噴藥機(jī)變量施藥控制系統(tǒng)的研究

李錕　鄭曉培

摘 要：為了提高我國農(nóng)業(yè)植保技術(shù)、解決農(nóng)藥的有效利用率低、減少環(huán)境污染、改善生態(tài)環(huán)境以及避免農(nóng)業(yè)資源浪費(fèi)等問題，以某型噴藥機(jī)為基礎(chǔ)，分析變量施藥性能的主要影響因素，介紹了變量施藥控制系統(tǒng)總體技術(shù)方案和系統(tǒng)運(yùn)行的基本原理，建立變量施藥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為噴藥機(jī)的變量施藥控制系統(tǒng)的研究提供了一定的理論參考。

關(guān)鍵詞：噴藥機(jī)；變量施藥；控制系統(tǒng)

中圖分類號：S491 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.12.003

目前，我國糧食和農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一，在我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要作用。改革開放以來，隨著我國農(nóng)業(yè)科技水平的提高和農(nóng)業(yè)資金的大力投入、農(nóng)業(yè)政策的完善，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力穩(wěn)步提高，農(nóng)林產(chǎn)品產(chǎn)值逐年遞增。但是，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所面臨的矛盾依然存在，并嚴(yán)重地制約了我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的可持續(xù)發(fā)展，在充分開發(fā)生物、化學(xué)、基因工程等新型農(nóng)藥對農(nóng)作物進(jìn)行病蟲害防治的基礎(chǔ)上，利用科技創(chuàng)新推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)，保證我國農(nóng)業(yè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展。

隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快，對“高效農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”“專業(yè)化、規(guī)?；?、智能化”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)以及先進(jìn)農(nóng)業(yè)生物植保技術(shù)日益受到廣泛關(guān)注。由于目前我國大多數(shù)農(nóng)業(yè)施藥機(jī)械主要進(jìn)行“粗放式”的農(nóng)藥噴施作業(yè)，不以目標(biāo)施藥區(qū)域的具體情況進(jìn)行合理的施藥作業(yè)，從而導(dǎo)致我國農(nóng)藥資源浪費(fèi)，農(nóng)作物農(nóng)藥含量超標(biāo)，農(nóng)業(yè)質(zhì)量產(chǎn)量不均衡和生態(tài)系統(tǒng)污染等問題的發(fā)生。在充分利用現(xiàn)代自動控制及機(jī)電控制等技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建具備可變量施藥功能的施藥控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“按需施藥、精準(zhǔn)施藥”的綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展理念，為提高農(nóng)業(yè)有效利用率、解決農(nóng)藥殘留物超標(biāo)、改善農(nóng)林產(chǎn)品產(chǎn)量質(zhì)量等問題具有重要意義。

1 影響變量施藥主要因素

通過對國內(nèi)外噴藥機(jī)變量施藥控制機(jī)理的綜合分析，其中，系統(tǒng)實(shí)時壓力、施藥機(jī)械運(yùn)行速度和施藥系統(tǒng)管路的施藥泵等均是影響單位面積變量施藥控制的主要因素。

11 系統(tǒng)實(shí)時壓力值

在噴藥機(jī)械工作工程中，施藥系統(tǒng)實(shí)時壓力的變化是保證施藥區(qū)域施藥穩(wěn)定性的關(guān)鍵，當(dāng)施藥系統(tǒng)硬件條件一定的情況下，系統(tǒng)施藥量與實(shí)時壓力值的關(guān)系為：

q1q2=P1P2

其中，q1、q2分別為系統(tǒng)實(shí)時壓力為 P1、P2時的系統(tǒng)施藥量。

通過上式可知：系統(tǒng)實(shí)時壓力與系統(tǒng)施藥量為反比關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)實(shí)時壓力發(fā)生輕微波動時，施藥系統(tǒng)管路的施藥量變化明顯，從而影響施藥系統(tǒng)的有效施藥作業(yè)。

12 施藥機(jī)械運(yùn)行速度

在噴藥機(jī)械工作工程中，施藥機(jī)械運(yùn)行速度的變化是影響單位面積施藥的主要因素，當(dāng)施藥環(huán)境一定的條件下，系統(tǒng)單位面積的實(shí)際施藥量與施藥機(jī)械運(yùn)行速度的關(guān)系為：

Q=kqvw

其中，Q為系統(tǒng)單位面積的實(shí)際施藥量，k為施藥系數(shù)，q為系統(tǒng)施藥量，v為施藥機(jī)械運(yùn)行速度，w為施藥機(jī)械施藥架幅寬有效長度。

通過上式可知：系統(tǒng)單位面積的實(shí)際施藥量與施藥機(jī)械運(yùn)行速度為正比關(guān)系，當(dāng)施藥機(jī)械的運(yùn)行速度提高時，系統(tǒng)單位面積的實(shí)際施藥量也相應(yīng)增加。

13 施藥系統(tǒng)的施藥泵

在噴藥機(jī)械工作過程中，施藥系統(tǒng)的施藥泵工作性能是保證施藥穩(wěn)定性的前提，當(dāng)施藥系統(tǒng)硬件條件一定的情況下，施藥泵的理論施藥量和實(shí)際施藥量分別為：

Qt=πd24skn×10-6

Q=Qt×ηv

其中， Qt為施藥泵的理論施藥量，Q為施藥泵的實(shí)際施藥量，d為施藥泵有效直徑，s為施藥泵有效行程，k 為施藥泵缸數(shù)，n為施藥泵的標(biāo)定額定轉(zhuǎn)速， ηv為施藥泵的有效效率值。

通過上式可知：當(dāng)施藥系統(tǒng)的施藥泵一定時，單位面積的實(shí)際施藥量與施藥系統(tǒng)的有效利用效率有關(guān)。

通過以上的綜合分析：施藥系統(tǒng)的實(shí)時壓力值、施藥機(jī)械的實(shí)時運(yùn)行速度和施藥系統(tǒng)的施藥泵等是影響單位面積施藥量的主要因素，各個影響因素之間是相互作用和相互影響。變量施藥控制系統(tǒng)必須在充分考慮主要影響因素的基礎(chǔ)上，進(jìn)行技術(shù)方案的實(shí)施。

2 變量施藥控制系統(tǒng)總體技術(shù)方案

以某型噴藥機(jī)施藥系統(tǒng)技術(shù)要求為基礎(chǔ)，結(jié)合施藥系統(tǒng)通用性的設(shè)計理念，建立以供藥系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和噴藥系統(tǒng)為半閉環(huán)的變量施藥控制系統(tǒng)（施藥—檢測—控制—施藥）的總體技術(shù)方案，如圖1所示。

3 變量施藥控制系統(tǒng)基本原理

通過綜合分析國內(nèi)外可變量施藥控制系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀，在系統(tǒng)壓力、機(jī)械運(yùn)行速度和施藥泵性能為主要影響參數(shù)的基礎(chǔ)上，保證系統(tǒng)壓力和施藥泵性能一定的條件下，以單位面積施藥量為目標(biāo)變量，建立施藥系統(tǒng)控制系統(tǒng)的技術(shù)路線，以某型噴藥機(jī)（車）為平臺，在中央控制器的控制下，利用傳感測試技術(shù)，實(shí)時采集信息，驅(qū)動施藥系統(tǒng)實(shí)施按需施藥的變量控制策略，其中，控制系統(tǒng)技術(shù)路線如圖2所示。

施藥作業(yè)前，運(yùn)行變量施藥控制系統(tǒng)，輸入目標(biāo)區(qū)域的單位面積施藥量，控制系統(tǒng)在調(diào)整系統(tǒng)實(shí)時施藥壓力和確定施藥泵綜合性能穩(wěn)定等初始施藥條件滿足時進(jìn)行施藥作業(yè)。在施藥機(jī)械進(jìn)入目標(biāo)施藥區(qū)域后，以速度傳感器采集施藥機(jī)械的實(shí)時運(yùn)行速度，并把采集的實(shí)時速度信號傳輸給系統(tǒng)控制器，在控制器系統(tǒng)綜合分析和相應(yīng)響應(yīng)運(yùn)算后，生成信號驅(qū)動系統(tǒng)流量控制閥門，再通過壓力傳感器和流量傳感器實(shí)時采集系統(tǒng)壓力和流量信息，反饋到系統(tǒng)控制器，利用減壓閥控制系統(tǒng)施藥壓力，再利用流量控制閥控制系統(tǒng)施藥量，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制環(huán)路，實(shí)施變量施藥。

4 變量施藥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在施藥系統(tǒng)控制系統(tǒng)技術(shù)路線的基礎(chǔ)上，基于數(shù)字信號采集，圖像數(shù)字處理和機(jī)電系統(tǒng)控制等學(xué)科理論，結(jié)合農(nóng)業(yè)植保機(jī)械運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜工況實(shí)際要求，對施藥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，變量施藥控制系統(tǒng)以車載電源和施藥機(jī)械柴油發(fā)動機(jī)為動力源，在PLC控制器控制下實(shí)現(xiàn)變量施藥控制。其中，變量施藥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由電源、藥箱、操作控制板、系統(tǒng)控制器、傳感器、離合器和施藥泵等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

5 總結(jié)

研究變量施藥控制系統(tǒng)的核心是保證單位面積施藥量，而保證單位面積施藥量的關(guān)鍵在于合理分配機(jī)械運(yùn)行實(shí)時速度與施藥系統(tǒng)實(shí)時施藥量的關(guān)系，變量施藥控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)速度與流量匹配控制平臺，是施藥機(jī)械實(shí)施“高效、精準(zhǔn)”農(nóng)藥噴施的核心部件。在充分利用現(xiàn)代自動化控制理論、過程控制理論及機(jī)電控制理論等技術(shù)基礎(chǔ)上，建立可以執(zhí)行變量施藥功能的施藥控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“按需施藥、精準(zhǔn)施藥、可持續(xù)耕作植?！钡木G色農(nóng)業(yè)發(fā)展理念，著力提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)有效利用率、解決農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留物超標(biāo)不合格、改善農(nóng)林產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量不均衡等問題具有理論研究價值。

本文為構(gòu)建變量施藥控制系統(tǒng)，在分析了變量施藥性能的主要影響因素、變量施藥控制系統(tǒng)總體技術(shù)方案和系統(tǒng)運(yùn)行基本原理的基礎(chǔ)上，建立了變量施藥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為噴藥機(jī)的變量施藥控制系統(tǒng)的研究提供了一定的理論指導(dǎo)作用。

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