噴桿噴霧機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計及試驗(yàn)

沈景新，李青龍，孫永佳，孫宜田，陳 剛，何青海

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100)

0 引言

噴桿噴霧機(jī)是一種高效的大田植保機(jī)械，具有噴霧霧化效果好及作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn)。目前，我國已研制出適用于玉米、小麥水稻等不同作物的噴桿噴霧機(jī)，但存在施藥均勻性差、藥業(yè)利用率低、環(huán)境污染嚴(yán)重和智能化程度低等問題[1]。植保機(jī)械的智能化程度是決定農(nóng)業(yè)病蟲害防治效果的重要影響因素，也是一個國家農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。宋樂鵬等構(gòu)建了機(jī)電流量控制閥傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計了變論域自適應(yīng)模糊PID控制算法，通過MatLab仿真，得出PID控制的響應(yīng)時間和超調(diào)量，系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速性等指標(biāo)滿足農(nóng)業(yè)技術(shù)要求；但未對變量噴霧控制系統(tǒng)和作業(yè)速度的擬合進(jìn)行相關(guān)研究[2]。蔣煥煜等進(jìn)行了基于PWM變量噴霧的單噴頭動態(tài)噴霧分布均勻性試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)：PWM頻率對單噴頭在噴霧前進(jìn)方向上的霧量分布均勻性影響更大，但并未對多噴頭協(xié)同作業(yè)情況進(jìn)行分析研究[3]。LARDOUX等在動態(tài)條件下研究了噴桿高度、噴桿速度和噴頭類型等噴桿參數(shù)對噴霧分布特性的影響[4]。魏新華等研制一種采用超聲波傳感器采集噴桿兩端對地實(shí)際距離，通過油缸實(shí)時調(diào)節(jié)噴桿作業(yè)高度的在線調(diào)控系統(tǒng)，并設(shè)計了一種對地距離檢測信號枝葉遮擋干擾的慮波算法[5]。邱白晶等研究了在路面單側(cè)激勵條件下，噴桿運(yùn)動響應(yīng)的提取方法，為噴桿運(yùn)動響應(yīng)特性分析提供依據(jù)[6]。

綜上所述，針對噴霧控制系統(tǒng)的研究主要為獨(dú)立開展，并未對各項(xiàng)控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合研究和融合分析。因此，本文對變量噴霧系統(tǒng)、噴桿高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)等進(jìn)行整體研究，提出綜合控制方法，提高噴桿噴霧機(jī)的智能化水平和作業(yè)質(zhì)量。

1 智能控制系統(tǒng)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的控制系統(tǒng)的控制芯片采用Xilinx公司的FPGA芯片—Spartan-3E，時鐘為50MHz警惕時鐘振蕩器，IO接口為RS-232X2串行通訊機(jī)能，16路雙向光電隔離輸入輸出，模擬量輸入輸出為API總線4路14位AD輸入，芯片采用LTC6912-1ADC，最大的采樣頻率大約是1.5MHz，滿足系統(tǒng)設(shè)計時驅(qū)動流量調(diào)節(jié)閥所需的復(fù)雜PID運(yùn)算。其總體技術(shù)方案如圖1所示

1.2 智能控制系統(tǒng)實(shí)施方案

智能監(jiān)控系統(tǒng)主要包括智能變量噴霧及噴桿高度調(diào)控等功能，如圖2所示。

2 關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計

2.1 變量噴霧系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 變量噴霧系統(tǒng)調(diào)控程序設(shè)計

目前，國內(nèi)的變量噴霧方式主要采用預(yù)混藥式，在藥液濃度不變的情況下，通過改變施藥量實(shí)現(xiàn)噴藥量變化。主要手段有：壓力式及脈寬調(diào)制(PWM)式等。其中，脈寬調(diào)制(PWM)式是通過PWM信號調(diào)節(jié)高頻電磁閥的開閉來實(shí)現(xiàn)變量噴霧，由于需要對每個噴頭安裝高頻電磁閥，導(dǎo)致成本較高，不利于在實(shí)際生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用。

圖1 智能控制系統(tǒng)總體技術(shù)方案Fig.1 General technical scheme of intelligent control system

圖2 智能控制系統(tǒng)實(shí)施方案圖Fig.2 Implementation plans of intelligent control system

本文采用PID調(diào)節(jié)方式控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，實(shí)現(xiàn)變量噴霧。變量噴霧系統(tǒng)主要包括電動調(diào)節(jié)閥、流量傳感器、壓力傳感器、速度傳感器及液位傳感器等，流量和壓力傳感器采集液路的實(shí)時流量和壓力，并將信號反饋給控制器，實(shí)現(xiàn)噴霧流量的閉環(huán)控制，提高變量噴霧的控制精度。流量控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

系統(tǒng)啟動后，程序開始初始化，流量傳感器監(jiān)測藥箱液位，當(dāng)藥箱液位低于設(shè)定值時，蜂鳴器發(fā)出報警信號，提示操作人員添加藥液。通過液晶觸控屏設(shè)定畝噴量，速度傳感器監(jiān)測作業(yè)速度，由控制器生成調(diào)節(jié)指令，將電動閥調(diào)整至一定開度；作業(yè)過程中，控制器根據(jù)流量信號的反饋值與理論值比較，當(dāng)實(shí)際流量值超出設(shè)定范圍時，通過PID信號對電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行微調(diào)，使實(shí)際流量值逼近理論值，提高變量噴霧精度。變量噴霧系統(tǒng)控制流程圖如圖4所示。

圖3 流量控制系統(tǒng)閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Closed loop control structure of flow control system

圖4 變量噴霧系統(tǒng)控制流程圖Fig.4 Flow chart of variable spray system

2.1.2 田間作業(yè)速度采集及處理

為采集機(jī)具的作業(yè)速度，設(shè)計了作業(yè)速度檢測裝置，實(shí)時檢測機(jī)具的作業(yè)速度，主要結(jié)構(gòu)由固定架、接近傳感器、感應(yīng)塊及車軸等組成。其中，感應(yīng)塊均勻安裝于車軸的圓周上，機(jī)具行走過程中，感應(yīng)塊經(jīng)過接近傳感器時，會產(chǎn)生脈沖信號；通過控制器統(tǒng)計兩個脈沖的時間間隔，并標(biāo)定相鄰兩個脈沖信號機(jī)具行走的距離，即可計算機(jī)具的作業(yè)速度。速度裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.固定架 2.接近傳感器 3.輪軸 4.感應(yīng)塊圖5 速度檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of speed detecting device

田間作業(yè)過程中，由于地表不平整、油門變化等因素導(dǎo)致作業(yè)速度發(fā)生階躍變化，導(dǎo)致接近傳感器采集的兩個相鄰速度脈沖信號間隔時間突然變化，這種信號變化具有瞬時性和偶然性的特點(diǎn)，干擾正常作業(yè)速度采集，導(dǎo)致電動調(diào)節(jié)閥的開度瞬間增大或減小，影響變量噴霧的調(diào)節(jié)精度。因此，對相鄰速度信號的階躍脈沖進(jìn)行濾波處理。在作業(yè)過程中，通過控制器統(tǒng)計單位時間內(nèi)多個固定塊經(jīng)過接近傳感器的時間，求得單位時間的平均速度，既能反映作業(yè)過程的速度變化情況，也能降低階躍速度對變量控制系統(tǒng)的影響。

2.1.3 變量噴霧系統(tǒng)與作業(yè)速度自適應(yīng)調(diào)控方法

目前，現(xiàn)有噴桿噴霧機(jī)大多為常量噴霧，噴霧量不能跟隨作業(yè)速度進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致施藥均勻性差和農(nóng)藥浪費(fèi)嚴(yán)重。為解決上述問題，本文將變量噴霧系統(tǒng)與作業(yè)速度進(jìn)行關(guān)聯(lián)，建立變量噴霧系統(tǒng)與作業(yè)速度的自適應(yīng)調(diào)控模型，以提高噴霧作業(yè)的均勻性和作業(yè)質(zhì)量。由作業(yè)速度、公頃噴量等參數(shù)推出流量公式為

(1)

式中N—公頃噴量(L/hm2)；

Q—理論流量(L/min)；

V—作業(yè)速度(m/s)；

L—作業(yè)幅寬(m)。

作業(yè)速度為

(2)

式中V—行駛速度(m/s)；

D—車輪直徑(m)；

Z—車輪一周固定塊的個數(shù)；

T—接近傳感器捕獲1個脈沖的時間(s)。

為避免作業(yè)過程中電動調(diào)節(jié)閥頻繁調(diào)節(jié)，系統(tǒng)設(shè)置流量調(diào)節(jié)閾值δ，速度變化導(dǎo)致理論流量的變化值為△Q，當(dāng)|△Q| ≤δ，變量噴霧控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，停止調(diào)節(jié)。

2.2 噴桿高度調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計

目前，噴桿噴霧機(jī)缺少噴桿高度自動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，噴桿高度的調(diào)節(jié)一般由操作人員目測后人工調(diào)整，存在較大誤差和隨意性，影響噴霧質(zhì)量。因此，設(shè)計一種噴桿高度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，提高噴桿高度的調(diào)節(jié)精度。

2.2.1 噴桿高度調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)噴桿高度的快速調(diào)節(jié)，設(shè)計噴桿高空調(diào)控系統(tǒng)，主要包括機(jī)架、平行地連桿升降架、電動推桿、噴桿桁架及超聲波傳感器。安裝時，使超聲波傳感器的下端面與噴頭的下端面保持同一平面，則超聲波傳感器測量的距離即為噴頭距作物頂端的距離。桿桁架提升機(jī)構(gòu)的示意圖如圖6所示。

1.機(jī)架 2.平行四連桿升降架 3.電動推桿 4.噴桿桁架 5.超聲波傳感器圖6 噴桿桁架提升機(jī)構(gòu)示意圖Fig.6 Sketch map of lifting mechanism of spray bar

2.2.2 噴桿高度調(diào)控程序及方法

作業(yè)開始時，由超聲波傳感器檢測作物高度，控制器接受檢測信號并與設(shè)定高度進(jìn)行比較，當(dāng)檢測高度超出目標(biāo)高度的范圍時，控制器發(fā)出控制指令控制電動缸動作，實(shí)現(xiàn)噴桿高度調(diào)節(jié)；在調(diào)節(jié)過程中，超聲波傳感器不斷檢測距作物頂端高度，并將檢測信號反饋至控制器，實(shí)現(xiàn)噴桿高度調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制，提高噴桿高度的調(diào)控精度。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 變量調(diào)控系統(tǒng)試驗(yàn)

3.1.1 變量噴霧系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)范圍測定

變量噴霧系統(tǒng)的重要評價指標(biāo)之一就是其流量調(diào)節(jié)范圍，一般可以用可調(diào)比來衡量，即變量噴霧系統(tǒng)所能調(diào)節(jié)的最大流量Qmax與最小流量Qmin的比值。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)可調(diào)比Table 1 Adjustable ratio of system

3.1.2 變量噴霧控制精度試驗(yàn)

因?qū)ψ兞繃婌F的瞬間噴霧量采集精度要求較高，現(xiàn)有儀器無法滿足此精度，本試驗(yàn)通過測定平均噴霧量獲得變量噴霧的控制精度。在恒定噴霧壓力下，噴霧機(jī)以恒定速度行走，行走30s后測量機(jī)具的總噴霧量，重復(fù)3次，取平均值，與理論噴霧量比較，得出變量噴霧的控制精度。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 變量噴霧控制精度試驗(yàn)Fig.7 Test of variable spray control accuracy

通過分析，當(dāng)作業(yè)速度為5.5km/h時，變量噴霧控制精度的最小誤差為2.24%，最大誤差為3.11%，可見變量噴霧控制精度較高，在作業(yè)過程中能夠有效提高噴霧作業(yè)質(zhì)量。

圖8 變量噴霧控制精度場地試驗(yàn)Fig.8 Variable spray control accuracy field test

3.2 噴桿高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中，通過人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)定噴霧噴頭至作物頂端的目標(biāo)高度，采用盆栽綠植替代作物遮擋超聲波傳感器，不斷改變盆栽綠植距地面的距離，當(dāng)噴桿調(diào)整穩(wěn)定后測量噴頭距盆栽綠植頂端的距離。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出：噴桿高度調(diào)節(jié)最大相對誤差為5.40%，最小誤差為3.40%。較大誤差產(chǎn)生的原因主要是綠植頂端不規(guī)則，影響超聲波傳感器測量值的準(zhǔn)確性。

表2 噴桿高度調(diào)節(jié)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of height adjustment of spray rod

4 結(jié)論

以FPGA器件為核心，設(shè)計了噴霧機(jī)智能控制系統(tǒng)，具有變量噴霧調(diào)節(jié)與噴桿高度調(diào)節(jié)精度高及工作可靠等特點(diǎn)。該系統(tǒng)的應(yīng)用有效解決了現(xiàn)有噴桿噴霧機(jī)噴霧作業(yè)均勻性差、噴桿高速調(diào)節(jié)隨意性大等問題。該控制系統(tǒng)的研制，有效提高了噴桿噴霧機(jī)的智能化水平，對促進(jìn)我國農(nóng)機(jī)的可持續(xù)發(fā)展，降低機(jī)手勞動強(qiáng)度具有十分重要的意義。