張成遠， 朱立成， 王瑞雪， 馬 明， 鄭永鑫， 賈曉峰， 徐慶忠

（1.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院集團有限公司，北京 100083； 2.吉林省農(nóng)業(yè)機械化管理中心，吉林 長春 130000；3.吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院，吉林 長春 130028）

0 引言

隨著我國農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，農(nóng)藥施用量也在逐年增加，2020 年我國水稻、小麥、玉米3 大糧食作物農(nóng)藥利用率為40.6%，絕大部分農(nóng)藥都流失到環(huán)境中[1]。農(nóng)藥的長期不規(guī)范施用會造成作物對農(nóng)藥依賴性加強，流失到環(huán)境中的農(nóng)藥造成生態(tài)環(huán)境的破壞，農(nóng)藥殘留量超標問題對人體產(chǎn)生危害，因此農(nóng)藥合理使用是糧食生產(chǎn)需要考慮的重要問題。當前施藥多采用手動植保機械，此類機械作業(yè)效率低、安全隱患大，因此有必要開展植保機械的研究，進而提高農(nóng)藥利用率、減少農(nóng)藥污染、提高防治效果，是新形勢下現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的必然要求[2-4]。

本文設計一種基于模糊PI 控制的變量噴藥系統(tǒng)，可實時監(jiān)測噴藥機具的流量、壓力、作業(yè)速度與液位信息等參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)實時調(diào)整噴藥量，從而實現(xiàn)合理施藥。

1 總體結(jié)構(gòu)設計

當前主流施藥系統(tǒng)作業(yè)方式相對單一，無法實時調(diào)節(jié)噴頭的開閉狀態(tài)，因此對作業(yè)時行進速度的一致性要求相對較高，可能發(fā)生重噴及霧滴分布不均勻的現(xiàn)象[5-6]。在課題組自研噴藥系統(tǒng)的基礎上，結(jié)合當前的變量施藥技術，本文設計一種主路節(jié)流的可控制多組噴頭的變量噴藥系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 變量施藥系統(tǒng)組成與管路結(jié)構(gòu)Fig.1 Composition and pipeline structure of variable spraying system

變量噴藥閥組包含手動調(diào)節(jié)閥與比例電磁閥。藥液在動力輸出隔膜泵的作用下依次流經(jīng)主閥、過濾器，此時高壓藥液經(jīng)過手動調(diào)節(jié)閥發(fā)生第1 次穩(wěn)壓限流，當藥液流經(jīng)手動調(diào)壓閥形成穩(wěn)定壓力的藥液后，藥液發(fā)生分流，一部分經(jīng)溢流閥回流至藥箱，另一部分流經(jīng)比例電磁閥，發(fā)生第2 次穩(wěn)壓限流后依次經(jīng)過流量傳感器、壓力傳感器，最后輸送到噴頭。溢流閥安裝在回流管路上，用于防止藥液壓力過高，保護噴藥系統(tǒng)。流量傳感器、壓力傳感器、北斗測速裝置及液位報警裝置實時監(jiān)控整機系統(tǒng)工作參數(shù)并分別與變量噴藥控制器相連。

本噴藥系統(tǒng)是基于課題組自研懸掛式噴桿噴藥機開發(fā)的，噴幅24 m，包含48 個霧化噴頭?？紤]到經(jīng)濟原因，該系統(tǒng)只采用5 組開閉電磁閥同時控制48 個噴頭的開閉狀態(tài)，5 組電磁閥分別控制9、10、10、10、9個噴頭[7]。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 硬件部分

中央控制處理器選用STM32F429IGTb，主要功能是完成對噴霧機車速、流量、壓力信號的處理與計算，對觸摸顯示屏、電控調(diào)節(jié)閥與5 組開關電磁閥進行驅(qū)動及控制算法運行?；诒倍穼Ш较到y(tǒng)測算整機實時位置與速度。選用監(jiān)測范圍為7.5～135 L/min 的渦輪電磁流量傳感器，最大承壓為6.3 MPa。采用靜壓投入式液位傳感器，檢測范圍為1～10 m。選用電流型壓力傳感器，其檢測范圍為0～2.5 MPa。

變量施藥系統(tǒng)中手動調(diào)壓閥與電控調(diào)壓閥分別對應手動與自動兩種模式，其中電控調(diào)節(jié)閥為變量施藥系統(tǒng)的主要調(diào)節(jié)元器件，控制器通過PWM 信號控制電機改變閥門開度從而改變藥液回流量，進而實現(xiàn)變量噴藥的目標[8-9]。變量施藥系統(tǒng)控制原理如圖2 所示。

圖2 變量施藥系統(tǒng)控制原理Fig.2 Control principle of variable spraying system

2.2 主要參數(shù)檢測

2.2.1 速度檢測

速度檢測是通過北斗衛(wèi)星定位一定時間內(nèi)機具行進距離差值計算行駛速度的。假設單位時間內(nèi)北斗衛(wèi)星檢測到機具分別在A與B點，則噴藥機速度v的計算公式為

式中C-A、B兩點之間距離，km

t1-A、B兩點采集時間間隔，h

R-地球半徑，km，取6 378.134 km

因我國地理位置原因，故經(jīng)緯度無須特殊處理。由式（1）確定的是A點到B點的平均速度，當t1趨近于0 時，則該平均速度可視為瞬時速度。距離差值由主控解讀北斗GPRMC 報文中的經(jīng)緯度信息獲得。

2.2.2 流量檢測

電磁流量計內(nèi)部激勵線圈在導電藥液產(chǎn)生的激勵電流作用下，輸出感應電動勢信號。經(jīng)由其內(nèi)部的信號放大變送器將感應電動勢轉(zhuǎn)換為連續(xù)的脈沖信號，計算公式為

式中q1-實際藥液流量，L/min

n1-t2時間內(nèi)檢測到的脈沖數(shù)量

t2-脈沖采樣時間間隔，s

K-儀表常數(shù)，取380脈沖/L

2.2.3 壓力檢測

主管路壓力檢測是將液體壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過一個濾波電路與AD 采集模塊實現(xiàn)的，其計算公式為

式中p-壓力檢測值，MPa

D-AD 采樣值，mA

I3-傳感器模擬量輸出下限，取4 mA

R-采樣電阻，Ω

F-AD 采集模塊精度，取12

P1-傳感器測量上限，取2.5 MPa

2.2.4 液位測量

靜壓投入式液位計是基于目標藥液靜壓與該液體高度成正比的原理，采用隔離型擴散硅的壓阻效應，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號。計算公式為

式中h-液位檢測高度，mm

H1-傳感器檢測高度上限，mm

H2-傳感器檢測高度下限，mm

I1-傳感器模擬量輸出上限，mA

I2-傳感器模擬量輸出下限，mA

I-模擬量檢測值，mA

該傳感器主要為報警作用。

2.3 主程序設計

變量施藥控制系統(tǒng)需要采集機具各項參數(shù)，使用模糊PI 調(diào)節(jié)實現(xiàn)流量控制、數(shù)據(jù)保存，并顯示在速控觸摸顯示屏上，如圖3 所示。

圖3 噴藥主程序流程Fig.3 Flow chart of main program of spraying

首先系統(tǒng)初始化，然后進行工作模式選擇，如果選擇手動模式則直接認為調(diào)控比例閥閥門開度。如果選擇自動模式，則先后讀取液位與管路壓力信息，判斷是否報警，不報警則進入下一步；采集速度信息計算理論流量，然后采集管路流量信息與理論流量作對比并計算二者偏差；將偏差與偏差的變化情況輸入模糊PI控制器，通過控制器修正PI 的參數(shù)，繼而控制電機調(diào)節(jié)比例電磁閥的閥門開度，最后將采集數(shù)據(jù)打包發(fā)送。

3 控制策略與仿真

3.1 控制策略

為了實現(xiàn)按需噴藥的精確變量控制，流量控制閥的輸出流量與閥的開口度和系統(tǒng)壓力兩個參數(shù)變量相關，3 者存在非線性關系。根據(jù)經(jīng)驗，變量噴藥系統(tǒng)只需要PI 控制。本文采用模糊PI 控制算法作為變量噴藥系統(tǒng)的控制算法，相較于傳統(tǒng)PI 算法，模糊PI 控制具有調(diào)試難度低、魯棒性強、抗干擾能力強的優(yōu)勢。

模糊PI 控制通過模糊算法設定PI 兩個參數(shù)，這兩個參數(shù)會隨著外界的干擾進行自我調(diào)節(jié)，進而適應外界不斷變化的環(huán)境，對系統(tǒng)的穩(wěn)定起到關鍵的作用。

本系統(tǒng)是由觸摸屏向系統(tǒng)輸入作業(yè)速度、噴幅與噴藥量后，控制器進行運算得出理論流量，與流量傳感器采集的實時流量做差值運算得到二者的偏差，將該偏差作為系統(tǒng)輸入量，通過模糊PI 控制運算得出控制量，對比電控調(diào)節(jié)閥的開度進行調(diào)節(jié)，改變藥液回流量，從而實現(xiàn)實際噴藥量與理論噴藥量不斷接近直到最后保持一致。已知噴頭間距500 mm，理論噴藥量與噴幅、噴頭和作業(yè)速度的關系為

式中

q0-理論計算流量，L/min

Q-理論噴藥量，L/畝，1 畝=1/15 hm2

v-機具作業(yè)速度，km/h

D-作業(yè)噴幅，m

N-作業(yè)噴幅內(nèi)噴頭關閉數(shù)量

由于變量噴藥部分一般不需要微分環(huán)節(jié)，因此在模糊PI 控制中只需要對KP、TI進行模糊化設計，模糊PI變量噴藥系統(tǒng)原理如圖4 所示。

圖4 變量噴藥部分系統(tǒng)PI 控制原理Fig.4 PI control principle of variable spraying part system

變量噴藥部分采集參數(shù)眾多，并且大部分傳感器數(shù)據(jù)需要進行二次處理。考慮到控制器運算速度，在設計模糊集時設計5 級，即負中（NM）、負小（NS）、零（ZE）、正?。≒S）、正中（PM）。變量噴藥部分KP、TI兩個參數(shù)的模糊規(guī)則分別如表1 和表2 所示。

表1 變量噴藥系統(tǒng)KP 模糊規(guī)則Tab.1 KP fuzzy rules of variable spraying system

表2 變量噴藥系統(tǒng)TI 模糊規(guī)則Tab.2 TI fuzzy rules of variable spraying system

變量噴藥系統(tǒng)偏差e和偏差的變化率ea論域為{-1，-0.66，-0.33，0，0.33，0.66，1}。通過模糊變量確定KP、TI的隸屬度函數(shù)，然后代入下式進行計算。

3.2 仿真分析

在MATLAB 的Simulink 中分別建立變量噴藥系統(tǒng)PID 仿真與模糊PID 仿真，如圖5 所示。

圖5 變量噴藥PI 與模糊PI 控制系統(tǒng)對比仿真Fig.5 Comparison and simulation of variable spraying PI and fuzzy PI control system

為驗證系統(tǒng)響應時間、幅頻特性與跟隨能力，對變量噴藥系統(tǒng)控制系統(tǒng)仿真對比輸入階躍信號與正弦信號，響應結(jié)果如圖6 和圖7 所示。

由圖6 與圖7 可以得出結(jié)論，變量噴藥系統(tǒng)模糊PI 控制與常規(guī)PI 控制第1 次達到信號幅值所需時間分別約為180、250 ms，超調(diào)量分別在0.2%與0.1%左右。PI 控制算法自接收信號到穩(wěn)定需要約1 500 ms，而模糊PI 控制算法則只需要800 ms；跟隨特性上模糊PI 控制響應時間多于常規(guī)PI 控制，但超調(diào)量則明顯小于PI 控制。

圖6 變量噴藥系統(tǒng)階躍信號響應曲線對比Fig.6 Comparison of step signal response curves of variable spraying system

圖7 變量噴藥系統(tǒng)正弦信號響應曲線對比Fig.7 Comparison of sinusoidal signal response curves of variable spraying system

4 變量噴藥系統(tǒng)試驗

試驗分為局部試驗與綜合試驗兩部分，首先驗證噴頭流量部分是否符合植保機械作業(yè)精度標準，在其滿足作業(yè)要求后，進行田間綜合性能測試，驗證模糊PI控制的優(yōu)越性。整個試驗用水代替藥液作為試驗介質(zhì)。

4.1 噴頭流量控制試驗

為更方便獲取流量準確率數(shù)據(jù)，試驗采用手動模式。根據(jù)GB/T 20183.2-2006《植保機械噴霧設備液力噴霧機每公頃試驗方法》要求，首先調(diào)節(jié)噴藥機動力輸出主軸轉(zhuǎn)速為540 r/min，然后打開噴藥系統(tǒng)，調(diào)節(jié)流量開關閥將管道壓力穩(wěn)定在0.3～0.5 MPa。

根據(jù)不同作物生長周期特點與噴藥經(jīng)驗，施藥量范圍是100～400 L/hm2[10]。試驗時假設作業(yè)速度為7 km/h，考慮到噴頭流量的適用范圍，為提高噴藥機“快速多噴”的適應性能，保證作業(yè)時安全系數(shù)，分別設定試驗流量為30、40、60 L/min，同時設定噴頭關閉組數(shù)量為0、1、2、3。在每個目標流量與噴頭關閉數(shù)量水平下，用水桶采集任意5 個噴頭1 min 內(nèi)流出的水，稱量并計算出實際流量，將實際流量與理論流量進行對比分析，結(jié)果如表3 所示[11]。

表3 噴頭流量精度對比試驗Tab.3 Comparison test of nozzle flow accuracy

由表3 可知，單個噴頭理論流量與實際流量相對誤差為-2.43%～2.24%，噴頭關閉數(shù)目對誤差無明顯影響，符合標準規(guī)定的平均誤差＜2.5%的液力試驗標準。

4.2 田間噴藥試驗

本文存在4 個可控因素：作業(yè)速度、噴幅內(nèi)噴頭開閉數(shù)量、理論施藥量、控制策略。由于施藥系統(tǒng)本質(zhì)是機具隨速噴藥，考慮到在作業(yè)過程中主要存在兩種作業(yè)模式，因此該試驗分為定速試驗與變速試驗。田間性能試驗如圖8 所示。

圖8 田間性能試驗Fig.8 Field performance test

試驗前給藥箱加水，直到達到額定水位；噴藥結(jié)束后用上位機讀取緩沖區(qū)內(nèi)液位值計算出實際噴藥流量；設定溢流閥壓力為0.6 MPa，保護管路、開關閥組與噴頭。

4.2.1 定速噴藥試驗

當作業(yè)速度過小時，噴藥壓力過低，施藥效果不好，因此試驗速度選取為5～9 km/h，分別讓噴藥機保持在6、7、8、9 km/h 下進行試驗。本試驗性質(zhì)是4 因素多種水平，考慮到正交試驗成本太高且嚴重浪費資源，故將行駛速度的4 個水平與理論施藥量2 水平逐個匹配完成8 組試驗，噴頭關閉組數(shù)平均分布在8 組試驗中，最后以實際流量與相對誤差作為試驗指標，其試驗結(jié)果如表4 所示。

4.2.2 變速噴藥試驗

該狀態(tài)是指噴藥機在實際作業(yè)過程中行駛速度存在變化，但在施藥系統(tǒng)的作用下實現(xiàn)噴藥量實時調(diào)整。試驗時行駛速度在5～9 km/h 范圍內(nèi)實時調(diào)整，其余因素設定等同定速試驗，其試驗結(jié)果如表4 所示。

表4 田間綜合噴藥試驗Tab.4 Field comprehensive spraying test

由表4 可知，定速噴藥試驗中PI 控制算法最大誤差為2.4%，而模糊PI 控制算法最大誤差為1.73%。在變速試驗中，噴藥誤差明顯高于定速試驗，并且PI 控制算法誤差＜3.7%，而模糊PI 控制算法誤差＜2.15%，因此可認為在本變量噴藥系統(tǒng)中，模糊PI 控制算法優(yōu)于傳統(tǒng)PI 控制算法。

5 結(jié)論

（1）在24 m 寬幅噴藥機上加裝了一種基于模糊PID 控制的變量噴藥系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用5 路開關電磁閥控制多組噴頭開閉，結(jié)合多傳感器實時直接改變主路流量，該系統(tǒng)精度高、穩(wěn)定性好，具有良好的作業(yè)效果。

（2）開展了噴頭流量控制與田間噴藥性能試驗。試驗表明，在不同噴頭開閉的情況下流量誤差為-2.43%～2.24%；田間噴藥試驗模糊PI 控制優(yōu)于PI 控制，其定速噴藥試驗誤差＜1.73%，變速試驗誤差＜2.15%。