許績彤　李君　牛萌萌　薛坤鵬　陳佳森　周佳鑫

摘要：管網(wǎng)式噴霧系統(tǒng)在山地果園應(yīng)用普遍，作業(yè)過程中噴頭數(shù)量的改變會(huì)造成管網(wǎng)壓力波動(dòng)，從而降低霧化均勻性；為了解決系統(tǒng)壓力控制的快速性與準(zhǔn)確性，在對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)元件數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)上，提出了1種非線性壓力控制方法，對(duì)管網(wǎng)噴霧過程進(jìn)行模擬分析與試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：提出的壓力控制方法能克服模型參數(shù)時(shí)變和干擾不確定性的影響，動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，控制精度優(yōu)良，保證了霧化均勻性、農(nóng)藥利用率、噴霧防治效果。

關(guān)鍵詞：管網(wǎng)；施藥；建模；壓力控制

中圖分類號(hào)：S49 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002—1302（2016）01—0389—02

在果樹病蟲害防治中，化學(xué)防治為主要手段。由于我國大多數(shù)的果園立地條件為坡地，株行距小，且用于大田作物的噴霧機(jī)械難以在丘陵山區(qū)使用，因此作為果園管理重要環(huán)節(jié)之一的施藥作業(yè)依然處于較低的機(jī)械化生產(chǎn)程度，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，防治效果不理想。

近年來，管網(wǎng)式噴霧系統(tǒng)因其建設(shè)施工方便、作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度小、使用維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)而在山地果園中開始普及。該系統(tǒng)采用固定式管道網(wǎng)絡(luò)布局，利用動(dòng)力噴藥機(jī)械的柱塞泵將藥液池的藥液泵入管道，再經(jīng)管道輸送至果園的不同區(qū)域，工人們用軟管噴槍連接管道輸出節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行一定范圍內(nèi)的果樹施藥。噴霧壓力是影響噴霧量、霧滴直徑的關(guān)鍵因素。噴槍開閉時(shí)間以及作業(yè)數(shù)量的隨機(jī)變化會(huì)引起管道中藥液壓力波動(dòng)，進(jìn)而影響藥液在目標(biāo)果樹的有效沉積比例。噴頭作業(yè)數(shù)量的增加使管網(wǎng)負(fù)荷增加、瞬時(shí)壓力下降，降低了霧化均勻性；噴頭作業(yè)數(shù)量的減少會(huì)造成管網(wǎng)負(fù)荷減小、瞬時(shí)壓力升高，容易發(fā)生爆管現(xiàn)象。

為了解決水路系統(tǒng)壓力控制的快速性與準(zhǔn)確性，國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究。研究表明，比例-積分-微分（PID）控制、反饋線性化控制、模糊控制、參數(shù)自整定控制、自適應(yīng)控制以及魯棒控制等方法對(duì)于恒壓供水系統(tǒng)有較好的壓力控制效果。雖然固定管道施藥系統(tǒng)與城市管道供水系統(tǒng)相似，但是受果園建設(shè)的成本因素、管網(wǎng)流量規(guī)模的影響，前者系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡化，但不確定干擾、參數(shù)變化波動(dòng)較大，對(duì)于控制器的抵抗瞬時(shí)流量負(fù)荷變化能力要求較高。由于滑模變結(jié)構(gòu)控制和模糊控制對(duì)于系統(tǒng)參數(shù)變化和外界干擾的影響均具有自適應(yīng)性，因此本研究采用模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制方法設(shè)計(jì)管網(wǎng)式噴霧系統(tǒng)的壓力控制器。通過對(duì)管網(wǎng)主要元件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，確定管網(wǎng)系統(tǒng)的對(duì)象模型，構(gòu)建模糊滑模壓力控制器，進(jìn)行變流量負(fù)荷條件的數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證。本研究可為農(nóng)業(yè)管網(wǎng)式噴霧系統(tǒng)的壓力控制器設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)提高施藥系統(tǒng)的作業(yè)質(zhì)量和自動(dòng)化程度有應(yīng)用研究意義。

1管網(wǎng)元件數(shù)學(xué)模型

圖1為管網(wǎng)式噴霧系統(tǒng)的基本構(gòu)造。藥液泵的Q-H特性曲線通常采用2次或3次多項(xiàng)式進(jìn)行離散點(diǎn)的最小二乘法曲線擬合。本研究采用2次多項(xiàng)式表示揚(yáng)程曲線，即：

3驗(yàn)證分析

壓力控制試驗(yàn)用的樣機(jī)來自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的管網(wǎng)式噴霧壓力控制系統(tǒng)，由3.0 kW電動(dòng)機(jī)、45柱塞泵、電源組件、3.7 kW變頻器、流量計(jì)、壓力變送器以及壓力控制器等部件組成，柱塞泵流量42～52 L/min，工作壓力1.0～3.5 MPa，水平射程15～18 m。試驗(yàn)管網(wǎng)系統(tǒng)的主干管（DN20）長度15 m，各支管（DNl5）長度5 m，共6路支管。本試驗(yàn)測(cè)試過程中只在其中的3路支管裝有噴槍，封閉其余支管。

測(cè)試方式：為模擬變流量負(fù)荷工作狀態(tài)，試驗(yàn)過程中采用同時(shí)開閉支管噴槍的方式。噴霧機(jī)開啟工作后，管網(wǎng)的各支路噴槍全部打開。設(shè)定管網(wǎng)工作壓力為1.35 MPa；待管路壓力穩(wěn)定后，同時(shí)關(guān)閉其中2路噴槍，保留1路噴槍仍處于開啟狀態(tài)；17.5 s后，同時(shí)開啟已關(guān)閉的2路噴槍，直至系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。測(cè)試過程中用數(shù)據(jù)采集儀記錄管路流量、壓力數(shù)據(jù)，采樣時(shí)間為10ms。

由圖2、圖3可知，因2路噴槍在2.5 s時(shí)被同時(shí)關(guān)閉，實(shí)際噴藥量瞬時(shí)減少，導(dǎo)致管網(wǎng)壓力大幅增加，此時(shí)壓力控制器執(zhí)行降壓控制，通過管網(wǎng)壓力閉環(huán)反饋，降低藥液泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以減少供藥液量；10 s后管路系統(tǒng)的供藥液量與噴藥量達(dá)到穩(wěn)定值；20 s時(shí)重新開啟2路噴槍，實(shí)際噴藥量增加進(jìn)而使管網(wǎng)壓力瞬時(shí)減小，壓力控制器執(zhí)行升壓控制，通過管網(wǎng)壓力閉環(huán)反饋，提高藥泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速以增加供藥液量；12.5 s后管網(wǎng)壓力可以恢復(fù)到1.35 MPa。

對(duì)圖4、圖5管網(wǎng)壓力控制試驗(yàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，仿真計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果趨勢(shì)基本一致，控制瞬態(tài)響應(yīng)存在的差異主要是管網(wǎng)系統(tǒng)的非線性特征以及仿真計(jì)算時(shí)的參數(shù)取值誤差造成的。從圖2至圖5可看出，對(duì)于時(shí)變系統(tǒng)和不確定系統(tǒng)，模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制器具有良好的跟蹤性能和魯棒性?；谀：?guī)則的模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制方法可有效通過切換增益消除外界干擾和參數(shù)未知變化，同時(shí)也消除了變結(jié)構(gòu)控制帶來的抖振問題，保持了良好的動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)。

4結(jié)論

本研究針對(duì)山地果園管網(wǎng)式噴霧系統(tǒng)施藥過程中的壓力不穩(wěn)定問題，設(shè)計(jì)了1種非線性壓力控制器。在壓力控制器的設(shè)計(jì)過程中，直接把開關(guān)函數(shù)及其微分作為輸入量，通過模糊推理獲得滑動(dòng)模態(tài)控制的控制量，以消除線性化模型對(duì)系統(tǒng)誤差分析的影響。

基于建立的噴霧管網(wǎng)系統(tǒng)主要元件的數(shù)學(xué)模型，對(duì)施藥過程中的變負(fù)荷壓力控制進(jìn)行了仿真分析。為驗(yàn)證控制器的運(yùn)行效果，開展了試驗(yàn)研究。仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明：該壓力控制器可以滿足施藥管網(wǎng)壓力恒定的要求，動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，控制精度優(yōu)良。所設(shè)計(jì)的壓力控制器具有直接、簡單和可行的優(yōu)點(diǎn)，且能保持整個(gè)系統(tǒng)對(duì)參數(shù)時(shí)變和干擾不確定性的穩(wěn)定。