數學建模下的植保機定量施藥系統設計分析

賽朋飛,周永濤,李 圓

(黃河交通學院,河南 焦作 454950)

0 引言

近年來,興起的植保機技術先后在種植、養護及管理環節得到有效推廣,尤其針對一些人工培育無法到達的農田區域,實施植保機施藥管理是很好的管理方法。另外,從綠色化與時代化角度出發,越來越多的農作物產出更加傾向注重人們的健康與可持續價值,需要從農作物的培養養護角度實施改善。經查閱文獻與實踐調查可知,當前植保機實施藥物管理作物技術不斷革新,從輕量化、功能化、持久化角度優化較多,但如何最大化地實現噴施農藥的價值,平衡綠色與管理之間的關系,成為一個思考方向。為了適應我國農機裝備精準化設計要求,以體現社會效益與資源效益為原則,筆者擬選擇數學建模理論針對植保機的施藥系統展開分析研究。

1 植保機概述

植保機是一種較為智能的農機裝置,用于農作物的施肥與施藥管理技術較為成熟,主要采取的施藥方式有噴霧法、超低量法及彌霧法等,是通過機體上的自動控制、伺服驅動等來達到合理施藥的應用目的?；跀祵W建模的植保機的核心架構體系組成,如圖1所示。同時,結合表1植保機的主要技術特征及參數列表可知:一套完備的植保機由飛行控制系統、電路保障系統、自穩定系統、路徑規劃系統、施藥任務系統、作業噴施系統及環境參數系統等組成,為了確定施藥任務系統與作業噴施系統之間的內在聯系,以數學控制與數學建模為切入點,思考如何布局與設計實現施藥系統的定量精準性問題。

圖1 植保機的核心架構體系組成簡圖Fig.1 Diagram of the composition diagram of core architecture system of plant protection vehicle

表1 植保機的主要技術特征及參數Table 1 Main technical features and parameter of the plant protection vehicle

續表1

2 定量施藥系統數學建模

2.1 數學模型建立

以實現系統的充分藥液混合、均勻噴施為目標,選擇系統的噴桿、噴嘴及系列閥組構成的沿程管路為設計主體,建立用于噴施藥物的流量、壓力及阻力損耗之間的準確數學關系。該施藥系統的核心數學模型為

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式中Tc—定量施藥系統的時間常數;

c0—施藥系統噴出的藥液濃度;

ci—施藥系統瞬時流經節點濃度;

t—定量施藥系統的作業時間;

τc—定量施藥系統的數據傳輸延遲;

K—定量施藥系統數學模型下的靜態增益;

qc—定量施藥系統流經節點的瞬時藥液流量;

qm—定量施藥系統流出節點的瞬時藥液流量;

K1、K2、Φ1、Φ2—定量施藥系統數學模型下的修正參數。

在核心數學模型中植入模糊控制機制,進行連貫協同的定量施藥系統準確建模,設置施藥參量與控制接口為閉環,通過相匹配的接口電路及程序指令,以隸屬函數為執行規則,完成施藥作業時機、施藥模式與施藥作業量的目標實現。

考慮施藥環節執行閥門的開度、壓力等重要影響因素,建立基于數學建模的植保機定量施藥流程規劃,如圖2所示。在選定了速度、流量及高度有效初始參數前提下,結合植保機的飛行控制系統實時傳輸指令,針對不同流量下的模型確定任務執行的通道,同步將執行參數進行雙向反饋,從而達到定量化精準控制施藥目標。

圖2 基于數學建模的植保機定量施藥流程規劃簡圖Fig.2 Schematic diagram of quantitative application process planning of the plant protection vehicle based on the mathematical modeling

2.2 系統軟件控制設計

以實現工作系統的高效率為出發點,進行軟件控制模塊的內部單元劃分,給出植保機定量施藥系統的內部軟件控制結構簡圖,如圖3所示。將結構準確分解為系統內核、SQL編譯、處理后端及計算附件4個應用單元,在各單元負責功能實現的組件命令下,如數學模型分析、參數數學修正、命令處理等,最終形成施藥相關作業動作指令的有效輸出。

選擇ARM作為核心處理器,在噴施藥量與均勻度設為關鍵控制參數后,選定嵌入方式的控制器,設計輸入主程序,再分別植入噴施執行程序、濃度調控程序及相應地通信程序等,內部調控以實時比較反饋為主,著重以飛行參數與噴施參數之間最佳協同化為主。

2.3 系統硬件配置選型

根據植保機噴施過程的作物到達藥量與機體的實時作業狀態的關系,以數據信號傳輸的實時分級實現為前提,選定如表2所示的數學建模下的植保機定量施藥系統硬件執行部件及參數特征。其中,ULWA型噴頭與電液補償性能的比例控制閥是進行定量化噴施的主體。

圖3 植保機定量施藥系統的內部軟件控制結構簡圖Fig.3 Structure diagram of internal software control of the quantitative spraying system of the plant protection vehicle

表2 數學建模下的植保機定量施藥系統硬件執行部件及參數特征Table 2 Hardware executive components and parameter characteristics of quantitative medicine system of plant protection vehicle under the mathematical modeling

在選定參數特征及組件后,給出數學建模下的植保機施藥系統主要硬件配置框圖,如圖4所示。此硬件配置以待噴施作物所處的環境數據信息數傳平臺為載體,通過植保機地面的測控模塊采集準確信息后,同步布置兩路驅動放大電路進行信號的處理與調理分析,一路用于處理各壓力、流量傳感裝置控制的信號,一路與施藥系統的噴頭組件形成具有連續性的可調流量噴施,各系列動作通過內部嵌入的藥液回路速度、壓力及流量執行控制組件連接完成。

圖4 植保機定量施藥系統的主要硬件配置框圖Fig.4 Block diagram of the main hardware configuration of quantitative spraying system of the plant protection vehicle

3 整機試驗

3.1 作業條件

基于上述較為完整的數學建模下的植保機定量施藥系統,依據數學建模下的植保機定量施肥作業數據識別流程(見圖5),選擇面積為100m2的待噴施農田展開整機作業試驗,農作物對象為冬小麥。同時,確保主要作業滿足如下條件:

①作業試驗分組以一致性、同等性為原則,不考慮中間藥液添加等因素影響; ②系統的藥液混合、輸入與噴出各環節動作順暢;③作業過程植保機與地面通信線路良好、監控顯示正常等。

3.2 過程分析

設定系統的安全閥組壓力一定,植保機實施作業的飛行速度為5km/h勻速進行,選定系統的施藥預定流量范圍為2.50～6.00L/min,進行數據記錄分析,得到基于數學建模的植保機定量施藥系統作業試驗數據統計,如表3所示。由表3可知:在同等的噴施作業條件下,將噴施作業田進行有序噴施,當系統的預設流量為2.50L/min時,實際監測流量為2.56L/min;當系統的預設流量為3.50L/min時,實際監測流量為3.43L/min;依次以0.5L/min預設流量進行遞增,可看出兩者的相對誤差控制在2.5%范圍內,且平均相對誤差為1.83%,驗證了該數學建模應用于植保機施藥系統的可行性與定量準確性。

圖5 數學建模下的植保機定量施肥作業數據識別流程簡圖Fig.5 Flow chart of quantitative fertilization operation data identification of the plant protection vehicle under the mathematical modeling

表3 基于數學建模的植保機定量施藥系統作業試驗數據統計Table 3 Statistics of spraying test data of quantitative application system on plant protection vehicle based on the mathematical modeling

選定植保機所具備的、用于衡量作業性能的系統施藥精度、系統穩定性、系統響應速度、綜合節藥率、施藥均勻度及整機作業效率作為關鍵地對比參數,形成數學建模應用下的植保機施藥作業試驗效果對比,如表4所示。由表4可看出:經過系統、深入、縝密地數學建模設計優化,植保機的各項作業指標得到很好地提升,施藥精度由86.70%提升至96.44%,系統穩定性由85.20%提升至92.75%,整機綜合節藥率相應地由86.14%提升至95.42%,施藥均勻度由85.46%優化為94.53%,作業效率由87.50%改善為94.79%。

表4 數學建模應用下的植保機施藥作業試驗效果對比Table 4 Comparison of pesticide spraying test results of the plant protection vehicle under the application of the mathematical modeling %

4 結論

1)在當前植保機通用作業機理的基礎上,以最大限度地實現植保機施藥系統的定量化作業為目標,從本質化的數學建模角度出發,以藥液噴施特性與系統核心控制相結合,建立數學理論模型,并進行相應的軟件設計與硬件配置,形成完整化、全性能的定量施藥系統。

2)選取此數學建模下的植保機定量施藥系統作為試驗對象,展開定量性能驗證的噴施作業,結果表明:經數學建模設計分析后,植保機在確保了系統穩定性運行的條件下,施藥精度與施藥均勻度得到明顯提升,可較好地實現施藥系統定量化指標控制要求,且整機作業效率相對提高了7.29%。