小麦变量施肥是精细农业的重要研究内容，实验的最终目标是通过光谱检测获取目标施肥量，使施肥机实时响应拖拉机作业速度变化，通过控制槽轮转速调节流量，使单位面积施肥量满足目标要求，核心任务是使学生应用所学知识建立响应车速变化的施肥流量调节机制。实验过程融合实际工程干扰和运行数据，真实性和差异性并存，重在培养学生的综合设计和工程应用能力，体现人才培养过程的核心要素。
项目整体分为原理与结构认知、播量控制参数设计和小麦变量施肥作业性能测试3个环节。其中认知环节为实验前应完成的预习内容，需自学并经过测试成绩合格方可进入其它两个环节的实验内容。实验整体分为11个步骤，“原理与结构认知”环节整体作为一个步骤，共4个模块；“播量控制参数设计”分4个模块，共10个步骤；“小麦变量施肥作业性能测试”环节共2个步骤。实验整体框架结构如下图1所示，实验操作流程如下图2所示。
本环节共有4项学习内容：播种施肥一体机、光谱仪、变量施肥结构与原理认知，认知学习测试。具体学习施肥播种一体机主要功能部件的结构、工作原理与播量控制方法；学习主动光源式反射光谱仪的主要功能部件、结构和工作原理；学习变量施肥的概念、目的、意义和实施途径。学习完成后，需要通过认知学习测试后方可进入具体的实验环节。
认知考核题目均为客观题，系统随机给出一套10个题目的测试卷，主要考核以下内容如下：外槽轮式播种施肥器各主要部件的功能（外槽轮、毛刷、开度等）；播种施肥一体机其它功能部件的作用（旋耕机、镇压轮等）；播量控制的调节方法；光谱仪主要功能部件的作用；光谱仪的工作原理（如何实现检测的，主动光源的概念等）；变量施肥相关的知识；变量施肥的实施途径。
获取电机转速开环运行实验数据
该步骤为“电机模型参数测定”模块中的第1个步骤，点击主界面上方“播量控制参数设计”菜单，在下拉采用中选择“电机模型参数测定”模块，在图5所示的界面中点击高亮控制器（实验当前步骤所需的仪器将高亮显示，下同），将显示参数设置界面，通过拖拉“进度条”设置电机控制电压（0~24V），点击“运行系统”，获取系统的开环实验数据，界面如图6所示。观察实验运行结果，在右侧编辑框内输入计算K和T所需的实验数据长度，点击计算可以下载实验数据，供计算参数时使用。
注意事项：在选取计算K值的数据长度时，注意选取稳态数据；计算T所需的数据长度时，注意避免选取响应幅值可能超过稳态响应值的数据，否则将响应采用拟合方式计算出的T值，T值将偏大，这将影响后继实验过程的测试数据。若对当前步骤的知识有疑问可以点击界面左上方的“知识提示”获得帮助（后继实验功能相同），如图7所示。
计算模型的开环增益
根据系统的稳态特性，根据实验数据计算开环增益K，根据理论开环响应函数形式，对实测数据进行拟合分析，计算参数T。点击“记录簿”可以查看当前步骤的实验数据，如下图8所示。
综合测试结果，确定模型参数
由于测试过程融合了实际工程干扰信息，多次实验测试结果存在差异，为了更加有效准确地表达电机的模型参数，需要综合分析测试结果，计算参数的误差分布情况。点击界面右下角“实验报告”，将参数输入系统并保存，供后继实验环节使用，同时在下方编辑框撰写测试分析材料。相关操作界面如图9所示。
控制器控制参数KI和KP设计
点击上方主菜单“播量控制参数设计”中的“电机转速控制参数设计”模块学生根据所学控制课程相关理论知识，分析系统的开环和闭环传递函数，设计合适的参数Kp和KI。将计算得到的Kp和KI输入图10界面。
注意事项：对系统运算仿真而言，输入任意一组控制参数，都将有对应的控制结果输出，有时从控制结果无法看出控制参数的是否合理。本步骤的参数设计需仔细分析系统的特征和所测定的模型参数，分析系统开环传递函数零极点的相对位置对闭环特性的影响，确定Kp和KI两参数应该满足的必要条件，否则有可能出现转速输出合理，而控制电压不合理（控制电压过高，实际中将使电机烧坏）。这种情况将在闭环转速性能测试中被系统检测出来，实验者将被要求重新设计参数开展实验过程。
理论闭环模型单位阶跃性能指标计算
学生根据自己测定的开环模型参数（K和T）和设计PI控制器控制参数（KI和Kp），开展单位阶跃响应测试，实际操作时，学生可自主选择“目标转速”、“采样频率”，点击“运转施肥机”按钮，可生成理论单位阶跃响应和实际转速控制曲线，学生进行理论分析，给出动态响应曲线和相关性能指标（峰值时间，超调量，调节时间和稳态值），具体界面如图11。
实际闭环转速控制性能测试
学生至少选择3个目标转速开展闭环控制实验，根据试验测得数据，在系统填写实验数据分析表，实验测试结果记录在系统记录簿中，如图12所示。
注意事项：注意观察闭环响应曲线中的红色部分与实测数据之间的关联性，红色曲线是按照实验者自己设计的控制参数和系统内置的电机模型绘制的理论曲线，如果上一模块的模型参数测定误差较大，则性能指标计算结果和单位阶跃响应中计算的性能指标之间将产生较大的误差。
标定测试：获取不同转速下的流量数据
点击上方主菜单“播量控制参数设计”中的“播量特性标定”模块，首先确定播量标定范围，建议标定范围为5r/min~60r/min，标定时在该范围内定间隔取不同转速目标进行标定，设定标定测试时长：为了使每个转速下的流量具有稳定性，一般要求每个转速下的运行时间不小于2min,设置完成后，点击“运转施肥机”按钮，系统开始启动，标定试验参数设定界面如图13所示。每个转速下的测试数据可点击“记录簿”查看，如图14所示，不同施肥口的播量数据将用于变异系数的计算。
标定结果：直线拟合和变异系数计算
标定测试完成后，点击“纪录簿”查看记录结果，确认后可由系统计算出转速与流量之间的拟合关系，并绘制出标定曲线，显示拟合直线的两个参数和变异系数CV值。点击“实验报告”按钮，在显示的界面中点击“递交”，将测试结果录入系统，该结果将在播量闭环控制中得到应用。标定曲线拟合和变异系数计算界面如图15所示。
控制策略函数推导及闭环台架实验
该环节学生需自主推导播量控制策略函数f(Qa, V(t))，在操作界面中输入函数关系式的关键系数。同时学生需设定测试参数：目标播量、运行速度和运行时长。点击“确定”按钮运行播量闭环控制，获取播量闭环控制运行数据，测试界面如图16所示。
播量闭环控制实验性能指标计算
学生按照测试步骤⑩开展3次播量控制台架试验，获取的测试数据用以播量闭环控制实验性能指标计算。台架试验结束后，计算播量性能指标，系统计算出实际总播量和动态性能指标，主要是相对偏差的平均值，最大值和标准差。如图17所示。最后点击“实验报告”填写阶段性试验报告，将测试结果录入系统，如图18所示。
布置光谱仪和设置工作参数
点击上方主菜单的“变量施肥实施方案与性能测试”，打开变量施肥主界面，在显示的界面右下方中点击“工具箱”，打开传感器工作界面，实验人员可以通过长按鼠标拖动光谱仪安装到拖拉机前端安装架上，并自主选择光谱仪布置个数，利用传感器的超声测距功能确定传感器安装高度。光谱仪布置界面如图20所示。
点击“田间作业”按钮打开参数设置界面，在界面上方设置田间工作参数，设置“光谱仪工作频率”和“基本处理单元”大小，点击下方的“确定”按钮便可以开始田间作业。如对操作步骤有不清楚的地方，可以点击左上方菱形的“步骤引导”按钮，开启步骤提示窗口获得帮助，如图20所示。
变量施肥作业综合性能评价
点击“开始作业”按钮后，便进入田间作业环境，可通过点击作业界面左下方的拖拉机档位图上的数字改变拖拉机的作业速度。点击“切换视角” 按钮，可切换驾驶室内外观察视角，按住鼠标右键可以旋转场景，如图21和图22所示。拖拉机作业过程中，驾驶室人机交互式控制界面显示当前速度，槽轮转速、实际播量和目标播量。界面右侧显示当前速度和槽轮转速曲线，左侧显示目标播量和实际播量动态曲线图。点击右下方“结束作业”按钮可以停止施肥作业，界面将显示测试结果：自动形成变量施肥处方图（以作业单元面积为基本表示单元的目标施肥量图），转速变化曲线、速度曲线、动态施肥量曲线、NDVI变化曲线等，如图2-23所示，实验者可以下载相关数据开展测试性能评价分析。
注意事项：目标播量指光谱仪每检测一个作业单元后形成的指导施肥量（kg/mu）；实时播量是指作业工程中，根据内置的槽轮转速-流量关系曲线和拖拉机行驶速度推算出来的单位面积施肥量（kg/mu）。光谱仪布置方式不同，光谱仪工作频率不同都将导致测试结果的差异。
