田 磊，靳繼紅，王明緒

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473000；2.焦作師范高等專(zhuān)科學(xué)校 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 焦作 454001)

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基于嵌入式PID的噴霧頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及霧化效果仿真

田 磊1，靳繼紅2，王明緒1

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473000；2.焦作師范高等專(zhuān)科學(xué)校 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 焦作 454001)

針對(duì)噴霧施藥過(guò)程中藥物的不合理利用現(xiàn)象，提出了一種噴霧頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)了一種壓力流量自動(dòng)調(diào)控噴霧頭。該方法結(jié)合了嵌入式PID控制和遺傳優(yōu)化算法，將噴頭機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成空心圓錐霧化噴嘴形式，對(duì)壓力和流量調(diào)節(jié)過(guò)程進(jìn)行遺傳編碼，采用積分和比例系數(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制過(guò)程。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)噴霧頭噴嘴的噴霧效果，對(duì)噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)和外邊噴霧場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬，通過(guò)數(shù)值仿真模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)：采用嵌入式優(yōu)化算法對(duì)噴嘴的流量和壓力進(jìn)行控制，加大了噴霧的面積，增強(qiáng)了霧滴的粉碎程度，實(shí)現(xiàn)了均勻的噴藥過(guò)程，提高了藥物的利用率，為生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了技術(shù)支持。

農(nóng)藥噴施；空心圓錐；遺傳編碼；嵌入式PID

0 引言

噴霧施藥技術(shù)是農(nóng)作物病蟲(chóng)害防治的重要內(nèi)容，被世界各個(gè)國(guó)家廣泛關(guān)注。當(dāng)前國(guó)際噴霧施藥技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)是精細(xì)和低量，將藥物精量準(zhǔn)確地施加到農(nóng)作物上是當(dāng)前施藥技術(shù)的發(fā)展方向。要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥，必須對(duì)噴霧頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)藥物的變流量控制。目前，我國(guó)農(nóng)作物噴藥手動(dòng)式噴霧的應(yīng)用十分廣泛，如圖1所示。

圖1 農(nóng)作物噴霧施藥示意圖

落后的施藥機(jī)械與農(nóng)藥使用觀念導(dǎo)致農(nóng)藥不合理利用現(xiàn)象極為嚴(yán)重，造成在農(nóng)藥使用過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生“跑冒滴漏”現(xiàn)象，致使農(nóng)藥利用率僅為20%-30%，農(nóng)藥流失率高達(dá)70%以上，且農(nóng)藥分布不均勻高達(dá)46.6%以上。藥物如果沒(méi)有被合理地利用，不僅會(huì)降低病蟲(chóng)害防治的效果，而且會(huì)造成環(huán)境的極大破壞，阻礙生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

針對(duì)噴霧施藥過(guò)程中藥物的不合理利用現(xiàn)象，提出了一種新的噴霧頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，該方法結(jié)合嵌入式PID和遺傳優(yōu)化算法，將其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成空心圓錐霧化噴嘴形式，采用嵌入式優(yōu)化算法對(duì)噴嘴的壓力進(jìn)行控制，增大了噴霧的面積，提高了霧滴的粉碎程度，將農(nóng)藥均勻的噴施在農(nóng)作物上，從而最大限度地利用農(nóng)藥。

1 農(nóng)用壓力噴嘴結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)

本研究采用壓力噴嘴對(duì)農(nóng)用噴霧頭進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要機(jī)械結(jié)構(gòu)采用空心圓錐霧化噴嘴。該噴嘴通過(guò)在內(nèi)部流道安裝環(huán)形墊片以實(shí)現(xiàn)(見(jiàn)圖2右圖)空心圓錐霧化噴霧形狀。實(shí)際外形如圖2左圖所示。噴射壓力范圍為0.6～6MPa，流量范圍為6.0～26kg/h, 噴霧錐角2θ=60°～90°。

為了提高噴霧裝置的設(shè)計(jì)精度，采用PID控制和遺傳算法對(duì)裝置的噴霧性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用FLUENT數(shù)值仿真模擬軟件對(duì)噴霧效果進(jìn)行仿真模擬。噴霧屬于典型的多相流，牽涉到以液滴形式存在的離散相、液滴周?chē)鷼怏w介質(zhì)連續(xù)相兩相，其總體設(shè)計(jì)框架如圖3所示。

圖2 壓力噴嘴噴霧示意圖

圖3 農(nóng)藥壓力噴嘴設(shè)計(jì)優(yōu)化總體框架

其設(shè)計(jì)過(guò)程主要采用PID算法和遺傳算法對(duì)噴霧頭的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化，采用數(shù)值仿真模擬對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行分析。采用數(shù)值模擬方法研究噴霧現(xiàn)象有助于更加深入地認(rèn)識(shí)噴霧機(jī)理以及指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。數(shù)值模擬可以提供完整的流場(chǎng)的局部分析結(jié)果，因此可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)中因?yàn)榭陀^因素或是人為因素導(dǎo)致的結(jié)果不完整等缺陷。

2 基于自適應(yīng)PID算法的噴嘴優(yōu)化設(shè)計(jì)

PID控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。本文運(yùn)用嵌入式PID控制原理實(shí)現(xiàn)噴霧壓力的調(diào)節(jié)過(guò)程，主要控制流程如圖4所示。

圖4 噴嘴壓力調(diào)節(jié)

控制結(jié)構(gòu)總體分為4部分，主要包括輸入部分、輸出部分、遺傳算法控制器和PID控制器，其控制過(guò)程如圖5所示。

圖5 嵌入式PID控制器結(jié)構(gòu)示意圖

PID控制器主要包括流量控制環(huán)節(jié)、壓力控制環(huán)節(jié)和傳感控制環(huán)節(jié)，其壓力控制方程為

(1)

其中，kb為積分比例系數(shù)；kw為微分比例系數(shù)；T為采樣周期；e為計(jì)算誤差。將控制誤差可以寫(xiě)成二進(jìn)制遺傳序列，則

(2)

(3)

其中，x是一個(gè)隨機(jī)的實(shí)數(shù)，且x∈[0,1]。對(duì)速度序列進(jìn)行變異操作，則

(4)

其中，N為一個(gè)大的正數(shù)；s為n維空間的一隨機(jī)方向。嵌入式系統(tǒng)的自適應(yīng)值和編解碼可以通過(guò)編程的方式實(shí)現(xiàn)，使用的主要程序如下：

適應(yīng)值函數(shù)

function [sol, val] = gabpEval(sol,options)

nntwarn off

XX=premnmx(XX);YY=premnmx(YY);P=XX;

T=YY;R=size(P,1);S2=size(T,1);S1=25;

S=R*S1+S1*S2+S1+S2;

for i=1:S,

x(i)=sol(i);

end;

編解碼函數(shù)

function [W1, B1, W2, B2, P, T, A1, A2, SE, val]=gadecod(x)

nntwarn off;XX=premnmx(XX);YY=premnmx(YY);

P=XX;T=YY;R=size(P,1);S2=size(T,1);S1=25;%

S=R*S1+S1*S2+S1+S2;

for i=1:S1,

for k=1:R,

W1(i,k)=x(R*(i-1)+k);

End end

......

3 農(nóng)用壓力噴嘴霧化效果仿真模擬

為了驗(yàn)證壓力噴霧控制數(shù)學(xué)模型和算法的有效性與可靠性，采用數(shù)值仿真模擬的形式對(duì)噴霧效果進(jìn)行分析，選用的氣泡霧化噴嘴模型為外氣內(nèi)液型，包括液體進(jìn)口、氣體進(jìn)口、混合腔、噴嘴出口4個(gè)主要結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由圖6可以看出：由于混合腔計(jì)算域結(jié)構(gòu)規(guī)則對(duì)稱(chēng)，所以采用ICEM CFD中的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法。網(wǎng)格的劃分形式如圖7所示。

為了提高計(jì)算的精度，網(wǎng)格劃分采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)噴嘴中心側(cè)進(jìn)行加密處理。計(jì)算區(qū)域的外側(cè)網(wǎng)格劃分如圖8所示。

為了提高計(jì)算速度，采用內(nèi)密外疏的網(wǎng)格劃分方法，并在ICEM CFD中分別設(shè)置流體進(jìn)口、注氣孔為進(jìn)口邊界，噴嘴出口為出口邊界，混合腔壁為壁面邊界。

霧化射流場(chǎng)的瞬態(tài)模擬方法中液滴的位置將在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)更新。當(dāng)氣液兩相相互耦合時(shí)，液滴位置在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的耦合迭代計(jì)算時(shí)更新。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.00001s，計(jì)算兩百步后射流充分發(fā)展，其形態(tài)如圖9所示。由圖9可以看出：數(shù)值仿真模擬和實(shí)驗(yàn)的噴霧形態(tài)相吻合，從而驗(yàn)證了數(shù)值仿真模擬的有效性和可靠性。

圖7 計(jì)算域網(wǎng)格劃分內(nèi)側(cè)

圖8 計(jì)算域網(wǎng)格劃分外側(cè)

圖9 射流形態(tài)模擬圖

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的農(nóng)藥噴霧頭噴霧效果，對(duì)不同的噴霧頭機(jī)械結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，得到了如圖10所示的仿真結(jié)果。其中，1表示本文采用嵌入式PID算法設(shè)計(jì)的壓力流量自動(dòng)調(diào)控噴霧頭；2表示采用噴頭壓力噴霧噴嘴;3表示采用非壓力噴霧噴嘴。由霧化結(jié)果可以看出：本文設(shè)計(jì)的噴霧頭得到的霧滴最小，霧化效果最好，大大提高了農(nóng)藥的利用效率。

圖10 不同噴霧頭霧化效果設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

1)采用嵌入式自適應(yīng)算法設(shè)計(jì)了一種新的流量和壓力可調(diào)控的農(nóng)藥噴霧噴頭。該噴頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用空心圓錐霧化噴嘴的形式，增大了噴霧的噴施面積，提高了農(nóng)藥的利用效率。

2)噴霧噴嘴的流量和壓力通過(guò)PID控制和遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。嵌入式系統(tǒng)的自適應(yīng)值和編解碼通過(guò)編程的方式實(shí)現(xiàn)，提高了噴嘴設(shè)計(jì)的自動(dòng)化控制程度，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)藥的變流量變壓力控制。

3)采用數(shù)值仿真模擬的形式對(duì)本文設(shè)計(jì)的噴霧頭噴嘴的噴霧效果進(jìn)行了仿真模擬。通過(guò)對(duì)比分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)：本文設(shè)計(jì)的噴霧頭得到的霧滴最小，霧化效果最好，提高了農(nóng)藥的利用率，可以在生態(tài)農(nóng)業(yè)的病蟲(chóng)害防治工程中將其推廣，具有較好的應(yīng)用前景。

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Atomization Effect Simulation and Structure Design of Spray Heads Based on Embedded PID

Tian Lei1, Jin Jihong2, Wang Mingxu1

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 2.School of Computer and Information Engineering, Jiaozuo Teachers College, Jiaozuo 454001, China)

Aiming at the phenomenon of unreasonable using drug pesticide spraying process, this paper presents a design method of spray head structure, and designs a kind of pressure flow automatic regulating spray head, the method combines the embedded PID control and genetic optimization algorithm, the nozzle of mechanical structure design into a hollow cone nozzle form, to adjust the pressure and flow process of the genetic code, using integral and proportional coefficient to achieve the optimization of process control. In order to verify the effect of the design of the spray nozzle of the spray head, nozzle internal flow field and outside the spray field numerical simulation. Through the numerical simulation calculation, it was found, the nozzle flow and pressure control by using embedded optimization algorithm to increase the spray area, enhance the degree of communication of the droplet. It realizes uniform spraying process, improves the utilization rate of the medicine, which provides technical support for the development of ecological agriculture.

pesticide application; hollow cone; genetic code; embedded PID

2016-01-27

河南省2015年度科技攻關(guān)項(xiàng)目(152102110161)

田 磊(1983-)，男，河南南陽(yáng)人，講師，碩士。

王明緒(1986-)，男，河南唐河人，助教，碩士，(E-mail)34296064@qq.com。

S491

A

1003-188X(2017)02-0103-05