王林生,王風(fēng)燕，汪小志，高珍冉

(1. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，河南 南陽　473000；2.南昌大學(xué) 資源環(huán)境與化工學(xué)院，南昌　330031；3.南昌工學(xué)院，南昌　330108)

?

車載式施藥機末端執(zhí)行器流量控制策略研究

王林生1,王風(fēng)燕1，汪小志2,3，高珍冉3

(1. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，河南 南陽473000；2.南昌大學(xué) 資源環(huán)境與化工學(xué)院，南昌330031；3.南昌工學(xué)院，南昌330108)

摘要：我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的健康、快速發(fā)展是我國現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步增長的可靠保障，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)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(nóng)業(yè)病蟲害防治中推廣使用，但是由于技術(shù)相對落后，在施藥過程中普遍存在“跑冒滴漏”、農(nóng)藥噴施不均、漂移、蒸發(fā)、污染和施藥者中毒等問題。為此，在概述車載式施藥機系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了基于PID壓力反應(yīng)機制的末端執(zhí)行器流量控制策略，并對其運行效率進(jìn)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(huán)境污染的同時也降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：車載式施藥機；PID壓力反應(yīng)；流量控制；仿真分析；末端執(zhí)行器

0引言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，耕地面積廣泛，農(nóng)作物種類繁多；但是，所有的農(nóng)作物在生產(chǎn)過程中都會遭受病蟲害的威脅。因此，病蟲害防治是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中的重要工作之一。據(jù)統(tǒng)計，我國每年遭受病蟲害的農(nóng)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(nóng)藥，工作效率極低、施藥不均勻，容易造成農(nóng)業(yè)化學(xué)污染。隨著農(nóng)業(yè)機械化的不斷發(fā)展，在一些有經(jīng)濟(jì)能力的地區(qū)開始使用車載式施藥機，大大提高了工作效率；但也出現(xiàn)了藥液霧滴漂移現(xiàn)象嚴(yán)重、藥液的附著率低，及造成土壤和環(huán)境污染嚴(yán)重等現(xiàn)象。目前，我國所采用的大多數(shù)車載式施藥機機械機構(gòu)較簡單，作業(yè)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(wěn)定、藥液附著率低等問題，研究開發(fā)具有國際水平的車載式施藥機末端流量執(zhí)行器新技術(shù)是我國農(nóng)業(yè)植保機械發(fā)展的首要任務(wù)。為此，本文提出了基于PID壓力反應(yīng)機制的末端執(zhí)行器流量控制策略，根據(jù)農(nóng)戶需要設(shè)定具體施藥量，以保證車載式施藥機在變速行駛狀態(tài)下均勻施藥，可減少環(huán)境污染、提高勞動效率、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。

1車載式施藥機系統(tǒng)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(fù)雜、起伏變化大，需要施藥機在工作過程中實時調(diào)節(jié)車速，要求車載式施藥機系統(tǒng)能夠根據(jù)車速變化及時調(diào)節(jié)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(jù)農(nóng)作物的具體需要均勻施藥。

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

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(xiàn)各個施藥噴頭的開閉控制，以便在復(fù)雜地勢作業(yè)時實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、掉頭停噴；并且能夠根據(jù)地形變化及時改變施藥寬度，提高工作效率，降低對農(nóng)藥的浪費，保證均勻施藥。

本文設(shè)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(tǒng)如圖2所示。

圖2中，車載式施藥機主要包括農(nóng)藥儲存裝置、農(nóng)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(guān)、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(nóng)用機動力輸出帶動藥泵吸入農(nóng)藥，通過計算機控制裝置預(yù)設(shè)流量，根據(jù)速度傳感器和流量傳感器傳回的數(shù)據(jù)，由計算機自動控制車載式施藥機末端執(zhí)行器，保證農(nóng)藥均勻噴出。在整個施藥過程中對施藥量產(chǎn)生影響的因素主要有壓力、速度、旁路調(diào)節(jié)閥。其影響表達(dá)式分別為：

壓力與流量關(guān)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(guān)系為

(2)

旁路調(diào)節(jié)閥與流量關(guān)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(guān)　6.速度傳感器

2末端執(zhí)行器流量控制系統(tǒng)設(shè)計

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

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

圖3　開環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖

圖4　PID壓力反應(yīng)末端執(zhí)行器流量控制系統(tǒng)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(tǒng)的運行原理如下：

執(zhí)行器藥液壓力傳遞函數(shù)為

P1(s)=0.2U1(s)

(4)

PID壓力反饋值系數(shù)為

U=KP實+b

(5)

當(dāng)輸出電壓穩(wěn)定在0～5V之間時，執(zhí)行器壓力最大值為2.5MPa，則有

U2(s)=2P2(s)

傳輸延遲函數(shù)為

(6)

將以上各式進(jìn)行PID壓力反應(yīng)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(yīng)機制的末端執(zhí)行器流量控制系統(tǒng)運行總函數(shù)為

(11)

基于PID壓力反應(yīng)機制的末端執(zhí)行器流量控制系統(tǒng)通過計算機控制施藥量，再根據(jù)藥液壓力反饋信息，對實際施藥量和計劃施藥量的逆差進(jìn)行控制和修復(fù)，從而保證施藥量的準(zhǔn)確無誤。此系統(tǒng)的開發(fā)與使用將提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(yīng)機制的末端執(zhí)行器流量控制系統(tǒng)具有傳統(tǒng)施藥流量控制器所不能比擬的優(yōu)越性能，為檢驗其運行的穩(wěn)定性，本文將對該系統(tǒng)進(jìn)行基于MatLab模糊控制的仿真分析。該仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖5所示。

圖5　MATLAB模糊控制仿真分析系統(tǒng)示意圖

圖5中，基于MatLab模糊控制的仿真分析系統(tǒng)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(fā)出警報，重新計算施藥量；反之則繼續(xù)施藥。系統(tǒng)反復(fù)的次數(shù)越少，說明基于PID壓力反應(yīng)機制的末端執(zhí)行器流量控制系統(tǒng)運行越穩(wěn)定。

仿真系統(tǒng)的運行過程如下：

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

1)取仿真結(jié)果模糊集合中隸屬度最大的數(shù)值作為仿真結(jié)果值，即

(12)

2)取仿真結(jié)果矩陣中每一列隸屬度最大的數(shù)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(quán)平均值法求最終的仿真輸出值為

(15)

其中，系數(shù)ki需要根據(jù)實際情況選擇，不同的系統(tǒng)特性決定了不同的系數(shù)選擇。本文選擇基于MatLab模糊控制的仿真系數(shù)，以便準(zhǔn)確對基于PID壓力反應(yīng)機制的末端執(zhí)行器流量控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

假設(shè)實際施藥量是否與計劃施藥量偏差變量為M、N，設(shè)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(shù)。

表1　實際施藥量與計劃施藥量的變量隸屬函數(shù)關(guān)系表

同時假設(shè)偏差變量系統(tǒng)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(shù)運算過程，可獲得仿真分析結(jié)果如圖6所示。

圖6　仿真結(jié)果示意圖

由圖6仿真結(jié)果可知：當(dāng)藥液壓力在達(dá)到1MPa之前，系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)；而當(dāng)藥液壓力達(dá)到1MPa之后，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。此仿真結(jié)果說明基于PID壓力反應(yīng)機制的末端執(zhí)行器流量控制系統(tǒng)能夠很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4結(jié)語

農(nóng)業(yè)機械的廣泛應(yīng)用是我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的保障，傳統(tǒng)的車載式施藥技術(shù)雖提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)速度，但也帶來了農(nóng)藥浪費、施藥殘余過多及土壤化學(xué)污染等問題。本文提出的基于PID壓力反應(yīng)機制的末端執(zhí)行器流量控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，將其推廣應(yīng)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(tǒng)的推廣使用能夠為我國的農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來新的機遇。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉建，呂新民，黨革榮，等.植保機械的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003，31(10)：202-204.

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

[3]史巖，祁力鈞，傅澤田.壓力式變量噴霧系統(tǒng)建模與仿真[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2005(5)：118-122.

[4]陳勇，鄭加強，周宏，等.精確農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)可變量技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2003，11(6)：156-159.

[5]陳勇，鄭加強.精確施藥可變量噴霧系統(tǒng)的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2005，21(5):69-72.

[6]王錦江.農(nóng)藥變量施藥控制系統(tǒng)研究[D].北京:中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)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(tǒng)設(shè)計[J]．林業(yè)機械與木工設(shè)備，2005，33(8)：21-22．

[8]翟長遠(yuǎn)，朱瑞祥，隨順濤，等．車載式變量施藥機控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(8)：105-109.

[9]黃勝．車載式施藥機變量施藥監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[D]．楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2011.

[10]隨順濤．車載式變量施藥機控制系統(tǒng)研究 [D]．楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，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(xiàn)標(biāo)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(xué)基金青年基金項目(51305152)

收稿日期：2015-01-10