在水稻生长过程中,合理、有效地施用肥料是提高水稻产量、增加稻作收益、减少环境污染的重要措施。目前,我国水稻施肥作业环节基本是依靠经验进行均匀施肥。落后的施肥方式不仅导致了肥料的过量偏施、降低了肥料利用率,而且未被作物吸收利用的肥料还会导致水体富营养化、土壤板结、酸化等一系列生态环境问题。因此,在水稻生产中,需要研究科学合理的施肥技术,达到节肥、增产、环保并重的效果。变量施肥技术作为现代精准农业重要的组成部分,是指在充分掌握田间土壤肥力、作物以及环境信息的前提下,完成按量按需施肥作业的一种精准作业技术。现有的水稻变量施肥机具的研究多集中在固体肥方面,多采用外槽轮式排肥器进行排肥。但国产固体化肥受潮后粘度变大,易堵塞机具,造成排肥不均、无法排肥等问题,从而影响作物长势。液体肥相较于固体肥有着吸收利用率高、肥效好、成分配比精准、易于机械施用等优点。目前,国内液体肥施用技术主要采用电液比例阀控制流量,存在成本高、控制速度慢等问题,而且对微小流量的控制没有得到很好的解决。因此,本文为解决电液比例阀难以实现对微小流量精准调节的问题,设计了机电流量调节阀,采用模糊PID自适应控制算法,研制了一种低成本液体肥施肥器变量调节系统,实现了对微小液体肥流量的精准调节,并对液体肥施肥器变量调节系统的工作性能进行了试验验证。本文的主要研究内容及结论如下:(1)根据水稻田间管理施肥农艺要求,结合液体肥变量调节系统的设计目标,搭建了液体肥变量施肥平台,基于液体肥施肥器变量调节系统的设计要求,对液体肥施肥器变量调节系统进行总体设计。通过对供肥单元、变量施肥控制单元、变量施肥检测单元、施肥单元的构建,完成液体肥变量施肥平台的搭建,为液体肥变量调节系统的研究提供平台支撑。基于变量施肥控制单元、变量施肥检测单元研制了液体肥施肥器变量调节系统,采用模糊PID自适应控制算法,通过对机电流量调节阀开度的调节,实现施肥量的在线调节。(2)基于流量调节阀及齿轮设计和电动舵机选型,研制了机电流量调节阀,以单片机为控制核心搭建了液体肥施肥器变量调节系统硬件电路,对液体肥施肥器变量调节系统进行了硬件设计。为实现气力引射式施肥器的变量施肥,根据施肥器的施肥量要求设计了流量调节阀,并通过流量调节阀启动扭矩和控制速度要求对电动舵机进行了选型,确定了齿轮尺寸,设计了机电流量调节阀的总体结构。通过机电流量调节阀肥量标定试验,得到了电动舵机角度与液肥平均质量流率间关系,确定了流量可调范围为2.36~6.75g/s。采用STC89C52单片机作为控制核心,完成单片机处理模块与变量控制模块、检测模块、液晶显示模块、键盘输入模块、报警指示模块的连接搭建形成硬件电路,其中变量控制模块包括机电流量调节阀和电磁阀,为液体肥施肥器变量调节系统软件设计提供参数和硬件基础。(3)基于液体肥施肥器变量调节系统的设计目标与要求和硬件基础,采用基于模糊PID自适应控制算法,进行了仿真分析,设计液体肥施肥器变量调节系统软件。根据水稻施肥农艺要求及机具田间作业速度,确定了施肥器的目标质量流率,对单片机处理主程序、变量控制子程序、信号检测子程序、液晶显示子程序、键盘输入子程序和报警指示子程序进行了设计。研究了基于模糊PID自适应控制算法,通过分析机电流量调节阀开度调节系统模型,确定了开度调节系统的传递函数,设计了模糊PID控制器,采用临界比例度法确定PID控制器3个参数的初始值。通过MATLAB中的Simulink平台分析比较模糊PID控制与常规PID控制的差异,得出模糊PID控制具有良好的控制性能,能更好地适应被控对象的变化,综合表现优于PID控制,能够更好的实现精准变量施肥控制。(4)为了分析液体肥施肥器变量调节系统的控制性能,搭建基于井关水田拖拉机的试验平台,对液体肥施肥器变量调节系统进行相关性能试验。以液体肥变量施肥平台为基础,搭建基于井关水田拖拉机的试验平台,进行了控制精度性能试验和施肥量跟踪性能试验。控制精度验证试验结果表明:变量施肥控制系统的平均控制误差为4.53%,控制精度可达90%以上,施肥量跟踪性能验证试验结果表明:系统响应的超调量小于16.6%,上升时间小于2.7s。稳态时,施肥流量波动较小,可以满足精准农业变量施肥控制要求。