基于多算法融合的控制策略，用于电动驱动的气动精密播种机中的风压调节

《Computers and Electronics in Agriculture》：Multi-algorithm fusion based control strategy for electrically-driven wind pressure regulation in pneumatic precision seeders

针对传统气动播种机信息孤岛、能耗高和压力调节能力差的问题，提出基于分布式电动风扇的差异化压力控制策略，并开发了集成电子控制系统，结合Kalman滤波和增量PI控制，实现实时动态调节，实验表明在8 km/h时玉米、大豆播种合格率超98%，验证了系统有效性。

　　在农业现代化不断推进的背景下，提高播种作业的效率与智能化水平成为研究的重要方向。传统气力式播种机在实际应用中存在一些显著的问题，如模块间的信息化孤岛现象、集中式风机带来的高能耗以及对风压调节能力的不足。这些问题不仅影响了播种作业的质量，还限制了农业机械在复杂工况下的适应性和灵活性。为此，本研究提出了一种基于分布式电动风机的差异化风压调节控制策略，并开发了一套集成化的气力式播种电子控制系统，该系统集成了电动驱动的播种计量、播种监测和数据存储等功能。通过多风机分布式布局与集成控制架构的协同设计，实现了播种单元的动态调节和系统信息的整合。该系统的核心在于建立一个适应性强的闭环控制系统，结合了卡尔曼滤波与增量PI控制技术，有效应对了复杂工况下风压调节的挑战。

实验结果显示，该系统能够在不同行驶速度（从4 km/h到12 km/h）下实现精准的风压跟踪和自适应控制。在8 km/h的行驶速度下，玉米和大豆的最优风压分别为3.1 kPa和5.5 kPa，播种合格率超过了98%。通过建立行驶速度与风压之间的立方数学模型，系统能够在不同操作条件下实现精准的风压匹配，进一步验证了电动驱动控制系统的优异性能。在实际应用中，该系统不仅提升了播种作业的智能化水平，还为提高播种设备的精度和效率提供了关键技术支持和理论依据。

传统气力式播种机的气力系统在结构设计和操作控制方面存在诸多局限性。首先，由于模块之间的信息隔离，导致系统整体控制能力受限，难以实现高效的信息共享和协同工作。其次，集中式风机的使用增加了能耗，影响了设备的经济性。最后，风压调节能力较差，尤其是在变速、转向、爬坡和下坡等复杂工况下，风压的变化难以有效控制，导致播种质量不稳定。为了克服这些缺点，国内外学者开展了大量研究，探索风机结构优化、气流分布控制和操作控制技术等方向。

例如，Lv等人（2022）设计了一种集成式风机，能够同时提供种子吸入的负压和种子输送的正压，从而显著提升了土豆播种机的作业质量。Qin等人（2023）通过实验和Fluent仿真分析了多分支汇流管道的气流特性，为气力式吸种机的结构优化提供了理论依据。法国Kuhn公司的气力式吸种机则通过气力管道将吸种装置安装在H型水平吸种腔梁上，实现了均匀的负压分布，确保了气压的稳定性，从而保障了作物间距的一致性。在操作控制和智能化方面，Ding等人（2018）开发了一种基于GPS测速的电子控制系统，显著提升了玉米播种机的播种质量。Zhang（2024）则设计了一种智能种子排放控制系统，增强了设备对多作物同时播种的适应性。Xie等人（2021a）采用激光技术实现了播种监测，使得作业参数能够实时检测。

然而，目前的研究大多集中在风机内部结构的优化、气流稳定性的分析，或者针对种子排放或监测的单一控制技术。在风压调节方面，仍存在一些挑战，例如调整量难以量化、缺乏差异化的控制机制以及响应滞后等问题。此外，播种机的种子排放控制、风压调节和作业监测系统通常作为独立模块开发，这不仅阻碍了信息的整合，也影响了协同控制逻辑的实现。因此，为了克服这些缺陷，我们的研究团队在过去的研究中系统性地探讨了精准风压调节策略，并成功申请了相关发明专利。基于这些研究成果，进一步开发了一套集成化的气力式播种电子控制系统，该系统主要包括电动驱动的播种计量、电动驱动风机和作业监测等功能模块。

通过采用多算法协同控制技术，该系统能够在运行过程中实现播种风压的实时自适应调整和精准动态补偿。该系统不仅具备智能化的作业功能，如行间暂停播种、残行暂停播种和转弯补偿，还为气力式播种设备的智能化升级提供了关键的技术支持和理论依据。这种集成化、智能化的控制系统能够有效应对复杂工况下的风压变化，提高播种作业的稳定性和适应性，同时降低能耗，提升整体作业效率。

在信号处理和数据存储方面，该系统的主控芯片采用了STM32F103CT86，结合了稳定可靠的经典STM32核心电路（Yuan等人，2024；Ding等人，2021）。此外，系统采用了可擦除可编程只读存储器（EEPROM）作为信息存储芯片，并通过IIC总线实现与主控芯片的通信。这种设计不仅确保了数据的全面存储，还提高了系统的可靠性和数据传输效率。通过这种方式，系统能够实时采集和处理各种传感器数据，包括风压、速度、温度等，从而实现对播种作业的精确控制和动态调整。

在风压自适应控制策略方面，系统能够根据播种机在加速、减速、转向、倒车、上坡和下坡等不同工况下的运行状态，动态调整风压。通过在统一的时间步长下，先对采集的风压信号进行卡尔曼滤波处理，再将其输入增量PI控制器，系统能够实现对风机转速的自适应调节。这种控制策略不仅提高了风压调节的稳定性，还增强了系统的响应速度和控制精度。卡尔曼滤波技术的引入使得系统能够有效过滤噪声，提高风压数据的准确性，而增量PI控制器则能够根据实时数据动态调整控制参数，确保风压始终处于最佳状态。

在测试设备方面，本研究采用了一套自制的测试平台，如图19所示。该测试平台主要用于协调和控制电动驱动的播种装置、电动驱动风机和监测模块，并通过主控制器将生成的数据上传至计算机。测试平台的设计不仅确保了实验的准确性，还为系统性能的评估提供了可靠的依据。通过该平台，可以对不同工况下的风压调节效果进行测试和分析，从而验证系统的实际应用价值。

在测试方法上，为了确定不同作物在固定工况下的最优风压，本研究参考了中国国家标准GB/T 6973-2005《单粒（精密）播种机试验方法》。该标准为单粒播种机的性能测试提供了规范和指导，确保了测试的科学性和可比性。通过按照该标准进行测试，系统能够对不同作物的播种需求进行精准匹配，从而提高播种作业的适应性和效率。测试过程中，不仅对风压调节效果进行了评估，还对播种质量、能耗和系统稳定性等关键指标进行了全面分析。

通过这些测试，系统在不同行驶速度下表现出了良好的适应性和控制能力。在8 km/h的行驶速度下，系统能够实现玉米和大豆的最优风压，分别为3.1 kPa和5.5 kPa，播种合格率超过了98%。这表明系统在复杂工况下具备较强的调节能力，能够根据不同的播种需求动态调整风压，从而提高播种质量。此外，测试结果还显示，该系统在不同速度下的能耗较低，能够有效降低运行成本，提高设备的经济性。

在系统设计和功能实现方面，该集成化电子控制系统不仅具备高度的集成性，还实现了对每个播种单元的差异化控制。这种设计使得系统能够根据不同的播种任务和环境条件，灵活调整风压，从而提高播种作业的适应性和稳定性。通过这种方式，系统能够在不同速度和负载条件下保持良好的风压控制，确保播种质量的一致性。此外，该系统还具备智能化的监测功能，能够实时检测播种过程中的各种参数，为操作人员提供及时的反馈和调整依据。

在实际应用中，该系统的智能化控制功能显著提升了播种作业的效率和质量。例如，行间暂停播种和残行暂停播种功能能够有效避免种子重播或漏播，提高播种的均匀性。转弯补偿功能则能够在设备转弯时自动调整风压，确保播种质量不受影响。这些功能的实现不仅提高了播种作业的智能化水平，还为农业机械化的发展提供了新的思路和技术支持。

此外，该系统在数据存储和管理方面也表现出色。通过EEPROM芯片和IIC总线的结合，系统能够对采集的风压数据、速度数据和温度数据等进行高效存储和管理。这种设计不仅提高了数据的可靠性，还为后续的数据分析和系统优化提供了便利。通过这些数据，可以进一步研究不同工况下的风压调节规律，为系统的持续改进和升级提供理论依据。

综上所述，本研究提出了一种基于分布式电动风机的差异化风压调节控制策略，并开发了一套集成化的气力式播种电子控制系统。该系统不仅实现了对播种单元的动态调节和系统信息的整合，还通过多算法协同控制技术提高了风压调节的稳定性和适应性。通过实验和测试，系统在不同行驶速度下表现出良好的控制性能，能够实现精准的风压匹配和播种质量的提升。该系统的成功应用为农业机械的智能化升级提供了关键技术支持，也为提高播种作业的效率和质量提供了新的思路和方法。