模塊化精量噴霧控制閥組設計與試驗*

李加琪，杜娟, 2，孟繁君，趙利新，魏冉冉，印祥, 2

(1. 山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東淄博，255000； 2. 山東省旱作農業機械及信息化重點實驗室，山東淄博，255000)

0 引言

高地隙植保機在大田作物病蟲害防治中發揮著極為重要的作用，是農業現代化發展歷程中重要的農機具之一[1-4]。但是，高地隙植保機在實際作業過程中，由于田間施藥環境復雜多樣，車體行駛速度難以得到保證，導致藥劑浪費、施藥效果差等問題[5-7]。目前我國一些科研院所研制的基于處方圖、基于行駛速度或實時傳感器的變量噴霧植保機多數處在實驗室階段，并未得到推廣應用[8-9]，市場上生產的高地隙植保機主要采取均勻等量的噴霧方式進行田間噴藥作業，流量及噴幅調節多為手動調節，且控制方式也較為單一[10-11]，變量施藥控制技術仍是植保機重要研究方向。

隨順濤等根據車速變化設計了基于PWM的變量噴藥控制系統，實現了依據車速變化的變量施藥作業；孫文峰等[12]提出了基于神經網絡整定的PID控制變量施藥系統，能夠解決超調量大、穩態誤差大、響應時間長等問題，實現了單位面積內施藥量恒定的作業目標。莫錦秋等[13]提出的基于PWM技術的平移式變量噴灌機噴頭流量分配方法，將加權均分法和GA法結合在一起，在降低噴灑誤差的同時保證了處方值變化較小區域的噴灑均勻性。Mariano等[14]集成自動導航系統、全球衛星導航系統、電磁閥為執行機構的變量噴頭和PLC控制器開發的智能噴霧控制系統，能夠根據規劃的作業路線，參考作業處方圖實現農藥的定點定量噴施，除草精度達99%。

以上研究對精量噴霧控制閥組的結構設計及控制策略提供了重要理論依據，本文結合我國高地隙植保機噴藥裝置的應用需求，通過分析計算確定了閥體結構以及開關閥、限壓閥、流量控制閥、區段開關閥等閥體模塊的尺寸參數，設計了適用于高地隙植保機的精量噴霧控制閥組，并通過試驗測試其工作性能。

1 總體結構與工作原理

1.1 精量噴霧設計需求

對于高地隙植保機而言，實現精量噴霧作業旨在能根據環境需求實時調節噴藥量大小，要求噴霧系統能實現壓力和流量自動調節、多段噴桿獨立控制等功能。研究以雷沃ZP9500H噴桿噴霧機為精量噴霧控制系統最終試驗平臺，其性能參數如表1所示，為滿足其基本的噴霧性能要求和自動化控制功能，所設計的精量噴霧控閥組應滿足壓力范圍在0～1.5 MPa內自動調節、流量范圍在0～40 L/min內自動調節、三段噴桿獨立控制、穩壓以及作業參數實時反饋等功能。

表1 雷沃ZP9500H噴桿噴霧機技術參數Tab. 1 Technical parameters of Lovol ZP9500H spray rod sprayer

1.2 總體結構

精量噴霧控制閥組是精量噴霧控制系統的關鍵執行機構，主要由壓力變送器、區段開關閥、流量傳感器、流量控制閥、限壓閥、總開關閥、過濾器等組成，如圖1所示。其中，壓力變送器和流量傳感器用于讀取噴霧系統壓力和流量值并實時反饋；區段開關閥分別控制高地隙植保機的三段噴桿通斷；流量控制閥通過調節閥門的開度來實現噴霧系統總流量調節功能；總開關閥用于控制系統的整體開關；限壓閥主要用于限壓防爆。該精量噴霧控制閥組可根據噴幅和噴桿需求進行三段閥或多段閥的組合，能滿足不同型號噴桿植保機的工作需求。

圖1 精量噴霧控制閥組Fig. 1 Precision spray control valve group1.閥組安裝板 2.濾清器 3.總開關閥 4.限壓閥 5.流量控制閥 6.流量傳感器 7.區段開關閥 8.壓力變送器

1.3 工作原理

精量噴霧控制系統的工作原理如圖2所示，流量調節過程中，壓力變送器能實時檢測精量噴霧控制閥組管路壓力值，精量噴霧控制器通過讀取壓力變送器檢測的壓力值，并換算為實際流量值與上位機輸入的流量指令進行比較，將控制信號發送至電機驅動器以控制各閥體模塊電機的轉速和轉向，進而調節噴霧系統流量和控制三段噴桿開關，并實時采集作業參數。

圖2 流量控制原理圖Fig. 2 Flow control schematic

2 精量噴霧控制閥組設計

流量控制閥、總開關閥和區段開關閥的工作原理和結構組成相同，均以直流電機作為動力源，將直流電機的旋轉運動通過減速箱齒輪傳遞給螺桿軸，進而轉換為閥芯相對于閥體的直線往復運動以調節閥門開關或開度大小。因此，本文僅介紹流量控制閥的設計過程，其包括電控調流閥體設計、電機及減速箱選用等。

2.1 電控調流閥體設計

精量噴霧控制閥組調節流量的實質是通過調節節流口大小來實現調節流量的功能，對于手動控制閥門和電動控制閥門而言，其工作原理都是基于對閥芯相對位移的控制。而節流口形式的選擇對噴霧效果的影響至關重要，考慮到實際噴霧作業過程溫度、粘度變化等因素，本文選用軸向圓形節流口進行閥門的設計，其具有流量受溫度和粘度影響小、不易堵塞、調節范圍大等特點，節流口大小通過調節閥芯相對閥體的軸向運動行程實現改變，從而實現流量的調節。

根據閥體結構及工作原理，本文采用直流電機作為動力源進行精量噴霧控制閥組各閥體模塊的設計。電控調流閥體結構如圖3所示，主要包括手動旋鈕、齒輪減速箱、螺桿、直流電機、閥體、閥芯等，手動控制和自動控制兩種控制模式可自由切換。精量噴霧控制閥組工作時，直流電機的輸出動力經三級齒輪傳動將其傳遞給螺桿軸，通過控制螺桿軸的行程使閥芯相對于閥體做軸向運動，從而控制閥門的開關和開度。

高地隙植保機噴桿噴幅大多為6～12 m，藥泵流量和工作壓力范圍分別為31～56 L/min、0.5～2.0 MPa，考慮到經濟流速因素，設定給藥系統管道最佳流速為1.5～3.0 m/s，管路流體平均流速

(1)

式中：v——斷面平均流速，m/s；

Q——流體的流量，L/s；

A——管路的截面積，mm2；

d——管路直徑，mm。

為確保管道在最大和最小流量范圍內能順利過流和流量穩定，并具有較好的承受能力，根據式(1)，參考液泵最大流量和最佳給水流速確定閥體回水管路和主管路的直徑分別為20 mm、30 mm。

(a) 總裝配圖

(b) 整體結構示意圖圖3 電控調流閥體Fig. 3 Electronically controlled regulated valve body1.回流口 2.閥芯 3.閥體 4.直流電機 5.螺桿 6.齒輪減速箱 7.手動旋鈕

操作扭矩是電機選型的主要依據，需要通過閥門的最大操作扭矩確定，根據閥體的動作特性可知，閥門的最大操作扭矩發生在閥體打開瞬間，閥門操作扭矩計算公式如式(2)所示。

(2)

式中：T——閥門操作扭矩，N·m；

F——承受的靜壓力，N·m；

μ——摩擦系數，取μ=0.25；

D——閥門直徑，mm；

P——閥門工作壓力，MPa；

d0——閥門軸徑，mm。

閥門軸徑為8 mm，閥門直徑為20 mm，在植保機最大工作壓力為2 MPa時，由式(2)計算閥門操作扭矩T=1.26 N·m。綜合考慮閥體內摩擦因素、閥體加工及裝配精度等，確定閥門的最大操作扭矩Tmax為1.7 N·m。參考電機選擇原則，電機的輸出扭矩應留有一定余量，一般為閥門最大操作扭矩的1.2～1.5倍，即確定執行機構輸出力矩的范圍為2.04～2.55 N·m。

精量噴霧控制閥組設計要求區段開關閥能短時間內完成通斷動作，流量閥調節流量要求全行程動作時間小于10 s。為滿足噴霧系統微調性好、動作快的性能要求，綜合考慮閥體中閥芯動作參數特性并設計與之匹配的齒輪減速箱實現動力的傳遞，使執行機構具有合適的操作扭矩的同時不會產生大的轉速，根據公式

(3)

式中：t——全行程時間，s；

M——電動執行機構全行程圈數；

n1——減速箱的輸出轉速，r/min；

H——閥門行程高度，mm；

z——閥桿螺紋頭數；

s——閥桿傳動螺紋螺距，mm。

螺桿全行程圈數為13轉，全行程時間小于10 s時，根據式(3)計算減速機構的輸出轉速n1最小為78 r/min。齒輪箱的輸入力矩和轉速的范圍分別是

(4)

n0>n1×i

(5)

式中：T1——執行機構的輸出力矩(即齒輪箱的輸入力矩)，N·m；

T2——齒輪箱輸出力矩，N·m；

i——減速比；

η1——齒輪箱的整機效率；

n0——減速箱的輸入轉速，即執行機構的轉速，r/min。

根據電機轉速與功率關系

(6)

式中：P0——電機功率，kW；

k——電機的利用系數；

N——電機轉速；

T0——輸出轉矩；

η——執行機構的整機效率。

電機工作電壓為12 V，同時考慮到實際工作過程中存在傳動損失等，通過計算電機功率，確定采用額定電壓為12 V的無刷直流電機進行執行機構的設計，額定扭矩為1.6 kg·cm，主要技術指標如表2所示。本文設計的減速箱減速比為1∶30，其采用三級直齒輪傳動，實現減速增扭功能，結構示意圖如圖4所示，各級傳動比分別為1∶2.3、1∶3、1∶4。

表2 減速電機技術參數Tab. 2 Technical parameters of geared motor

圖4 電機及齒輪箱三維圖Fig. 4 Three-dimensional diagram of motor and gearbox1.電機 2.螺桿 3.齒輪減速箱 4.旋鈕

精量噴霧控制閥組實際工作時對流量控制閥、總開關閥以及區段開關閥提出的設計要求不同，各模塊工作性能參數詳見表3。

表3 精量噴霧控制閥組各模塊性能參數Tab. 3 Performance parameters of each module of the precision spray control valve group

2.2 精量噴霧控制器設計

2.2.1 精量噴霧控制器硬件設計

精量噴霧控制器是噴霧系統的核心部件，本文根據精量噴霧控制系統對信息采集與處理要求、控制閥組控制原理開發了具有通用性強、易開發等特點的精量噴霧控制器，結構如圖5所示。精量噴霧控制器以PIC18F258為中央處理器，工作電壓為5 V，選用電平轉換芯片MAX232對RS232電平信號和TTL電平信號進行轉換處理，此外還包括時鐘電路、重啟電路、壓力變送器、壓力傳感器、電源電路、閥組電機驅動電路等。

壓力變送器輸出的模擬信號通過A/D轉換器轉換為0～255的編碼范圍，將A/D采樣電壓與流量的關系函數置入PIC單片機內部，精量噴霧控制器能夠讀取壓力變送器檢測的壓力值，并換算為實際流量值與上位機輸入的流量指令進行比較，將控制信號發送至電機驅動器以控制閥組電機的轉速和轉向，進行實現流量的調節，并實時采集作業參數。

圖5 精量噴霧控制器結構框圖Fig. 5 Block diagram of the precision spray controller

精量噴霧控制器采用PID反饋調節算法作為流量調節的主要算法，通過計算實際流量值與目標流量值之間的差值動態調節系統流量。壓力變送器實時檢測系統壓力并換算為實際流量Q1，設上位機輸入的流量值為Q2，則壓力誤差E(ti)和輸出信號St分別為

E(ti)=Q2-Q1

(7)

St=KP×E(ti)+KI×[E(ti)-2E(ti-1)+E(ti-2)]+KD×[E(ti)-E(ti-1)]

(8)

比例系數KP、積分時間常數KI和微分時間常數KD需要通過精量噴霧試驗確定，以保證精量噴霧系統在快速響應的同時具有較小的超調量。當輸出信號St>0 時，噴霧控制器將控制信號發送至電機驅動器以控制無刷電機沿一定方向旋轉，使壓力誤差E(ti)減小到最小值Emin；當輸出信號St<0時，則無刷電機反方向旋轉，使壓力誤差E(ti)減小到最小值Emin；當St=0 時，無刷電機停止轉動。

2.2.2 精量噴霧控制器軟件設計

根據精量噴霧控制器硬件電路、調節控制算法等要求，設計了精量噴霧控制器工作流程圖(圖6)，控制程序使用C語言開發，以PIC18F258單片機為運行平臺，并在實驗室進行了初步的調試和試驗驗證。

圖6 系統控制流程圖Fig. 6 System control flow chart

系統初始化后，首先接收上位機輸入的流量指令Q2；取壓力變送器的模擬輸出值并通過A/D轉換器的轉換端口讀取壓力變送器反饋的數值Q1，觀察是否達到預設流量以及與預設流量的差值，然后根據PID調節控制算法計算St，判斷是否改變閥芯的位置，判斷St的大小后向電機驅動器發送相應的PWM信號和高低電平信號，通過調節PWM輸出信號的占空比和高低電平控制電機的轉速和轉向，進而改變噴霧控制閥組的節流口開度，實現流量調節。

3 試驗測試與結果分析

為驗證精量噴霧控制閥組的工作性能，將其集成安裝在精量噴霧試驗臺上，于2021年9月15—19日在山東理工大學農業裝備實驗室進行作業性能測試。

3.1 試驗方法

閥門流量特性曲線對閥體特性分析具有重要意義，指被控介質流過閥門的相對流量與閥門的相對開度間的關系[15]，函數關系如式(9)所示。根據壓力調節流量要求，首先通過傳感器標定試驗獲取三段噴桿不同工作狀態下壓力變送器信號值與實際流量之間的函數關系，然后記錄與之對應不同閥門開度下的實際流量值，最后分析并繪制流量特性曲線。

(9)

式中：Q——某一開度流量，L/min；

Qmax——全開時流量，L/min；

l——某一開度行程，mm；

L——全開行程，mm。

3.2 傳感器標定試驗

試驗過程中，三段噴桿和流量閥設為全開狀態，閥組入口處的流量和壓力值通過控制變頻電機轉速而調節，每次試驗調節的壓力值約0.02 MPa，待系統穩定后，分別采集壓力變送器和流量傳感器反饋的數字信號值、閥體入口處的流量和壓力值、噴桿處的流量和壓力值。

試驗記錄的壓力變送器信號值和實際壓力值、流量傳感器信號值和實際流量值的對應關系曲線如圖7所示，經計算線性擬合決定系數分別為0.998 8、0.998 7，表明試驗數據吻合度較高，壓力變送器與流量傳感器信號值與實際觀測值之間的函數關系分別為

Po=0.008×P1-0.338

(10)

Qo=0.620 8×P2-25.047

(11)

式中：Po——實際壓力，MPa；

Qo——實際流量，L/min；

P1——壓力變送器輸出信號值；

P2——流量傳感器輸出信號值。

(a) 壓力變送器計算值與觀測值

(b) 流量傳感器計算值與觀測值

(c) 壓力信號與流量觀測值的關系圖7 壓力變送器與流量傳感器標定試驗Fig. 7 Calibration test of pressure transmitter and flow sensor

壓力變送器信號值和實際流量值的對應關系曲線如圖7(c)所示，根據噴霧系統壓力調節流量的控制要求，進一步通過數據擬合得到壓力變送器的壓力信號值與實際流量之間的函數關系為

Qa=-0.002 8×P12+0.887×P1-24.895

(12)

經計算，線性擬合決定系數為0.997 5，最大標定誤差發生在流量值為15 L/min內，為13%，屬于不常用流量范圍；試驗平均標定誤差為1.7%，表明標定精度可靠，試驗結果滿足控制要求。

一段、兩段或三段噴桿全開狀態試驗過程和原理相同，同理可獲得一段或兩段噴桿為全開狀態時對應的壓力變送器輸出壓力信號值與噴霧系統實際流量值之間的函數關系式，以根據不同噴霧要求實現噴桿的分段控制。

3.3 流量特性測試試驗

試驗過程，三段噴桿為全開狀態，通過調節變頻電機轉速設置精量噴霧控制閥組入口處的壓力(即閥組內管路壓力)和流量值分別為0.9 MPa、40 L/min，采樣頻率設置為10 Hz，試驗過程中控制閥組電機順時針勻速緩慢旋轉從最小開度到最大開度連續調節，從發送驅動指令到電機觸碰到限位開關停止轉動過程，通過串口記錄壓力變送器的信號輸出值，并將信號輸出值根據標定公式計算為實際流量值，進行中值濾波處理繪制了如圖8所示的實際流量值隨閥門開度變化的流量變化曲線。

圖8 流量變化曲線Fig. 8 Flow change curve

由圖8可知，相對行程在0%～10%調節范圍內，流量值變化程度較小；當閥門開度調節至相對行程為70%后流量值趨于穩定。研究截取直流電機的有效行程范圍，根據式(9)計算閥門相對開度對應的相對流量，流量特性曲線見圖9。

圖9 流量特性曲線Fig. 9 Flow characteristic curve

由圖9可知，相對行程在0%～60%范圍內斜率保持一致，即當閥體的閥門開度緩慢增大時，實際流量值變化較為均勻，符合線性流量特性，表明該精量噴霧控制閥組具有較好的微調性。此后呈現的變化趨勢由閥體結構及參數決定，對預期精量噴霧設計結果影響較小。

4 結論

本文針對我國現有植保機械自動化程度不高、施藥均勻性差等問題，根據高地隙植保機的噴霧系統組成和技術要求，通過分析計算確定了閥體結構以及開關閥、限壓閥、流量控制閥、區段開關閥等閥體模塊的尺寸參數，并在精量噴霧試驗臺上進行性能測試。

1) 基于模塊化設計理念，集成總開關閥、限壓閥、流量控制閥、區段開關閥等模塊，設計了適用于高地隙植保機的精量噴霧控制閥組，能夠實現壓力和流量自動調節、噴桿分段獨立控制、穩壓及參數實時反饋等功能。

2) 所設計的精量噴霧控制器，以PIC單片機為核心處理器，能實時讀取壓力傳感器的輸出信號并進行處理，將其與上位機輸入的流量指令進行比較，并將控制信號發送至電機驅動器以控制電機的動作狀態來調節閥門開度，進而調節噴霧系統流量。

3) 壓力變送器標定試驗結果表明，壓力與流量近似呈線性關系，線性擬合決定系數為0.997 5，最大標定誤差發生在流量值為15 L/min內，為13%，屬于不常用流量范圍；試驗平均標定誤差為1.7%，表明標定精度可靠，試驗結果滿足控制要求。

4) 流量特性測試試驗表明，本文所研制的精量噴霧控制閥組可調節的最大流量約為40 L/min，實際的流量值與閥門開度成正比，符合線性流量特性關系，且微調性好，滿足精量噴霧設計需求。