空心錐形噴嘴變量施藥均勻性試驗

黃河 謝守勇 李佩原 詹攀

摘要：在針對單個植株定靶施藥過程中，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，運用徑向Wilcox-Swailes均勻度，自制變量調節(jié)器，通過單片機改變調節(jié)器PWM信號占空比，調整電機轉速，改變噴嘴噴射角度，尋找最優(yōu)占空比組合時間系數(shù)。在最優(yōu)占空比時間組合系數(shù)的變量調節(jié)器的作用下試驗，與未安裝變量調節(jié)器的試驗組作比較。結果表明：在最優(yōu)占空比系數(shù)組合情況下，噴桿高度為500 mm時，徑向Wilcox-Swailes均勻度相對未安裝變量調節(jié)器的試驗組提高作用明顯。脈寬調制的變量調節(jié)器在針對單個植株定靶施藥過程中對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。

關鍵詞：中心盲區(qū)；脈寬調制（PWM）；變量施藥；徑向Wilcox-Swailes均勻度

中圖分類號： S491文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）02-0411-03

收稿日期：2014-12-28

基金項目：國家星火計劃（編號：2013GA811002）；重慶市應用開發(fā)計劃（編號：cstc2013yykfa80009）。

作者簡介：黃河（1989—），男，陜西山陽人，碩士研究生，主要從事自動控制理論與應用研究。E-mail：huang_h_swu@126.com。

通信作者：謝守勇，博士，教授，主要從事設施農(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)自動化研究。Tel：（023）68250802；E-mail：xsyswu@163.com。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，化學防治、機械施藥是目前綜合防治病蟲草害最有效、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、糧食安全問題日益突出。噴藥設施和技術落后是農(nóng)民過量使用農(nóng)藥的主要原因之一[2]。提高施藥均勻性對于提高農(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)實意義。切向流空心錐形噴嘴腔體寬內(nèi)徑設計能夠有效防止堵塞，被廣泛應用于氣體調制系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)施藥等領域。與此同時，脈寬調制（PWM）技術具有效率高、靈活可靠、動態(tài)響應好等優(yōu)勢。張偉采用斬波恒流型功率放大電路進行脈寬調制型變量噴霧作業(yè)，指出在一定范圍內(nèi)流量與占空比呈線性關系[3]。魏新華等采用自制的PWM變量噴施控制器，設計了PWM間歇噴霧式變量噴施系統(tǒng)，結合噴施機組前進速度建立了控制模型，測試結果表明，噴霧流量受噴霧壓力、PWM控制信號占空比影響很大[4]。郝強等針對圓錐形噴頭設計了正交試驗，分析了噴霧壓力、噴頭高度、噴頭類型對分布變異系數(shù)的影響，指出3個因素的影響顯著性由大到小依次為噴頭類型、噴頭高度、噴霧壓力[5]。陳勇等開發(fā)了基于機器視覺和模糊控制原理的可變量噴霧控制系統(tǒng)[6]。朱艷東等針對扇形噴頭設計了噴霧均勻性自動化檢測系統(tǒng)[7-9]。吳澤祎等設計了以單片機為核心的自動對靶噴霧控制系統(tǒng)[10]。目前關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道較多[11-17]；但針對切向流空心錐形噴嘴變量施藥的試驗研究鮮見報道。本研究探討脈寬調制變量調節(jié)器對切向流空心錐形噴嘴施藥均勻度的影響，旨在為進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。試驗所用噴嘴型號為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。試驗選用直流3210 HB型隔膜泵，最大功率100 W。從控制原理來講，直流電機有3種基本調速方法：調節(jié)電樞電壓、改變電樞回路電阻、調節(jié)勵磁，其中采用全控型開關功率原件調制脈寬以實現(xiàn)電壓調節(jié)的控制方式被廣泛采用[18]。變量調節(jié)器以CC2530-F256單片機為主核，它整合了全集成的高效射頻收發(fā)機及業(yè)界標準的增強型8051控制器，通過設置內(nèi)置T3、T4定時器的初值實現(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。采用具有制動回路的不可逆PWM控制電路，以極性相反的雙極性PWM信號控制上下橋臂的功率管，以IR2110驅動功率管IRF540，通過功率管的通斷調節(jié)施加于電樞的電壓均值，從而實現(xiàn)控制電機轉速[19]。功率管驅動電路如圖1所示，圖中C2為自舉電容，VCC經(jīng)D4、C2、電機繞組、Q2給C2充電，確保Q2斷開、Q1導通時，Q1管的柵極依靠C1的儲能驅動，從而實現(xiàn)自舉式驅動[20-21]。

2結果與分析

2.1噴頭水量分布

未安裝變量調節(jié)器時，直徑a上測點的水量分布均值的3次樣條插值擬合曲線如圖4所示。

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

由圖5可見，隨著控制信號占空比的降低，r∈[0，2]的測點雨量分布逐漸增多；當占空比低于50%時，r∈[0，2]的測點雨量值超過總雨量值的50%，其中占空比為30%時，r∈[0，2]的測點雨量值分別達到總雨量值的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，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，隨著占空比的降低，各徑向均勻度呈現(xiàn)增加趨勢。

2.2最優(yōu)占空比組合時間系數(shù)的確定

在1個PWM信號周期內(nèi)，組合上述8種不同占空比的PWM信號，通過曲線擬合、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]，試驗確定最終PWM信號頻率為10 Hz。結合圖1，可得在最優(yōu)占空比組合下直徑a上各測點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對比試驗

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

由表2可知，有無變量調節(jié)器對徑向均勻度的影響非常明顯，有變量調節(jié)器時4條直徑上測點的徑向Wilcox-Swailes均勻度相對無變量調節(jié)器時分別提高了51.90、51.96、51.90、51.49百分點，與理論值相比，誤差小于067%。脈寬調制的變量調節(jié)器對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結論

本研究結果表明，針對切向流空心錐形噴嘴施藥的中心盲區(qū)問題，運用適用于圓形噴灑域的徑向Wilcox-Swailes均勻度，為評價切向流空心錐形噴嘴施藥噴霧均勻性提供了1種方法，同時為進一步提高噴霧均勻性提供依據(jù)。脈寬調制的變量調節(jié)器的作用使得切向流空心錐形噴嘴施藥的4個徑向均勻度分別提高了51.90、51.96、51.90、51.49百分點，效果顯著，可用于高均勻度、噴灑域可控要求的單個植株的定點對靶施藥環(huán)境。下一步可以利用機器視覺自動獲取所需噴灑域的直徑、圓心位置，利用PWM變量調節(jié)器實現(xiàn)單個植株定靶可變量均勻施藥。脈寬調制的變量調節(jié)器在針對單個植株定靶施藥過程中對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。

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