精密播种单体播深控制的理论与试验研究
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摘要
精密播种技术已成功应用于多种作物的种植，是农业增产、增收和降低粮食生产成本的重要措施之一。精密播种技术要求播种量精确、株距精确及播深精确，从而保证种子在田间的合理分布，为作物生长发育创造最佳的条件。精密播种过程是由仿形、开沟、施肥、播种、覆土、镇压等多种工作部件配合完成的一个复杂过程，其田间指标要求高，任何环节都可能影响其最终的精确度。目前多数学者的研究集中在精密播种理论和各种排种器的研发上，并开发出了气吸式、气吹式、勺式等多种精密排种装置，实现了播量的精确。但是播深和株距的形成是由仿形、开沟、覆土、镇压等多个部件共同完成，并与种沟的土壤状况密切相关，任何一个环节可能都会影响种子在土壤中的最终分布状态，种子的播深一致性和覆盖质量对种子出苗和作物产量有着重要影响，因此精密播种机的播深一致性和覆土质量将决定着播种质量的优劣。然而由于对影响播深精确的仿形装置和开沟装置缺乏深入系统的研究，使得田间实际播深达不到最佳状态。
本文以影响播深控制的精密播种机仿形机构为研究对象，运用机构学、动力学、土壤流变学等知识，通过试验研究土壤下陷量与时间关系，进而确定了旱田土壤的流变模型和流变参数，建立了土壤下陷量与相关参数的回归模型，并将土壤流变模型引入平行四杆式精密播种单体的动力学分析中，建立了平行四杆式仿形机构开沟深度变化的数学模型，采用Matlab软件进行了开沟深度的计算机仿真，分析了影响开沟深度的参数和变化规律，找出开沟深度稳定性的影响因素。应用Pro/E软件的参数化设计功能，建立精密播种机三维参数化模型库，利用ADAMS软件对建立的平行四杆式精密播种单体的仿形机构进行了结构参数的优化设计和运动仿真模拟，进行了仿形机构开沟深度的分析和室内的开沟深度性能试验，试验结果与仿真结果变化趋势一致，最大误差小于23%，表明本文所建立的开沟深度数学模型的正确性和仿真分析方法的可靠性。最后，为满足大型精密播种机对播深的精确控制，研制了一种由平行四杆机构与电液自动仿形系统结合的精密播种单体，对仿形传感装置、仿形控制器、液压系统进行了设计。利用Simulink软件对建立的液压系统模型进行了仿真。通过机械仿形和电液仿形的田间对比试验，表明在仿形精度上电液自控仿形式明显优于机械式仿形，实现了播深的精确控制，为提高大型精密播种机的自动化程度提供了技术参考。
本文是高等学校博士学科点专项科研基金（20040183024）和吉林省科技发展计划项目（200405045）、国家现代农业产业技术体系建设专项资金（CARS-01-33）的部分内容，其主要研究成果如下：
（1）通过土壤的单轴压缩试验，观察土壤承载后变形与时间的关系曲线，选择了四元件Burgers模型来描述土壤流变特性，并得到了土壤变形量与时间的方程为：
通过方程可知，土壤的下陷变形主要由瞬时下陷、延迟下陷和稳定蠕变三部分组成。方程也表明松散土壤的下陷变形与时间有关，且为非线性的。在此基础上，采用试验法测定了镇压力为400N、600N、800N，土壤含水率为16%、18%、20%的条件下的土壤流变曲线，通过数值模拟得到在不同试验条件下的土壤流变参数，进而确定了对应条件下的土壤流变模型。
（2）为了获取土壤下陷量与影响因素之间的关系，选择含水率、镇压强度、作业速度为影响因素，通过响应面优化设计试验方案，得到了土壤的下陷量与相关因素的回归拟合方程：
从回归模型可以得出，土壤的下陷量与镇压强度、含水率、作业速度呈非线性关系，影响下陷量的主要因素是镇压强度，其次是土壤含水率，而作业速度与下陷量呈负相关，但影响极小。从回归模型可更直观地分析相关因素与下陷量的影响关系。
（3）以平行四杆仿形式精密播种机单体为研究对象，引入土壤流变参数，建立了精密播种单体开沟深度的数学模型。
模型表明，播种单体仿形过程中为线性单自由度阻尼振动系统，系统的稳定与地表几何特征、播种单体的结构参数以及土壤的力学性质有关，式中的K2、η2分别是Burgers模型中的弹簧刚度系数和阻尼系数，A是与瞬时下陷量和延迟下陷量有关的变形系数，可以通过土壤下陷量回归模型计算得到。利用Matlab软件对开沟深度进行模拟仿真，分析了影响精密播种单体的仿形、开沟稳定性的因素，获得了较优的参数组合。
（4）应用Pro/E软件的参数化设计功能，构建精密播种机零部件的三维参数化模型库，建立了不同形式的播种单体三维实体模型，以开沟深度为目标，利用ADAMS软件对平行四杆式精密播种单体仿形机构进行了结构参数的优化设计和运动仿真模拟，得到最优参数值：平行四杆长450mm，仿形轮配置在开沟器前面距离300mm时，开沟稳定性能够满足设计要求。
（5）进行了仿形机构开沟深度的分析和室内的开沟深度性能试验，试验结果与仿真结果变化趋势一致，最大误差小于23%，表明本文所建立的开沟深度数学模型的正确性和仿真分析方法的可靠性。
（6）研制了平行四杆机构与电液自动仿形系统相结合的精密播种单体，对所需的仿形装置、传感装置、仿形控制器、液压系统进行了设计。建立了液压系统的仿真模型，利用Simulink软件对液压系统的运动进行了仿真，通过试验研究，仿真值和试验值基本吻合，最大误差为16.4%，满足了设计要求，从而验证了模型的正确性。对电液自控式和机械式两种不同仿形播种单体进行了田间对比试验。田间试验结果表明，在仿形精度上电液自控仿形式明显优于机械式仿形，满足了对播深精确控制要求，提高了大型精密播种机的自动化程度。
本文所进行的理论研究、试验研究、计算机仿真等研究成果为精密播种机的研制及农机系统建模与仿真设计提供了新的思路和方法，对丰富精密播种理论，发展精密播种技术具有重要意义。
Precision seeding technology has been successfully applied to a variety of crops， and itis one of the important measures to increase the agricultural production and income， andreduce the cost of grain production. Precision seeding technology includs accurate seedingrate， precise rows space and sowing depth， so as to ensure the reasonable distribution ofseed in the field，and create the best conditions for crop growth and development. Precisionseeding process is make up of profiling，ditching，applying fertilizer，sow，cover earth，rolling and so on， the many kinds of working parts cooperated to complete a complexprocess， and its demand of field index is accurate， any link may affect the final accuracy.At present most scholars’ study focused on precision seeding theory and development ofvarious seeding apparatus， and many kinds of precision seeding apparatus had beendeveloped for example gas suction，gas blowing，scoop types and so on，and the accuratesowing amount had been realized. But sowing depth and row spaces are formed byprofiling， furrowing， covering， suppressing， and closely related to the soil conditionof seed groove. All parts may influence the seeds final distribution state in the soil.Consistency of sowing depth and quality of covering seeds had important effects on theseeds emergence and the crop yield， so precision seeder’s consistency of sowing depth andquality of covering seeds decided sowing quality is ok or not. However， lacking ofthorough and systematic research of influence to sowing depth accurate profile and ditchdevice， the actual sowing depth had been less than the best condition.
This paper researched precision seeder profiling mechanism that influences sowing depthcontrol， by using mechanisms and dynamics， soil rheology， and by testing therelationship of soil subsidence quantity and time， then defined the dry farmland soilrheological model and rheological parameters， established the regression model about soilsubsidence quantity and related parameters. Introduced the soil rheological model intodynamics analysis about parallel four-bar type precision seeding unit， established amathematical model of ditching depth changes about parallel four-bar profiling mechanism.Used Matlab software to simulate ditch depth， analyzed the parameter that could effectditch depth and its variation rule， found out the effecting factors on the stability of ditchdepth.By using parametric design function of Pro/E software to establish3D parametricmodel database of precision seeder，and used ADAMS software to optimize structureparameters design and simulate motion of parallel four-bar precision seeding monomerprofiling mechanism what had been built，analyzed ditch depth of profiling mechanism andtested the stability of ditch depth indoor，the results of simulation and experiment were verysimilar. At last developed a kind of precision seeding unit that combined parallel four-bar profiling mechanism with electric-hydraulic automatic controlled profiling system in orderto satisfy accuracy of sowing depth control in large-sized precision seeder， designed theprofiling sensing device， profiling controller， hydraulic system，etc. Simulated thehydraulic system model which had been established by using Simulink software， andverified the accuracy of model through the test. Field test showed that， electronic-hydrauliccontroled profiling form was obviously superior to mechanical profiling in profilingaccuracy，it realized accurately sowing depth control， provided technical reference toimprove the automation degree of the large precision seeder.
This paper is parts of university Specialized Research Fund for the Doctoral Program ofHigher Education20040183024)，Science and Technology Development Program of JiLinProvince (200405045)，Construction of National Modern Agriculture Industrial TechnologySystem Specialized Fund (CARS-01-33)， its main content and research conclusions asfollows:
（1）By the test of uniaxial compression to soil， observed the deformation curve aftersoil being beard related to time variation， selected four-element Burgers model to describerheological characteristics of soil， and obtained the equation for soil deformation related totime variation:
by the equation，it was known that soil subsidence deformation is mainly composed ofthree parts that are instantaneous subsidence， time-delay subsidence and stable creep. Thequation also suggested that subsidence deformation of loose soil related to time， and it wasnonlinear. Based on this theory，got the soil rheological curve under the condition that townpressure was400N，600N，800N， and soil moisture content was16%，18%，20%，by the way of experiment. Got soil rheological parameter at different experiment conditionsby the way of the numerical simulation， and determined soil rheological model under thecorresponding conditions.
（2）In order to obtain the relationship between soil subsidence quantity and influencefactors， selected the moisture content， suppression strength and operation speed asinfluence factors， obtained the regression equation as follows of soil subsidence quantityand the related factors by optimized the test scheme of response surface design：
It can be concluded from the regression model that the relationship between soil subsidence quantity and suppression strength， moisture content， operation speed wasnonlinear. The main influence factor to subsidence quantity was suppression strength，followed by soil moisture content. Though only a little effect， the operation speed wasnegatively correlated to subsidence quantity. The influence relation between correlationfactors and soil cave in quantity could be analyzed more intuitively by this regressionmodel.
（3）Researched parallel four-bar profiling precision seeder monomer as the object，introduced soil rheological parameter，established mathematical model of precision seedingmonomer’s sowing depth:
This model showed that profiling process of sowing monomer was linear single freedegree damping vibration system， the system’s stability was related to geometriccharacteristics of field surface，structure parameters of sowing monomer and mechanicsproperties of soil. K2and η2are spring stiffness coefficient and damping coefficient， A isdeformation coefficient related to instantaneous subsidence quantity and time-delaysubsidence quantity， it could be calculated by using of the soil subsidence quantityregression model. One better combined parameter obtained after analyzed the influencefactors of precision seeding monomer profiling， ditching stability， and simulated ditchingdepth by using Matlab software.
（4）By the function of Pro/E software parametric design，constructed the3D parametricmodel base of precision seeder parts， established a different forms of seeder monomerentity model in3D. Ditching depth as a target， Based on the structure parametersoptimization design and movement simulation of parallel four-bar precision seedingmonomer profiling institutions， obtained the most optimal parameter value by using theADAMS software: If the length was450mm for parallel four-bar， and the distance was300mm from preposed profiling wheel to opener， ditching stability could satisfy the designrequirement.
（5）The test results and the profiling results were similar after the research of ditchingdepth stability indoor. Verified correctness of dynamic model what the seeding monomerhad been established and reliability of the simulation analysis method.
Analyzed ditch depth of profiling mechanism and tested the stability of ditch depthindoor，the variation trend of the simulation and experiment results were very similar，andthe largest error was less than23%，verified the stability of mathematics model for ditchdepth was correct and the simulation analysis method was reliable in this paper.
（6）Developed the precision seeding monomer that combined parallel four-bar mechanism and electric-hydraulic controlled profiling system. Designed the requiredprofiling device， sensing device， profiling controller， hydraulic system， established thesimulation model of hydraulic system. Simulated the movement of the hydraulic systemby using Simulink software. According to the test results， the simulation value andexperimental results was similar， the maximum error was16.4%，which met the designrequirements and verified the correctness of the model. Comparative test was done betweenthe two different profiling sowing monomer， electric hydraulic automatic and mechanicalprofiling seeding monomer in the field，and the results showed that electro-hydraulicautomatic profiling form is obviously superior to the mechanical profiling form at profilingaccuracy， and satisfied accuracy control of sowing depth， improved automation degree ofthe large precision seeder.
The research conclusions in this paper about theory， experiment and computersimulation provided a new train of method for development precision seeder and formodeling and profiling design agricultural machinery system. Its significance was importantto enrich precision seeding theory and develop precision seeding technology.
本文以影响播深控制的精密播种机仿形机构为研究对象，运用机构学、动力学、土壤流变学等知识，通过试验研究土壤下陷量与时间关系，进而确定了旱田土壤的流变模型和流变参数，建立了土壤下陷量与相关参数的回归模型，并将土壤流变模型引入平行四杆式精密播种单体的动力学分析中，建立了平行四杆式仿形机构开沟深度变化的数学模型，采用Matlab软件进行了开沟深度的计算机仿真，分析了影响开沟深度的参数和变化规律，找出开沟深度稳定性的影响因素。应用Pro/E软件的参数化设计功能，建立精密播种机三维参数化模型库，利用ADAMS软件对建立的平行四杆式精密播种单体的仿形机构进行了结构参数的优化设计和运动仿真模拟，进行了仿形机构开沟深度的分析和室内的开沟深度性能试验，试验结果与仿真结果变化趋势一致，最大误差小于23%，表明本文所建立的开沟深度数学模型的正确性和仿真分析方法的可靠性。最后，为满足大型精密播种机对播深的精确控制，研制了一种由平行四杆机构与电液自动仿形系统结合的精密播种单体，对仿形传感装置、仿形控制器、液压系统进行了设计。利用Simulink软件对建立的液压系统模型进行了仿真。通过机械仿形和电液仿形的田间对比试验，表明在仿形精度上电液自控仿形式明显优于机械式仿形，实现了播深的精确控制，为提高大型精密播种机的自动化程度提供了技术参考。
本文是高等学校博士学科点专项科研基金（20040183024）和吉林省科技发展计划项目（200405045）、国家现代农业产业技术体系建设专项资金（CARS-01-33）的部分内容，其主要研究成果如下：
（1）通过土壤的单轴压缩试验，观察土壤承载后变形与时间的关系曲线，选择了四元件Burgers模型来描述土壤流变特性，并得到了土壤变形量与时间的方程为：
通过方程可知，土壤的下陷变形主要由瞬时下陷、延迟下陷和稳定蠕变三部分组成。方程也表明松散土壤的下陷变形与时间有关，且为非线性的。在此基础上，采用试验法测定了镇压力为400N、600N、800N，土壤含水率为16%、18%、20%的条件下的土壤流变曲线，通过数值模拟得到在不同试验条件下的土壤流变参数，进而确定了对应条件下的土壤流变模型。
（2）为了获取土壤下陷量与影响因素之间的关系，选择含水率、镇压强度、作业速度为影响因素，通过响应面优化设计试验方案，得到了土壤的下陷量与相关因素的回归拟合方程：
从回归模型可以得出，土壤的下陷量与镇压强度、含水率、作业速度呈非线性关系，影响下陷量的主要因素是镇压强度，其次是土壤含水率，而作业速度与下陷量呈负相关，但影响极小。从回归模型可更直观地分析相关因素与下陷量的影响关系。
（3）以平行四杆仿形式精密播种机单体为研究对象，引入土壤流变参数，建立了精密播种单体开沟深度的数学模型。
模型表明，播种单体仿形过程中为线性单自由度阻尼振动系统，系统的稳定与地表几何特征、播种单体的结构参数以及土壤的力学性质有关，式中的K2、η2分别是Burgers模型中的弹簧刚度系数和阻尼系数，A是与瞬时下陷量和延迟下陷量有关的变形系数，可以通过土壤下陷量回归模型计算得到。利用Matlab软件对开沟深度进行模拟仿真，分析了影响精密播种单体的仿形、开沟稳定性的因素，获得了较优的参数组合。
（4）应用Pro/E软件的参数化设计功能，构建精密播种机零部件的三维参数化模型库，建立了不同形式的播种单体三维实体模型，以开沟深度为目标，利用ADAMS软件对平行四杆式精密播种单体仿形机构进行了结构参数的优化设计和运动仿真模拟，得到最优参数值：平行四杆长450mm，仿形轮配置在开沟器前面距离300mm时，开沟稳定性能够满足设计要求。
（5）进行了仿形机构开沟深度的分析和室内的开沟深度性能试验，试验结果与仿真结果变化趋势一致，最大误差小于23%，表明本文所建立的开沟深度数学模型的正确性和仿真分析方法的可靠性。
（6）研制了平行四杆机构与电液自动仿形系统相结合的精密播种单体，对所需的仿形装置、传感装置、仿形控制器、液压系统进行了设计。建立了液压系统的仿真模型，利用Simulink软件对液压系统的运动进行了仿真，通过试验研究，仿真值和试验值基本吻合，最大误差为16.4%，满足了设计要求，从而验证了模型的正确性。对电液自控式和机械式两种不同仿形播种单体进行了田间对比试验。田间试验结果表明，在仿形精度上电液自控仿形式明显优于机械式仿形，满足了对播深精确控制要求，提高了大型精密播种机的自动化程度。
本文所进行的理论研究、试验研究、计算机仿真等研究成果为精密播种机的研制及农机系统建模与仿真设计提供了新的思路和方法，对丰富精密播种理论，发展精密播种技术具有重要意义。
Precision seeding technology has been successfully applied to a variety of crops， and itis one of the important measures to increase the agricultural production and income， andreduce the cost of grain production. Precision seeding technology includs accurate seedingrate， precise rows space and sowing depth， so as to ensure the reasonable distribution ofseed in the field，and create the best conditions for crop growth and development. Precisionseeding process is make up of profiling，ditching，applying fertilizer，sow，cover earth，rolling and so on， the many kinds of working parts cooperated to complete a complexprocess， and its demand of field index is accurate， any link may affect the final accuracy.At present most scholars’ study focused on precision seeding theory and development ofvarious seeding apparatus， and many kinds of precision seeding apparatus had beendeveloped for example gas suction，gas blowing，scoop types and so on，and the accuratesowing amount had been realized. But sowing depth and row spaces are formed byprofiling， furrowing， covering， suppressing， and closely related to the soil conditionof seed groove. All parts may influence the seeds final distribution state in the soil.Consistency of sowing depth and quality of covering seeds had important effects on theseeds emergence and the crop yield， so precision seeder’s consistency of sowing depth andquality of covering seeds decided sowing quality is ok or not. However， lacking ofthorough and systematic research of influence to sowing depth accurate profile and ditchdevice， the actual sowing depth had been less than the best condition.
This paper researched precision seeder profiling mechanism that influences sowing depthcontrol， by using mechanisms and dynamics， soil rheology， and by testing therelationship of soil subsidence quantity and time， then defined the dry farmland soilrheological model and rheological parameters， established the regression model about soilsubsidence quantity and related parameters. Introduced the soil rheological model intodynamics analysis about parallel four-bar type precision seeding unit， established amathematical model of ditching depth changes about parallel four-bar profiling mechanism.Used Matlab software to simulate ditch depth， analyzed the parameter that could effectditch depth and its variation rule， found out the effecting factors on the stability of ditchdepth.By using parametric design function of Pro/E software to establish3D parametricmodel database of precision seeder，and used ADAMS software to optimize structureparameters design and simulate motion of parallel four-bar precision seeding monomerprofiling mechanism what had been built，analyzed ditch depth of profiling mechanism andtested the stability of ditch depth indoor，the results of simulation and experiment were verysimilar. At last developed a kind of precision seeding unit that combined parallel four-bar profiling mechanism with electric-hydraulic automatic controlled profiling system in orderto satisfy accuracy of sowing depth control in large-sized precision seeder， designed theprofiling sensing device， profiling controller， hydraulic system，etc. Simulated thehydraulic system model which had been established by using Simulink software， andverified the accuracy of model through the test. Field test showed that， electronic-hydrauliccontroled profiling form was obviously superior to mechanical profiling in profilingaccuracy，it realized accurately sowing depth control， provided technical reference toimprove the automation degree of the large precision seeder.
This paper is parts of university Specialized Research Fund for the Doctoral Program ofHigher Education20040183024)，Science and Technology Development Program of JiLinProvince (200405045)，Construction of National Modern Agriculture Industrial TechnologySystem Specialized Fund (CARS-01-33)， its main content and research conclusions asfollows:
（1）By the test of uniaxial compression to soil， observed the deformation curve aftersoil being beard related to time variation， selected four-element Burgers model to describerheological characteristics of soil， and obtained the equation for soil deformation related totime variation:
by the equation，it was known that soil subsidence deformation is mainly composed ofthree parts that are instantaneous subsidence， time-delay subsidence and stable creep. Thequation also suggested that subsidence deformation of loose soil related to time， and it wasnonlinear. Based on this theory，got the soil rheological curve under the condition that townpressure was400N，600N，800N， and soil moisture content was16%，18%，20%，by the way of experiment. Got soil rheological parameter at different experiment conditionsby the way of the numerical simulation， and determined soil rheological model under thecorresponding conditions.
（2）In order to obtain the relationship between soil subsidence quantity and influencefactors， selected the moisture content， suppression strength and operation speed asinfluence factors， obtained the regression equation as follows of soil subsidence quantityand the related factors by optimized the test scheme of response surface design：
It can be concluded from the regression model that the relationship between soil subsidence quantity and suppression strength， moisture content， operation speed wasnonlinear. The main influence factor to subsidence quantity was suppression strength，followed by soil moisture content. Though only a little effect， the operation speed wasnegatively correlated to subsidence quantity. The influence relation between correlationfactors and soil cave in quantity could be analyzed more intuitively by this regressionmodel.
（3）Researched parallel four-bar profiling precision seeder monomer as the object，introduced soil rheological parameter，established mathematical model of precision seedingmonomer’s sowing depth:
This model showed that profiling process of sowing monomer was linear single freedegree damping vibration system， the system’s stability was related to geometriccharacteristics of field surface，structure parameters of sowing monomer and mechanicsproperties of soil. K2and η2are spring stiffness coefficient and damping coefficient， A isdeformation coefficient related to instantaneous subsidence quantity and time-delaysubsidence quantity， it could be calculated by using of the soil subsidence quantityregression model. One better combined parameter obtained after analyzed the influencefactors of precision seeding monomer profiling， ditching stability， and simulated ditchingdepth by using Matlab software.
（4）By the function of Pro/E software parametric design，constructed the3D parametricmodel base of precision seeder parts， established a different forms of seeder monomerentity model in3D. Ditching depth as a target， Based on the structure parametersoptimization design and movement simulation of parallel four-bar precision seedingmonomer profiling institutions， obtained the most optimal parameter value by using theADAMS software: If the length was450mm for parallel four-bar， and the distance was300mm from preposed profiling wheel to opener， ditching stability could satisfy the designrequirement.
（5）The test results and the profiling results were similar after the research of ditchingdepth stability indoor. Verified correctness of dynamic model what the seeding monomerhad been established and reliability of the simulation analysis method.
Analyzed ditch depth of profiling mechanism and tested the stability of ditch depthindoor，the variation trend of the simulation and experiment results were very similar，andthe largest error was less than23%，verified the stability of mathematics model for ditchdepth was correct and the simulation analysis method was reliable in this paper.
（6）Developed the precision seeding monomer that combined parallel four-bar mechanism and electric-hydraulic controlled profiling system. Designed the requiredprofiling device， sensing device， profiling controller， hydraulic system， established thesimulation model of hydraulic system. Simulated the movement of the hydraulic systemby using Simulink software. According to the test results， the simulation value andexperimental results was similar， the maximum error was16.4%，which met the designrequirements and verified the correctness of the model. Comparative test was done betweenthe two different profiling sowing monomer， electric hydraulic automatic and mechanicalprofiling seeding monomer in the field，and the results showed that electro-hydraulicautomatic profiling form is obviously superior to the mechanical profiling form at profilingaccuracy， and satisfied accuracy control of sowing depth， improved automation degree ofthe large precision seeder.
The research conclusions in this paper about theory， experiment and computersimulation provided a new train of method for development precision seeder and formodeling and profiling design agricultural machinery system. Its significance was importantto enrich precision seeding theory and develop precision seeding technology.
引文
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