新疆棉花变量施肥机精准施肥机理及实现方法的研究

Study precision fertilization mechanism and realization method of variable rate fertilizer applicator based on growing mode, fertilizer and soil characteristics in Xinjiang in order to improve the fertilization efficiency and reduce environmental pollution. Test the characteristic of organic and granular fertilizer regarding the present situation on bad real time capability and bad accuracy. Analyze the factors that influence application precision, establish interrelationship model of the factors, and determines the weights of the factors. Conduct discrete particle dynamic simulation analysis and modeling of organic and granular fertilizer in discharge process in discharge channel; Analyze inherent factors lead to position lag in precision fertilization job, propose compensation model based on mechanical position lag during operation. Reveal the pulsation phenomenon and variation of fertilization uniformity of multivariate precision fertilization. Establish control model of multivariate fertilization system through theoretical analysis and experiment to determine the control method of the three-axis multi-variable fertilizer applicator in fixed proportion of N, P, K. Produce variable rate fertilizer discharge device and conduct experiment to verify the accuracy of the model and the control method is reasonable and improve the system real-time capability and accuracy of the variable rate fertilizer, and provide a theoretical basis and technical reference for the research and development of high-precision variable rate fertilizer.

项目根据新疆棉花种植模式、施肥种类和土壤特点,以提高新疆棉花肥料利用率,降低环境污染为应用前景。以棉花基肥施用和多变量排肥装置为研究对象,开展棉花变量施肥机精准施肥机理及实现方法的研究工作。针对目前变量施肥机存在的实时性差,精度较低等问题,测试棉花颗粒有机肥和颗粒化肥的特性；研究影响施肥精度的因素,建立各因素内在联系的关系模型,确定各因素的权重系数；对颗粒有机肥和颗粒化肥在排肥流道中的排肥过程进行离散元动态仿真分析和建模；分析棉花多变量精准施肥作业位置滞后的内在因素,提出基于作业机械位置滞后的补偿模型,揭示多变量精准施肥脉动现象与施肥均匀性的变化规律,通过理论分析和试验建立系统多变量施肥控制模型,确定三轴多变量施肥机N、P、K的定比施肥控制方法。试制变量排肥装置并进行试验研究,验证模型的精确性和控制方法的合理性,提高系统变量施肥的实时性和精度,为研发高精度变量施肥机提供理论依据和技术参考。

实施精准变量施肥是提高我国土壤环境质量,减少水土污染,提高作物产量和质量的有效途径。对新疆棉花基肥实施变量施肥，可精确控制农田每一板块肥料的施用量,做到有目的地合理施肥。因此对新疆棉花变量施肥机精准施肥机理及实现方法的研究，有助于农业资源的高效利用和环境保护,有助于生产成本降低和产量的提高,对实现新疆农业的可持续发展具有重要意义。针对目前变量施肥机存在的实时性差,精度较低等问题,对棉花颗粒有机肥和颗粒化肥的特性和影响施肥精度因素的进行了研究,在此基础上设计出了排肥转速和开度调节的双变量施肥机构；确定了多因素内在联系的关系模型,确定各因素的权重系数；对颗粒有机肥和颗粒化肥在排肥流道中的排肥过程进行了离散元动态仿真分析和建模；分析了棉花多变量精准施肥作业位置滞后的内在因素,提出了基于作业机械位置滞后的补偿模型,揭示了多变量精准施肥脉动现象与施肥均匀性的变化规律,通过理论分析和试验建立了系统多变量施肥控制模型,提出了多变量施肥机N、P、K的定比施肥控制方法，其中为了使施肥决策系统得到精确的施肥量，通过试验建立了排肥量与排肥轴转速、开度的函数关系；建立了液压驱动马达转速与给定信号的数学模型及变量施肥机Q=F(L,N,V)数学控制模型。在对施肥箱，排肥器，开沟覆土器等关键部件设计的基础上完成了自动变量施肥实验台的设计、制造及试验研究；为验证模型的精确性和控制方法的合理性,提高系统变量施肥的实时性和精度, 设计出基于工控机的上位主控系统和基于STC单片机的下位控制系统，并实现了系统间的通讯,最终研制出双变量施肥样机，并进行了相应的实验研究和理论验证。研究成果为研发精度高实时好的变量施肥机提供了理论参考和技术支持。有助于提高肥料利用效率进而实现我区及兵团化肥减施增效。有助于解决新疆、兵团化肥使用过度造成的土壤肥力下降、板结，环境污染等问题，有助于提高农作物品质，加快新疆农业现代化进程。