車載式施藥機末端執行器流量控制策略研究

王林生,王風燕，汪小志，高珍冉

(1. 河南工業職業技術學院 電子工程系，河南 南陽　473000；2.南昌大學 資源環境與化工學院，南昌　330031；3.南昌工學院，南昌　330108)

?

車載式施藥機末端執行器流量控制策略研究

王林生1,王風燕1，汪小志2,3，高珍冉3

(1. 河南工業職業技術學院 電子工程系，河南 南陽473000；2.南昌大學 資源環境與化工學院，南昌330031；3.南昌工學院，南昌330108)

摘要：我國是農業大國，農業經濟的健康、快速發展是我國現代經濟穩步增長的可靠保障，現代化農業的發展離不開自動化機械的幫助。近年來，車載式施藥機逐步在農業病蟲害防治中推廣使用，但是由于技術相對落后，在施藥過程中普遍存在“跑冒滴漏”、農藥噴施不均、漂移、蒸發、污染和施藥者中毒等問題。為此，在概述車載式施藥機系統的基礎上提出了基于PID壓力反應機制的末端執行器流量控制策略，并對其運行效率進行計算機仿真分析，以期在車載式施藥機行走速度不同的情況下保證相同的施藥量，并在減少對環境污染的同時也降低農業生產成本。

關鍵詞：車載式施藥機；PID壓力反應；流量控制；仿真分析；末端執行器

0引言

我國是一個農業大國，耕地面積廣泛，農作物種類繁多；但是，所有的農作物在生產過程中都會遭受病蟲害的威脅。因此，病蟲害防治是我國農業發展中的重要工作之一。據統計，我國每年遭受病蟲害的農作物面積超過2億hm2，而大部分地方的病蟲害防治措施依然是人工噴灑農藥，工作效率極低、施藥不均勻，容易造成農業化學污染。隨著農業機械化的不斷發展，在一些有經濟能力的地區開始使用車載式施藥機，大大提高了工作效率；但也出現了藥液霧滴漂移現象嚴重、藥液的附著率低，及造成土壤和環境污染嚴重等現象。目前，我國所采用的大多數車載式施藥機機械機構較簡單，作業方便性較差，自動化程度和施藥的安全性較低。

針對我國目前車載式施藥機流量不穩定、藥液附著率低等問題，研究開發具有國際水平的車載式施藥機末端流量執行器新技術是我國農業植保機械發展的首要任務。為此，本文提出了基于PID壓力反應機制的末端執行器流量控制策略，根據農戶需要設定具體施藥量，以保證車載式施藥機在變速行駛狀態下均勻施藥，可減少環境污染、提高勞動效率、降低農業生產成本。

1車載式施藥機系統概述

對于車載式施藥機的功能要求主要有以下幾個方面：

1)由于我國地形復雜、起伏變化大，需要施藥機在工作過程中實時調節車速，要求車載式施藥機系統能夠根據車速變化及時調節施藥機的機體壓力和施藥量，保證在不同的地形、地塊中根據農作物的具體需要均勻施藥。

2)整個車載式施藥機系統需要實現在線監測與控制，需要將機體壓力、施藥量及車速等變量指標實時顯現于計算機控制面。同時，還需要有一套完整的數據采集系統，及時采集數據信息并儲存，以便將車載式施藥機的工作流程展現給用戶，也方便今后的研究和改進。

3)對于各個施藥噴頭需要有獨立的控制程序，要求能夠在計算機上實現各個施藥噴頭的開閉控制，以便在復雜地勢作業時實現轉彎、掉頭停噴；并且能夠根據地形變化及時改變施藥寬度，提高工作效率，降低對農藥的浪費，保證均勻施藥。

本文設計的車載式施藥機的功能要求示意圖，如圖1所示。

本文采用的車載式施藥機系統如圖2所示。

圖2中，車載式施藥機主要包括農藥儲存裝置、農用機動力裝置及計算機控制裝置3部分，主要機器零件有藥泵、過濾器、藥箱、溢流閥、總開關、速度傳感器、流量傳感器、控制面板、液晶顯示屏、鍵盤、噴桿及噴頭。工作原理：農用機動力輸出帶動藥泵吸入農藥，通過計算機控制裝置預設流量，根據速度傳感器和流量傳感器傳回的數據，由計算機自動控制車載式施藥機末端執行器，保證農藥均勻噴出。在整個施藥過程中對施藥量產生影響的因素主要有壓力、速度、旁路調節閥。其影響表達式分別為：

壓力與流量關系為

(1)

其中，q1表示壓力為p1時的流量；q2表示壓力為p2的流量。

速度與流量關系為

(2)

旁路調節閥與流量關系為

(3)

圖1　功能要求示意圖

1.藥泵　2.過濾器　3.藥箱　4.溢流閥　5.總開關　6.速度傳感器

2末端執行器流量控制系統設計

在整個車載式施藥機控制系統中末端執行器流量控制裝置是最終執行系統，常見的控制系統有開環控制和閉環控制，如圖3所示。

常見的末端執行器流量控制系統包括控制器和控制對象兩部分。開環控制系統是傳統的控制方式，其控制的精確性主要依靠高精度系統元件來保障，由于系統結構相對簡單，因此系統運行的穩定性較差。閉環控制系統是基于信息反饋機制設計的，具有提高控制精確度、降低信號跟蹤誤差的優點；但是其缺點在于對控制元件的精度要求不高，可能導致對一些線性反映的靈敏度下降。針對這些傳統控制系統存在的弊端，本文提出了基于PID壓力反應機制的末端執行器流量控制系統，如圖4所示。

圖3　開環控制和閉環控制系統示意圖

圖4　PID壓力反應末端執行器流量控制系統示意圖

圖4中，P(s)表示藥液壓力；Q(s)表示實際施藥量；e表示實際施藥與計劃施藥的偏差；U(s)表示PID壓力反饋值。整個系統的運行原理如下：

執行器藥液壓力傳遞函數為

P1(s)=0.2U1(s)

(4)

PID壓力反饋值系數為

U=KP實+b

(5)

當輸出電壓穩定在0～5V之間時，執行器壓力最大值為2.5MPa，則有

U2(s)=2P2(s)

傳輸延遲函數為

(6)

將以上各式進行PID壓力反應變化可得到

Q=kU+m

(7)

(8)

(9)

(10)

由式(7)～式(10)可以得出基于PID壓力反應機制的末端執行器流量控制系統運行總函數為

(11)

基于PID壓力反應機制的末端執行器流量控制系統通過計算機控制施藥量，再根據藥液壓力反饋信息，對實際施藥量和計劃施藥量的逆差進行控制和修復，從而保證施藥量的準確無誤。此系統的開發與使用將提高農業生產效率，也可大幅度降低成本。

3仿真分析

上述的基于PID壓力反應機制的末端執行器流量控制系統具有傳統施藥流量控制器所不能比擬的優越性能，為檢驗其運行的穩定性，本文將對該系統進行基于MatLab模糊控制的仿真分析。該仿真系統結構示意圖，如圖5所示。

圖5　MATLAB模糊控制仿真分析系統示意圖

圖5中，基于MatLab模糊控制的仿真分析系統能夠利用計算機信息處理過程來檢驗實際施藥量是否與計劃施藥量存在偏差：如果存在偏差則發出警報，重新計算施藥量；反之則繼續施藥。系統反復的次數越少，說明基于PID壓力反應機制的末端執行器流量控制系統運行越穩定。

仿真系統的運行過程如下：

通過模糊控制仿真得到的結果是一個模糊集合。在實際操作中，需要確定的數值才能控制驅動運行程序。為方便用戶讀取仿真結果，需要先進行去模糊化。

1)取仿真結果模糊集合中隸屬度最大的數值作為仿真結果值，即

(12)

2)取仿真結果矩陣中每一列隸屬度最大的數值，求其平均值，即

(13)

(14)

其中，J=|{v}|，J為具有相同最大隸屬度矩陣列的總和。

利用加權平均值法求最終的仿真輸出值為

(15)

其中，系數ki需要根據實際情況選擇，不同的系統特性決定了不同的系數選擇。本文選擇基于MatLab模糊控制的仿真系數，以便準確對基于PID壓力反應機制的末端執行器流量控制系統進行仿真分析。

假設實際施藥量是否與計劃施藥量偏差變量為M、N，設置9個量化等級為

M=N= {-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}；建立如表1所示的實際施藥量與計劃施藥量的變量隸屬函數。

表1　實際施藥量與計劃施藥量的變量隸屬函數關系表

同時假設偏差變量系統為Ri，則有

R=R1∨R2∨R3∨R4∨R5

R1=NL(E)×PL(U)=NL×PL=NLT·PL

R2=NS(E)×PS(U)=NS×PS=NST·PS

R3=O(E)×O(U)=O×O=OT·O

R4=PS(E)×NS(U)=PS×NS=PST·NS

R5=PL(E)×NL(U)=PL×NL=PLT·NL

通過以上函數運算過程，可獲得仿真分析結果如圖6所示。

圖6　仿真結果示意圖

由圖6仿真結果可知：當藥液壓力在達到1MPa之前，系統處于不穩定狀態；而當藥液壓力達到1MPa之后，系統處于穩定狀態。此仿真結果說明基于PID壓力反應機制的末端執行器流量控制系統能夠很快達到穩定狀態，并一直處于穩定狀態。

4結語

農業機械的廣泛應用是我國現代化農業快速發展的保障，傳統的車載式施藥技術雖提高了農業生產速度，但也帶來了農藥浪費、施藥殘余過多及土壤化學污染等問題。本文提出的基于PID壓力反應機制的末端執行器流量控制系統運行穩定，將其推廣應用于車載式施藥機， 能夠保證施藥的精確度與均勻度， 期望該系統的推廣使用能夠為我國的農業機械化發展及農業經濟發展帶來新的機遇。

參考文獻：

[1]劉建，呂新民，黨革榮，等.植保機械的研究現狀與發展趨勢[J].西北農林科技大學學報：自然科學版，2003，31(10)：202-204.

[2]何雄奎.植保機械與施藥技術[J].植保機械與清洗機械動態，2002(4)：5-8.

[3]史巖，祁力鈞，傅澤田.壓力式變量噴霧系統建模與仿真[J].農業工程學報，2005(5)：118-122.

[4]陳勇，鄭加強，周宏，等.精確農業管理系統可變量技術研究現狀與發展[J].農業機械學報，2003，11(6)：156-159.

[5]陳勇，鄭加強.精確施藥可變量噴霧系統的研究[J]. 農業工程學報，2005，21(5):69-72.

[6]王錦江.農藥變量施藥控制系統研究[D].北京:中國農業機械化科學研究院,2007.

[7]郭克珺，劉明剛，畢武．2YTF-6 型液體施肥施藥自動控制系統設計[J]．林業機械與木工設備，2005，33(8)：21-22．

[8]翟長遠，朱瑞祥，隨順濤，等．車載式變量施藥機控制系統設計與試驗[J]．農業工程學報，2009，25(8)：105-109.

[9]黃勝．車載式施藥機變量施藥監控系統設計[D]．楊凌：西北農林科技大學，2011.

[10]隨順濤．車載式變量施藥機控制系統研究 [D]．楊凌：西北農林科技大學，2009.

[11]Paice M E R，Miller, P C H，Day W.Control requirements for spatially selective herbicide sprayers[J].Computers and Electronics in Agriculture，1996 ,14(2):163.

[12]King B A, Wal Rw.Distributed instrumentation for optimum control of variable speed electric pumping plants with center pivots[J].Trans of ASAE,2000,16(1):45-50.

[13]Chi L,Kushwaha R L.Measurement and control of an injection type agricultural sprayer[J]. SAE(Society of Automotive Engineers) Transactions，1990, 99(2):404-412.

[14]Alvin R Womac,Qu y D Bui. Development of variable flow rate fan spray nozzle for precision chemical application[C]//ASAE Annual International Meeting,2011:1125-1129.

Research on Flow Control Strategy of Terminal Actuator in Vehicle-mounted Spraying Machine

Wang Linsheng1, Wang Fengyan1, Wang Xiaozhi2,3,Gao Zhenran3

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 2.School of Resources Environment & Chemical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031,China;3.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108, China)

Abstract：China is a large agricultural country.It is a reliable guarantee for keeping steady economic growth and agricultural economic health and rapid development in modern China. The development of modern agriculture cannot go smoothly without the help of automation machinery. In recent years, vehicle-mounted spraying machine has gradually appeared in agriculture to promote the use of prevention. However,due to the relatively backward technology, in the process of applying pesticide prevalent "leaking",it appears in pesticide spraying uneven, drift, evaporation, pollution and pesticide poisoning and other issues. In light of these problems, a vehicle-mounted spraying machine system is proposed on the ends of flow control strategy based on PID pressure reaction mechanism actuator to ensure the running efficiency of computer simulation analysis. In order to ensure the application of vehicular pesticide spraying machine for walking the same amount of different speed, it not only reduces the pollution of the environment but also reduces the cost of agricultural production.

Key words：vehicle-mounted spraying machine; PID stress; flow control; simulation analysis; terminal actuator

文章編號：1003-188X(2016)03-0096-05

中圖分類號：TP277；S224.3

文獻標識碼：A

作者簡介：王林生(1981-)，男，河南南陽人，講師。通訊作者：汪小志(1981-)，女，武漢人，講師，博士研究生，(E-mail)wangxiaozhi@ncu.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金青年基金項目(51305152)

收稿日期：2015-01-10