自動控制技術在噴桿噴霧機變量噴施作業中的應用

陳治瑀

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

噴桿噴霧機是大面積農田植保作業的主力機型，具有工作效率高、可靠性好等優點，被廣泛應用于玉米、小麥、水稻、大豆、棉花等病蟲害的防治工作中，隨著我國土地連片經營面積的擴大，噴桿噴霧機所能發揮的作用也明顯提升。在噴桿噴霧機銷售量不斷提升的同時，由于我國農機企業對于噴桿噴霧機的研究起步較晚，噴桿噴霧機的技術還相對落后，機械作業過程的整體自動化程度相對較低，噴霧質量、噴施量、精確性等方面都有很大的提升空間。自動化技術作為農業機械發展所必需的技術，將其應用到噴桿噴霧機的功能優化中能有效提高植保作業質量，有利于變量噴霧和精確噴霧理念的實現。

1 噴桿噴霧機技術研究情況

近年來，我國農機研究人員在總結噴霧機應用質量和問題的基礎上，結合國際先進技術對農用噴桿噴霧機進行了大量的研究與改良工作，為噴桿噴霧機的技術提升奠定了堅實的基礎。鄧伏棟[1]等針對噴桿噴霧機受多種因素影響而產生的噴霧不均勻問題展開研究，證實了要提高農藥利用率，應當保證噴桿距冠層的距離保持在一定的范圍內，并設計了噴桿平衡和高度調節結構，應用了一種噴桿自動平衡控制系統和高度自動調節系統，并對噴桿調整的液壓回路進行了設計，建立了液壓控制調整噴桿狀態的計算機模型；吳彥強[2]等研制了一款風幕式高地隙噴桿噴霧機，該機利用風幕系統風機馬達驅動風機產生高速氣流,經風筒及風囊下方出風孔吹出,形成一道風幕，能有效隔絕或減弱自然風的影響，利用ANSYS Fluent軟件對風幕系統內部速度場進行仿真分析，對風幕效果進行了優化，利用該技術，在30～120 cm噴施高度霧滴漂移量可減少42.8%～83.0%，有效提高農藥利用率；吳兆鑫[3]等針對噴桿噴霧機的噴桿動態特性進行了研究和優化，建立了自走式噴桿噴霧機的鉸接式主動差速轉向模型，針對噴桿易發生變形導致噴霧沉積不均勻的問題進行了有限元分析，通過施加彈性拉索的方式有效抑制了噴桿彈性變形，有效提高了噴霧過程的穩定性；白海超[4]等對水田噴桿噴霧機噴霧裝置進行了優化設計，分析了影響噴霧質量的主要因素，運用ANSYS Workbench軟件建立噴桿的有限元模型，開展了自由狀態下的模態分析，對噴藥架的型材與結構進行了優化，有效降低了水田噴霧作業噴霧質量變異系數。

2 噴桿噴霧機結構特點與功能需求

2.1 主體結構

根據機械結構的不同，噴桿噴霧機主要包括自走式和懸掛式兩類，自走式噴桿噴霧機具有專用的底盤、動力和駕駛系統，而懸掛式噴桿噴霧機需要安裝于拖拉機上配套使用，對比來說自走式機型多為高地隙噴霧機，其底盤具有較高的離地間隙，能適應生產的中后期使用；懸掛式噴桿噴霧機受拖拉機底盤高度限制，多用于農業生產的前期和中期使用。總體而言，二者噴霧系統的結構和工作原理大體相同，如圖1為噴桿噴霧機的主體結構，主要的藥物噴施裝置包括噴桿機構、輸液管路、藥液箱、水路閥、水泵等，噴桿能夠實現升降和折疊，以適應不同的噴施需求[5]。

1.噴桿；2.懸掛連接機構；3.水泵；4.水箱；5.混藥裝置及控制器；6.行走機構；7.液壓油散熱器；8.液壓閥；9.噴桿調節機構

2.2 功能需求

1)農藥的自動混合需求。傳統的噴桿噴霧機噴施農藥前需要人工進行混藥操作，這一過程不僅會因為人工操作不精確而導致農藥配比不合理，還可能因為操作不當危害混藥人員的人身健康，因此，研究自動混藥功能十分必要[6]。

2)噴桿伸縮與升降控制。傳統噴桿噴霧機作業時，噴桿需要通過人工進行展開和固定，作業完成后再通過人工進行折疊，費時費力，同時噴藥高度的調整只能通過液壓控制配合人工觀察實施，缺乏控制過程的精確性，調整過程十分不便，需要通過自動控制技術實現噴桿伸縮與精確升降功能。

3)噴藥系統壓力控制。傳統的植保作業過程中，噴霧系統的工作壓力調整十分不便，通常只能根據噴施量匹配行駛速度以提高農藥利用率，導致噴施過程過于粗放，噴施的合理性受駕駛速度影響較大，需要通過自動控制技術實現噴藥泵壓力的便捷調整。

4)變量噴藥與智能控制。針對大面積的農田噴霧作業，傳統模式只能采用統一的噴施量進行作業，不能針對不同農田區域的作物需求、病蟲害情況進行噴施量的合理調整，普遍存在農藥浪費、作物藥害等問題，需利用自動化技術實現對噴施量的智能調整，能根據作物需求實施精確噴施。

5)線路規劃與行駛路線監測。傳統的生產過程中，噴桿噴霧機的行駛主要依靠駕駛員根據田間標識主觀判斷行駛路線與行駛直線性，但由于噴桿噴霧機幅寬很大，行駛中很難保證線路的精準，容易出現重噴、漏噴，因此，需利用自動控制技術提供行駛路線，并指導噴霧機準確行駛[7]。

3 變量噴霧機自動化硬件應用

現階段，市場上具有變量噴霧技術特點的噴桿噴霧機相對較少，先進機型主要以進口設備和正在研發的機型為主，實際應用并不多。從噴桿噴霧機的自動控制和變量噴霧功能需求進行分析，通過自動控制技術實現變量噴霧作業需要應用以下硬件技術。首先，選擇合理的上位機可編程控制器作為變量噴霧系統程序主控制器，主要負責處理監控數據并發出控制指令；其次，數據的輸入、輸出與功能擴展等功能通過下位機進行控制，下位機同樣通過可編程控制器進行控制，下位機的可編程控制器根據功能的不同通常為2～3個，下位機同時布置信息輸入接口、信息輸出接口、模擬量輸入(輸出)接口及數字擴展模塊和數字控制模塊；再次，功能實施的硬件包括壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器、轉速傳感器、液壓馬達、離心泵、操作按鈕、限位開關、電動閥、故障指示燈等組成。變量噴霧系統的硬件功能分布如圖2所示[8]。

圖2 變量噴霧系統的硬件功能分布

4 控制系統的運行邏輯

控制系統是變量噴藥合理實施的基礎保證，在噴霧幅寬確定的情況下，噴霧量的變化主要通過調整行駛速度、噴頭流量兩大參數來實現。在變量噴霧工作實施之前，工作人員應根據作物種類、病蟲害情況、作業天氣、農藥種類等合理設計不同田間位置的噴霧需求量，并形成作業處方圖。噴霧作業時噴霧機按照處方圖的路線和噴霧量執行噴藥作業，控制系統能夠根據噴桿噴霧機的行駛速度和噴頭流量計算出單位面積噴霧量，與預設方案的噴霧量進行對比后，調整噴頭位置的噴霧量，使其滿足預設方案要求。

噴霧量的控制主要從兩方面進行，一是通過控制系統管路中的電液比例閥，調整閥門開口的大小，從而精確控制噴頭位置的流量，并通過電液比例閥出口位置的流量傳感器監測流量變化是否滿足系統要求，使流量的控制滿足閉環控制技術特征，確保流量控制的精確性；二是通過轉速傳感器監測噴桿噴霧機的行駛速度，進而協調速度與噴頭流量之間的關系。

此外，自動控制系統還承擔以下控制功能：1)自動混藥功能，通過混藥電機和供水閥門、供藥閥門實現特定比例農藥藥液的混合配制；2)電液控制功能，通過電控技術控制液壓系統，實現噴桿自動展開與關閉、噴桿高度自動調節，并利用傳感器技術驗證噴桿的展開情況和升起高度，確保控制的精確性；3)內置衛星定位模塊，利用先進的差分定位技術實現高精度定位，監測噴桿噴霧機行駛路線的合理性[9]。

5 結語

在農業生產過程中，植保技術的合理應用十分重要，尤其在資源與環境問題成為社會關注熱點的新時代，變量噴霧技術作為精確農業發展的關鍵技術，在農業生產中的應用前景十分廣闊。但從我國農業生產的實際來看，先進的噴霧機械占比仍不高，生產過程中的中小型噴桿噴霧機仍存在質量低下、農藥跑冒滴漏、故障頻發、噴霧質量不合格等問題。因此，要真正提高變量噴霧技術的應用和普及程度，還應進一步提升基層噴桿噴霧機的整體應用水平，鼓勵農民及時更新換代農機，保證先進的變量噴霧技術更快普及到農業生產中。