种器的连续对穴播种控制系统及方法，本专利技术主要用于高速育苗流水线气吸滚筒式排种器的连续对穴播种，通过滚筒的结构优化设计，确定理论排种角度，通过气固耦合计算出排种的籽粒运动轨迹和在输送带上的落点，确定穴盘输送位置与排种角度的理论模型。通过绝对旋转编码器测量滚筒的转速和吸孔的位置，在育苗流水线传送带上安装光电传感器来监测穴盘的输送位置。播种作业中，当光电传感器监测到穴盘时刻，计算实际吸孔位置与理论排种角度的差值以及差值变化率，并将其作为输入参数，建立滚筒转速的模糊控制器，即通过滚筒转速的自适应调节控制，使得实际排种角保持在一定范围内，从而消除由于连续输送穴盘位置的波动造成的播种位置误差，实现连续对穴中心播种。本专利技术的技术方案是：一种气吸滚筒式排种器的连续对穴播种控制系统，包括空心轴、滚筒、绝对值编码器、驱动机构、传送带、光电传感器和控制器；所述空心轴水平安装在流水线机架上，滚筒安装于空心轴，滚筒和空心轴的轴线一致；所述滚筒上加工列阵吸孔；空心轴的一端与负压风机相连，另一端与正压风机相连，空心轴中间隔断，空心轴的正压端设有垂直通管，垂直通管下方安装隔板，隔板通过弹簧预压，使隔板紧密贴合滚筒的内壁，构成密闭的正压腔，空心轴的负压端加工多个通孔，在滚筒内形成负压腔；在滚筒上安装旋转绝对值编码器，绝对值编码器用于测量滚筒的旋转状态，即每排吸孔所处的位置角，驱动机构与滚筒连接，使滚筒绕空心轴的轴线转动；所述传送带位于滚筒的下方，所述光电传感器安装在传送带上，用于检测穴盘在传送带上的输送位置；所述控制器分别与绝对值编码器、光电传感器和驱动机构连接。上述方案中，所述驱动机构包括链条、步进电机和步进电机驱动器；所述滚筒上安装链轮，链轮通过步进电机驱动和链条传动，步进电机和步进电机驱动器连接，步进电机驱动器和控制器连接。上述方案中，还包括显示器；所述显示器与控制器连接。一种根据所述气吸滚筒式排种器的连续对穴播种控制系统的方法，包括以下步骤：通过对所述滚筒的结构优化设计，确定排种角θ0和隔板与滚筒的接触高度h；建立滚筒转速和穴盘输送速度的匹配关系；确定穴盘输送位置与排种角度的理论模型；根据所述穴盘输送位置与排种角度的理论模型，记录光电传感器检测到穴盘的时间，通过绝对值编码器测量滚筒上相应的吸孔实际角度，计算滚筒的排种角偏差和偏差变化率，排种角偏差和偏差变化率作为输入量，控制器内部建立滚筒转速的模糊控制器，即滚筒转速的调节控制模型；所述控制器根据滚筒转速和穴盘输送速度的匹配关系，设定输送带速度和滚筒转速，控制器实时采集绝对值编码器和光电传感器的输出信号，并根据滚筒转速的调节控制模型计算滚筒的转速，得控制器控制驱动机构调节滚筒的转速，使得实际排种角保持在设定范围内。上述方案中，所述滚筒的结构优化设计包括以下步骤：设计不同尺寸的隔板，以获得不同的排种角θh，分别建立完整的滚筒式排种器三维结构模型，采用DEM\CFD的气固耦合方法，理论计算设定转速和正、负压差下的籽粒下落轨迹，记理论落点位置为P0，设定滚筒的转速ω、正压差p+和负压差p-在Δω，Δp+和Δp-范围内波动，重复计算籽粒下落轨迹和落点位置Pi，计算落点位置Pi和P0的偏差δi；拟合建立播种位置偏差δi与滚筒的转速ω、正压差p+和负压差p-的数学模型，记为δi＝f(ω,p+,p-)，进行偏导数计算其中a1、a2和a3为设定的权重系数，在不同的排种角θh下分别计算所对应的k，建立k与θh的拟合函数，以k值最小为目标，确定排种角θ0和隔板与滚筒的接触高度h。上述方案中，建立滚筒转速和穴盘输送速度的匹配关系包括以下步骤：设所述穴盘的输送速度为v，穴盘的穴孔中心距为l，滚筒上吸孔的夹角为α，则滚筒的转速应满足ω0＝α·v/l，即穴盘输送速度v与滚筒转速ω0的匹配关系。上述方案中，确定穴盘输送位置与排种角度的理论模型包括以下步骤：在所述穴盘输送速度与滚筒转速的匹配关系ω0＝α·v/l和优化确定的排种角θ0条件下，理论计算得到籽粒从排种位置A下落到穴孔水平位置的所需时间为Δt，籽粒落到穴孔中心的条件为Δt＝(L+l/2)/v，即穴盘输送位置与排种角度θ0的理论模型，式中，l为穴盘的穴孔中心距，L为光电传感器安装位置与滚筒轴线的水平距离。上述方案中，滚筒转速的调节控制模型的建立包括以下步骤：记所述光电传感器检测到穴盘的时间为t0，通过绝对值编码器测量滚筒上相应的吸孔实际角度θt，根据穴盘输送位置与排种角度的理论模型，计算滚筒排种角偏差e＝Δθ＝θt-θ0和偏差变化率ec＝de/dt，将e和ec作为输入量，建立单变量二维模糊控制算法，输出滚筒转速的调整值Δω，即滚筒转速的调节控制模型。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术在对滚筒式排种器播种轨迹理论计算的基础上，提出滚筒结构的优化设计方法，以籽粒能够连续播种到穴孔中心为目标，建立穴盘输送位置与排种角度的理论模型，在育苗流水线上实时监测穴盘的输送位置和滚筒吸孔的转动位置，计算实际吸孔位置与理论排种角度的差值以及差值变化率，并将其作为输入参数，设计滚筒转速的模糊控制器，通过滚筒转速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气吸滚筒式排种器的连续对穴播种控制系统，其特征在于，包括空心轴(1)、滚筒(4)、绝对值编码器(8)、驱动机构、传送带(15)、光电传感器(17)和控制器(22)；/n所述空心轴(1)水平安装在流水线机架上，滚筒(4)安装于空心轴(1)，滚筒(4)和空心轴(1)的轴线一致；所述滚筒(4)上加工列阵吸孔；空心轴(1)的一端与负压风机相连，另一端与正压风机相连，空心轴(1)中间隔断，空心轴(1)的正压端设有垂直通管(11)，垂直通管(11)下方安装隔板(10)，隔板(10)通过弹簧(12)预压，使隔板(10)紧密贴合滚筒(4)的内壁，构成密闭的正压腔，空心轴(1)的负压端加工多个通孔，在滚筒(4)内形成负压腔；在滚筒(4)上安装旋转绝对值编码器(8)，绝对值编码器(8)用于测量滚筒(4)的旋转状态，即每排吸孔所处的位置角，驱动机构与滚筒(4)连接，使滚筒(4)绕空心轴(1)的轴线转动；所述传送带(15)位于滚筒(4)的下方，所述光电传感器(17)安装在传送带(15)上，用于检测穴盘(16)在传送带(15)上的输送位置；/n所述控制器(22)分别与绝对值编码器(8)、光电传感器(17)和驱动机构连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种气吸滚筒式排种器的连续对穴播种控制系统，其特征在于，包括空心轴(1)、滚筒(4)、绝对值编码器(8)、驱动机构、传送带(15)、光电传感器(17)和控制器(22)；
所述空心轴(1)水平安装在流水线机架上，滚筒(4)安装于空心轴(1)，滚筒(4)和空心轴(1)的轴线一致；所述滚筒(4)上加工列阵吸孔；空心轴(1)的一端与负压风机相连，另一端与正压风机相连，空心轴(1)中间隔断，空心轴(1)的正压端设有垂直通管(11)，垂直通管(11)下方安装隔板(10)，隔板(10)通过弹簧(12)预压，使隔板(10)紧密贴合滚筒(4)的内壁，构成密闭的正压腔，空心轴(1)的负压端加工多个通孔，在滚筒(4)内形成负压腔；在滚筒(4)上安装旋转绝对值编码器(8)，绝对值编码器(8)用于测量滚筒(4)的旋转状态，即每排吸孔所处的位置角，驱动机构与滚筒(4)连接，使滚筒(4)绕空心轴(1)的轴线转动；所述传送带(15)位于滚筒(4)的下方，所述光电传感器(17)安装在传送带(15)上，用于检测穴盘(16)在传送带(15)上的输送位置；
所述控制器(22)分别与绝对值编码器(8)、光电传感器(17)和驱动机构连接。


2.根据权利要求1所述的气吸滚筒式排种器的连续对穴播种控制系统，其特征在于，所述驱动机构包括链条(20)、步进电机(21)和步进电机驱动器(24)；
所述滚筒(4)上安装链轮(2)，链轮(2)通过步进电机(21)驱动和链条(20)传动，步进电机(21)和步进电机驱动器(24)连接，步进电机驱动器(24)和控制器(22)连接。


3.根据权利要求1所述的气吸滚筒式排种器的连续对穴播种控制系统，其特征在于，还包括显示器(23)；所述显示器(23)与控制器(22)连接。


4.一种根据权利要求1-3任意一项所述气吸滚筒式排种器的连续对穴播种控制系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过对所述滚筒(4)的结构优化设计，确定排种角θ0和隔板(10)与滚筒(4)的接触高度h；建立滚筒(4)转速和穴盘(16)输送速度的匹配关系；确定穴盘输送位置与排种角度的理论模型；根据所述穴盘输送位置与排种角度的理论模型，记录光电传感器(17)检测到穴盘(16)的时间，通过绝对值编码器(8)测量滚筒(4)上相应的吸孔实际角度，计算滚筒(4)的排种角偏差和偏差变化率，排种角偏差和偏差变化率作为输入量，控制器(22)内部建立滚筒转速的模糊控制器，即滚筒转速的调节控制模型；所述控制器(22)根据滚筒(4)转速和穴盘(16)输送速度的匹配关系，设定输送带速度和滚筒转速，控制器(22)实时采集绝对值编码器(8)和光电传感器(17)的输出信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵湛，周悦，周静，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32