空心錐形噴嘴變量施藥均勻性試驗(yàn)

黃河++謝守勇++李佩原++詹攀

摘要：在針對(duì)單個(gè)植株定靶施藥過(guò)程中，為了減小空心錐形噴嘴噴灑域中心盲區(qū)，提高切向流空心錐形噴嘴施藥均勻度，運(yùn)用徑向Wilcox-Swailes均勻度，自制變量調(diào)節(jié)器，通過(guò)單片機(jī)改變調(diào)節(jié)器PWM信號(hào)占空比，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變噴嘴噴射角度，尋找最優(yōu)占空比組合時(shí)間系數(shù)。在最優(yōu)占空比時(shí)間組合系數(shù)的變量調(diào)節(jié)器的作用下試驗(yàn)，與未安裝變量調(diào)節(jié)器的試驗(yàn)組作比較。結(jié)果表明：在最優(yōu)占空比系數(shù)組合情況下，噴桿高度為500 mm時(shí)，徑向Wilcox-Swailes均勻度相對(duì)未安裝變量調(diào)節(jié)器的試驗(yàn)組提高作用明顯。脈寬調(diào)制的變量調(diào)節(jié)器在針對(duì)單個(gè)植株定靶施藥過(guò)程中對(duì)減小切向流空心錐形噴嘴噴灑域中心盲區(qū)、提高施藥均勻度效果顯著。

關(guān)鍵詞：中心盲區(qū)；脈寬調(diào)制（PWM）；變量施藥；徑向Wilcox-Swailes均勻度

中圖分類(lèi)號(hào)： S491文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）02-0411-03

收稿日期：2014-12-28

基金項(xiàng)目：國(guó)家星火計(jì)劃（編號(hào)：2013GA811002）；重慶市應(yīng)用開(kāi)發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：cstc2013yykfa80009）。

作者簡(jiǎn)介：黃河（1989—），男，陜西山陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事自動(dòng)控制理論與應(yīng)用研究。E-mail：huang_h_swu@126.com。

通信作者：謝守勇，博士，教授，主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)自動(dòng)化研究。Tel：（023）68250802；E-mail：xsyswu@163.com。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，化學(xué)防治、機(jī)械施藥是目前綜合防治病蟲(chóng)草害最有效、最主要的方式[1]。隨著農(nóng)藥施用量的增加，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境、糧食安全問(wèn)題日益突出。噴藥設(shè)施和技術(shù)落后是農(nóng)民過(guò)量使用農(nóng)藥的主要原因之一[2]。提高施藥均勻性對(duì)于提高農(nóng)藥利用效率、減輕環(huán)境污染、有效利用水資源都有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。切向流空心錐形噴嘴腔體寬內(nèi)徑設(shè)計(jì)能夠有效防止堵塞，被廣泛應(yīng)用于氣體調(diào)制系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)施藥等領(lǐng)域。與此同時(shí)，脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)具有效率高、靈活可靠、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)勢(shì)。張偉采用斬波恒流型功率放大電路進(jìn)行脈寬調(diào)制型變量噴霧作業(yè)，指出在一定范圍內(nèi)流量與占空比呈線(xiàn)性關(guān)系[3]。魏新華等采用自制的PWM變量噴施控制器，設(shè)計(jì)了PWM間歇噴霧式變量噴施系統(tǒng)，結(jié)合噴施機(jī)組前進(jìn)速度建立了控制模型，測(cè)試結(jié)果表明，噴霧流量受?chē)婌F壓力、PWM控制信號(hào)占空比影響很大[4]。郝強(qiáng)等針對(duì)圓錐形噴頭設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，分析了噴霧壓力、噴頭高度、噴頭類(lèi)型對(duì)分布變異系數(shù)的影響，指出3個(gè)因素的影響顯著性由大到小依次為噴頭類(lèi)型、噴頭高度、噴霧壓力[5]。陳勇等開(kāi)發(fā)了基于機(jī)器視覺(jué)和模糊控制原理的可變量噴霧控制系統(tǒng)[6]。朱艷東等針對(duì)扇形噴頭設(shè)計(jì)了噴霧均勻性自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)[7-9]。吳澤祎等設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的自動(dòng)對(duì)靶噴霧控制系統(tǒng)[10]。目前關(guān)于影響噴嘴噴霧均勻度因素以及以縱向行走速度為主要影響因素的變量噴霧研究報(bào)道較多[11-17]；但針對(duì)切向流空心錐形噴嘴變量施藥的試驗(yàn)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究探討脈寬調(diào)制變量調(diào)節(jié)器對(duì)切向流空心錐形噴嘴施藥均勻度的影響，旨在為進(jìn)一步提高空心錐形噴嘴噴霧均勻性提供參考。

1材料與方法

1.1噴頭與變量調(diào)節(jié)器

空心錐形噴嘴可分為軸流空心錐形噴嘴、切向流空心錐形噴嘴2種。試驗(yàn)所用噴嘴型號(hào)為BD844，是切向流空心錐形噴嘴，工作壓力范圍為0.02～0.70 MPa。該噴嘴能產(chǎn)生空心錐形噴霧形狀，噴灑域呈環(huán)狀，噴霧液滴直徑小，具有大而通暢的流道，消除了阻塞現(xiàn)象。試驗(yàn)選用直流3210 HB型隔膜泵，最大功率100 W。從控制原理來(lái)講，直流電機(jī)有3種基本調(diào)速方法：調(diào)節(jié)電樞電壓、改變電樞回路電阻、調(diào)節(jié)勵(lì)磁，其中采用全控型開(kāi)關(guān)功率原件調(diào)制脈寬以實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)的控制方式被廣泛采用[18]。變量調(diào)節(jié)器以CC2530-F256單片機(jī)為主核，它整合了全集成的高效射頻收發(fā)機(jī)及業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051控制器，通過(guò)設(shè)置內(nèi)置T3、T4定時(shí)器的初值實(shí)現(xiàn)不同占空比的脈沖波形輸出，選用CC2530方便后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸。采用具有制動(dòng)回路的不可逆PWM控制電路，以極性相反的雙極性PWM信號(hào)控制上下橋臂的功率管，以IR2110驅(qū)動(dòng)功率管IRF540，通過(guò)功率管的通斷調(diào)節(jié)施加于電樞的電壓均值，從而實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速[19]。功率管驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示，圖中C2為自舉電容，VCC經(jīng)D4、C2、電機(jī)繞組、Q2給C2充電，確保Q2斷開(kāi)、Q1導(dǎo)通時(shí)，Q1管的柵極依靠C1的儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自舉式驅(qū)動(dòng)[20-21]。

2結(jié)果與分析

2.1噴頭水量分布

未安裝變量調(diào)節(jié)器時(shí)，直徑a上測(cè)點(diǎn)的水量分布均值的3次樣條插值擬合曲線(xiàn)如圖4所示。

由圖4可知，未安裝變量調(diào)節(jié)器時(shí)，直徑a上r∈[3，5] 測(cè)點(diǎn)的雨量值之和占總雨量值的83.85%。 r∈[0，2]測(cè)點(diǎn)的雨量分布與r∈[3，5]測(cè)點(diǎn)的雨量分布對(duì)比鮮明，中心盲區(qū)問(wèn)題突出。占空比分別為90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%時(shí)直徑a上測(cè)點(diǎn)的水量分布均值3次樣條插值擬合曲線(xiàn)如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，隨著控制信號(hào)占空比的降低，r∈[0，2]的測(cè)點(diǎn)雨量分布逐漸增多；當(dāng)占空比低于50%時(shí)，r∈[0，2]的測(cè)點(diǎn)雨量值超過(guò)總雨量值的50%，其中占空比為30%時(shí)，r∈[0，2]的測(cè)點(diǎn)雨量值分別達(dá)到總雨量值的58.06%。各種工況下，噴嘴噴霧的徑向均勻度UWS（r）如表1所示。

由表1可見(jiàn)，各徑向均勻度UWS（r）受占空比變化的影響較大，占空比大于40%時(shí)，隨著占空比的降低，各徑向均勻度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

2.2最優(yōu)占空比組合時(shí)間系數(shù)的確定

在1個(gè)PWM信號(hào)周期內(nèi)，組合上述8種不同占空比的PWM信號(hào)，通過(guò)曲線(xiàn)擬合、回歸分析、迭代求解，確定各占空比狀態(tài)的最優(yōu)組合歸一化時(shí)間系數(shù)為t=[0.102 0，0.030 6，0.010 2，0.010 2，0.030 6，0.102 0，0.204 0，0.510 4]，試驗(yàn)確定最終PWM信號(hào)頻率為10 Hz。結(jié)合圖1，可得在最優(yōu)占空比組合下直徑a上各測(cè)點(diǎn)的雨量分布的理論值，聯(lián)合公式（1）可以求得最優(yōu)占空比組合下噴嘴噴霧的徑向Wilcox-Swailes均勻度理論值為88.72%。

2.3對(duì)比試驗(yàn)

在安裝最優(yōu)占空比組合的變量調(diào)節(jié)器和未安裝變量調(diào)節(jié)器2種情況下重復(fù)試驗(yàn)，利用公式（1）。計(jì)算其徑向Wilcox-Swailes均勻度，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，有無(wú)變量調(diào)節(jié)器對(duì)徑向均勻度的影響非常明顯，有變量調(diào)節(jié)器時(shí)4條直徑上測(cè)點(diǎn)的徑向Wilcox-Swailes均勻度相對(duì)無(wú)變量調(diào)節(jié)器時(shí)分別提高了51.90、51.96、51.90、51.49百分點(diǎn)，與理論值相比，誤差小于067%。脈寬調(diào)制的變量調(diào)節(jié)器對(duì)減小切向流空心錐形噴嘴的噴灑域中心盲區(qū)作用顯著。

3結(jié)論

本研究結(jié)果表明，針對(duì)切向流空心錐形噴嘴施藥的中心盲區(qū)問(wèn)題，運(yùn)用適用于圓形噴灑域的徑向Wilcox-Swailes均勻度，為評(píng)價(jià)切向流空心錐形噴嘴施藥噴霧均勻性提供了1種方法，同時(shí)為進(jìn)一步提高噴霧均勻性提供依據(jù)。脈寬調(diào)制的變量調(diào)節(jié)器的作用使得切向流空心錐形噴嘴施藥的4個(gè)徑向均勻度分別提高了51.90、51.96、51.90、51.49百分點(diǎn)，效果顯著，可用于高均勻度、噴灑域可控要求的單個(gè)植株的定點(diǎn)對(duì)靶施藥環(huán)境。下一步可以利用機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)獲取所需噴灑域的直徑、圓心位置，利用PWM變量調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)單個(gè)植株定靶可變量均勻施藥。脈寬調(diào)制的變量調(diào)節(jié)器在針對(duì)單個(gè)植株定靶施藥過(guò)程中對(duì)減小切向流空心錐形噴嘴噴灑域中心盲區(qū)、提高施藥均勻度效果顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊君. 噴霧機(jī)械的噴霧均勻性試驗(yàn)研究[J].湖南農(nóng)機(jī)，2012，39（3）：55-60.

[2]吳吉麟. 變量噴霧裝置噴霧特性及其控制系統(tǒng)的研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2012.

[3]張偉. 脈寬調(diào)制型可變量噴霧技術(shù)研究[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2006.

[4]魏新華，蔣杉，張進(jìn)敏，等. 脈寬調(diào)制間歇噴霧變量噴施系統(tǒng)施藥量控制[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（2）：87-94.

[5]郝強(qiáng)，黨興，王秀，等. 圓錐形噴頭噴霧二維分布均勻性試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2014（4）：142-146.

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

[7]朱艷東. 噴霧試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究[D]. 哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[8]蔡曉華，楊存志，吳澤全. 噴霧性能試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（5）：147-150.

[9]郝強(qiáng). 噴霧均勻性自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D]. 太原：太原理工大學(xué)，2013.

[10]吳澤祎，何雄奎，肖健，等. 基于AVR單片機(jī)的自動(dòng)對(duì)靶噴霧控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（22）：7017-7018.

[11]孫文峰，王立軍，陳寶昌，等. 噴桿式噴霧機(jī)噴霧質(zhì)量影響因素分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009（11）：114-117.

[12]韓文霆，姚小敏，朱冰欽，等. 變量噴灑噴頭組合噴灌試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（7）：121-127.

[13]孫文峰，王立軍，陳寶昌，等. 噴桿式噴霧機(jī)噴霧參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009（10）：67-70.

[14]Lardoux Y，Sinfort C，Entfalt P. Test method for boom suspension influence on spray distribution：part Ⅱ. Validation and use of a spray distribution mode[J]. Biosystems Engineering，2007，96（2）：161-168.

[15]張以升，朱德蘭，張林，等. 平移式噴灌機(jī)行走速度及噴灌均勻度試驗(yàn)研究[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，32（7）：625-630.

[16]陳國(guó)輝. 自走式噴灌機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 林業(yè)機(jī)械與土木設(shè)備，2008，36（5）：36-37.

[17]苑嚴(yán)偉，張小超，吳才聰，等. 平移式噴灌機(jī)同步行走控制雨量分布仿真[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，30（5）：603-608.

[18]孫立志. PWM域數(shù)字化電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[19]張明，章國(guó)寶. IR2110驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（12）：66-68.

[20]劉大印，王秀，毛益進(jìn)，等. 基于單片機(jī)PWM變量農(nóng)藥噴灑控制系統(tǒng)的研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2011（5）：93-99.

[21]薛毅. 數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)[M]. 北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2005：116-133.魏興，祝詩(shī)平，黃華，等. 基于ZigBee的煙草育苗大棚群環(huán)境參數(shù)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（2）：414-417.