ALGORITHMIC CONTROL MODEL FOR FERTILIZER MIXTURE DOSING FOR A PNEUMATIC BOOM SPREADER
DOI 10.31588/2073-0462-2026-21-1-99-109 УДК / UDC 631.333:631.171 EDN: PRETOZ
Keywords:
fertilizer mixture, dosing, precision farming, pneumatic boom unit, algorithm, closed-loop system.Abstract
Research on precision farming technologies implementation at Stavropol State Agrarian University, conducted from 2012 to 2025, revealed high variability in the concentration of key nutrients within a single field. An analysis of scientific research revealed that there are no solutions for fieldbased fertilizer mixing using a specialized unit, equipped with three compartments for storing singlecomponent mineral fertilizers with individual dispensers, ensuring precise dosing of each element with simultaneous application. The aim of this study is to develop an algorithmic model for an automated control system for simultaneous dosing of fertilizer mixture nutrients for pneumatic boom spreaders. Methodology included field experiments with automated sampling, NPK mapping in AGRO MAP and development of a dosing system for three fertilizers for a pneumatic unit. An algorithm with an error of Δ = 3–5% was developed. Simulation modeling was performed in Python (PID controller, Ziegler–Nichols method) for speeds of 5-25 km/h and densities of 900–1300 kg/m3 (225 calculations) with the construction of error maps. The modeling results showed that the system ensures that the actual flow rate returns to the set value within the permissible error (Δ = 3–5%) within no more than 3 seconds after the onset of a disturbance. Parametric modeling across a speed range of 5-25 km/h and bulk densities of 900-1300 kg/m3 confirmed the algorithm’s robustness: the average dosing error was 2.9%, the maximum was 4.7% and the 5% tolerance was less than 2%. Using a closed-loop system reduces the average dosing error from 15-20% (for traditional open-loop systems) to 3–5%, which meets agronomic requirements. The control system with developed algorithm enables verification and adjustment of both the total application rate and the application rate of each NPK component individually.
References
1. The path to smart farming: innovations and opportunities in precision agriculture / Karunathilake EMBM, Le AT, Heo S, et al. // Agriculture. 2023. Vol. 13(8). P. 2-26. doi: 10.3390/agriculture13081593.
2. Precision agriculture techniques and practices: from considerations to applications / Shafi U, Mumtaz R, García-Nieto J, et al. // Sensors. 2019. Vol. 19:17. P. 2-25. doi:10.3390/s19173796.
3. Dhoubhadel SP. Precision agriculture technologies and farm profitability. // Journal of Agricultural and Resource Economics. 2021. Vol. 46(2). P. 256–268. doi: 10.22004/ag.econ.303598.
4. Monteiro A, Santos S, Gonçalves P. Precision agriculture for crop and livestock farming –Brief review. // Animals. 2021. Vol. 11(8). P. 23-45. doi:10.3390/ANI11082345.
5. Влияние удобрений на урожайность кукурузы в Ставропольском крае / В. Н. Багринцева, И. Н. Ивашененко, В. В. Дридигер и др. // Достижения науки и техники АПК. 2023. Т. 37. No 7. С. 29-33. doi: 10.53859/02352451_2023_37_7_29.
6. Сухаева А.Р., Бодякина Т.В., Балданов М.Б. К вопросу механизации внесения удобрений // Научный журнал молодых ученых. 2025. No 2(42). С.51-55.
7. Сиднева И. Е., Курдюмов В. И., Павлушин А. А. Теоретическое обоснование параметров рабочего органа разбрасывателя минеральных удобрений // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2022. No 3(59). С. 6-11. doi: 10.18286/1816-4501-2022-3-6-11.
8. Димитров А. А. Типы агрегатов для внесения минеральных удобрений // Современные проблемы АПК: сборник научных статей Института механики и энергетики, приуроченный к 90-й научно-практической конференции «Аграрная наука – Северо-Кавказскому федеральному округу». – Ставрополь, 2025. No 1. С. 205-208.
9. Разработка агрегата штангового типа с пневмотранспортной системой для дифференцированного внесения тукосмесей в ресурсосберегающих геоинформационных агротехнологиях точного земледелия / С.Д. Ридный, Е.В. Кулаев, Д.И. Грицай, и др. // Агроинженерия. 2025. No 6 (27). С. 60-66. doi: 10.26897/2687-1149-2025-6-60-66
10. Grift T. E. Mass Flow Measurement of Granular Materials in Aerial Application – Part 1: Simulation and Modeling //Transactions of the ASAE. –2001. –Т. 44. –No. 1. –Pp. 19-26. doi: 10.13031/2013.2299
11. Grift T. E., Walker J. T., Hofstee J. W. Materials in Aerial Application – Part 2: Experimental Model Validation //Transactions of the ASAE. 2001. Т. 44. –No. 1. Pp. 27-34. doi: 10.13031/2013.2300
12. Макаров В.А., Темников В.Н., Темников К.В. Система приборного обеспечения дифференцированного внесения минеральных удобрений в ГИС-технологиях // Нива Поволжья. 2011. No1(18). С. 46-49.
13. Research and Design of Precision Fertilizer Application Control System Based on PSO-BP-PID Algorithm / Meng, Z., Zhang, L., Wang, H., et al. // Agriculture 2022, 12, 1395. doi: 10.3390/agriculture12091395
14. Новикова К.В. Автоматическое управление технологическими процессами в сельскохозяйственной технике // Научное Образование. 2024. No 3(24). С. 115-117.
15. Обоснование параметров пневмотранспортной системы пневматического типа с разделяющимися потоками в посевных комплексах и агрегатах для внесения твердых минеральных удобрений / С.Д. Ридный, Е. В. Кулаев, А.А. Димитров и др. // Аграрный научный журнал. 2025. No 12. С. 181–186. doi: 10.28983/asj.y2025i12pp181-186.
16. Бухмиров В.В., Родионов Г.А. Математическое моделирование двухфазных потоков в установках пневмотранспорта мелкодисперсных материалов // Вестник ИГЭУ. 2013. Вып. 5. С. 24-28.
17. Великанов Н.Л., Наумов В.А., Корягин С.И. Моделирование работы пневмотранспорта в импульсно-поршневом режиме // Технико-технологические проблемы сервиса. 2018. No3(45). С. 6-9.
18. Попенко А. Ю. Теоретические исследования движения частицы удобрения в закрытом наклонном воздушном канале // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. No. 2 (88). С. 118-122.
19. Разработка алгоритмов для системы анализа и обработки информации / А.А. Соколов, Ф.В. Чихтисова, А.М. Коломыц и др. // Международный научно-исследовательский журнал. 2014. No6 (25). —URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-algoritmov-dlya-sistemy-analiza-i-obrabotki-informatsii (Дата обращения 26.12.2025).
20. Разработка интеллектуальных алгоритмов для оптимизации автоматизации технологических операций / Василевский А.В., Хомченко А.Е., Макаров В.М. и др. // Экономика: вчера, сегодня, завтра. 2025. Том 15. No 4А. С. 190-199.
1. Karunathilake EMBM, Le AT, Heo S. The path to smart farming: innovations and opportunities in precision agriculture. Agriculture. 2023; Vol.13(8). 2-26 p. doi: 10.3390/agriculture13081593.
2. Shafi U, Mumtaz R, Garcia-Nieto J. Precision agriculture techniques and practices: from considerations to applications. Sensors. 2019; Vol.19:17. 2-25 p. doi: 10.3390/s19173796.
3. Dhoubhadel SP. Precision agriculture technologies and farm profitability. Journal of Agricultural and Resource Economics. 2021; Vol.46(2). 256-268 p. doi: 10.22004/ag.econ.303598.
4. Monteiro A, Santos S, Goncalves P. Precision agriculture for crop and livestock farming –Brief review. Animals. 2021; Vol.11(8). 23-45 p. doi: 10.3390/ANI11082345.
5. Bagrintseva VN, Ivashenenko IN, Dridiger VV. [Influence of fertilizers on corn yield in Stavropol Krai]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2023; Vol.37. 7. 29-33 p. doi: 10.53859/02352451_2023_37_7_29.
6. Sukhaeva AR, Bodyakina TV, Baldanov MB. [On the issue of mechanization of fertilizer application]. Nauchnyy zhurnal molodykh uchenykh. 2025; 2(42). 51-55 p.
7. Sidneva IE, Kurdyumov VI, Pavlushin AA. [Theoretical substantiation of working unit parameters of mineral fertilizer spreader]. Vestnik Ulyanovskoy gosudarstvennoy selskokhozyaystvennoy akademii. 2022; 3(59). 6-11 p. doi: 10.18286/1816-4501-2022-3-6-11.
8. Dimitrov AA. [Types of units for applying mineral fertilizers. Modern problems of agro-industrial complex]. Sbornik nauchnykh statey Instituta mekhaniki i energetiki, priurochennyy k 90-i nauchno-prakticheskoy konferentsii “Agrarnaya nauka –Severo-Kavkazskomu federalnomu okrugu”. Stavropol. 2025; 1. 205-208 p.
9. Ridnyy SD, Kulaev EV, Gritsay DI. [Development of a boom-type unit with a pneumatic transport system for differentiated application of fertilizer mixtures in resource-saving geoinformation agricultural technologies of precision farming]. Agroinzheneriya. 2025; 6 (27). 60-66 p. doi: 10.26897/2687-1149-2025-6-60-66
10. Grift TE. Mass flow measurement of granular materials in aerial application –Part 1: simulation and modeling. Transactions of the ASAE. 2001; Vol.44. 1. 19-26 p. doi: 10.13031/2013.2299
11. Grift TE, Walker JT, Hofstee JW. Materials in aerial application –Part 2: experimental model validation. Transactions of the ASAE. 2001; Vol.44. 1. 27-34 p. doi: 10.13031/2013.2300
12. Makarov VA, Temnikov VN, Temnikov KV. [Instrumentation system for differentiated application of mineral fertilizers in GIS technologies]. Niva Povolzhya. 2011; 1(18). 46-49 p.
13. Meng Z, Zhang L, Wang H. Researchand design of precision fertilizer application control system based on PSO-BP-PID algorithm. Agriculture. 2022; 12. 1395 p. doi:10.3390/agriculture12091395
14. Novikova KV. [Automatic control of technological processes in agricultural machinery]. Nauchnoe obrazovanie. 2024; 3(24). 115-117 p.
15. Ridnyy SD, Kulaev EV, Dimitrov AA. [Justification the parameters of pneumatic transport system of a pneumatic type with dividing flows in seeding complexes and units for applying solid mineral fertilizers]. Agrarnyy nauchnyy zhurnal. 2025; 12. 181-186 p. doi: 10.28983/asj.y2025i12pp181-186.
16. Bukhmirov VV, Rodionov GA. [Mathematical modeling of two-phase flows in pneumatic transport units for finely dispersed materials]. Vestnik IGEU. 2013; Issue 5. 24-28 p.
17. Velikanov NL, Naumov VA, Koryagin SI. [Modeling of pneumatic transport operation in pulse-piston mode]. Tekhniko-tekhnologicheskie problemy servisa. 2018; 3(45). 6-9 p.
18. Popenko AYu. [Theoretical research of fertilizer particle motion in a closed inclined air channel]. Izvestiya Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2021; 2 (88). 118-122 p.
19. Sokolov AA, Chikhtisova FV, Kolomyts AM. [Development of algorithms for an information analysis and processing system]. [Internet]. Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatelskiy zhurnal. 2014; 6 (25). [cited 2025, December 26]. Available from: https://cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-algoritmov-dlya-sistemy-analiza-i-obrabotki-informatsii.
20. Vasilevskiy AV, Khomchenko AE, Makarov VM. [Development of intelligent algorithms for optimizing technological operations automation]. Ekonomika: vchera, segodnya, zavtra. 2025; Vol.15. 4A. 190-199 p
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
Categories
License
Copyright (c) 2026 Vestnik of Kazan state agrarian university
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Метаданные научных статей, включая название, аннотацию, сведения об авторах, список литературы, идентификаторы и иные элементы библиографического описания для дальнейшего неограниченного использования, передаются в редакцию с правом их неограниченного использования на условиях открытой лицензии Creative Commons Attribution (CC BY).
