基于模糊控制的車速跟隨變量噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王潤(rùn)濤 劉 瑤 王樹文 李 明 孫文峰 薛 忠

(1.嶺南師范學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，湛江 524048；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；3.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所，湛江 524091)

0 引言

精準(zhǔn)施藥技術(shù)可有效提高農(nóng)藥、水肥利用率，降低環(huán)境污染程度，促進(jìn)有機(jī)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展。變量噴霧是精準(zhǔn)施藥技術(shù)的重要手段之一，通過(guò)探測(cè)技術(shù)感知環(huán)境信息作為依據(jù)，利用控制技術(shù)驅(qū)動(dòng)施藥裝備實(shí)施變量噴霧[1-2]。實(shí)際田間作業(yè)過(guò)程中，地貌的變化對(duì)農(nóng)機(jī)車體速度影響較大，如果采用恒量噴霧，車體非勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)造成重噴、漏噴現(xiàn)象。

歐美國(guó)家在變量噴霧研究領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究，已取得重大突破[3-5]，其成果基本滿足了精準(zhǔn)施藥的要求。近年，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者對(duì)變量噴霧技術(shù)從不同角度展開深入的研究[6-10]，主要側(cè)重于以作物信息檢測(cè)為依據(jù)的對(duì)靶式變量噴霧和以噴霧設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)為依據(jù)的校正式變量噴霧。對(duì)靶式變量噴霧適用于果園類小區(qū)塊作業(yè)，通過(guò)獲取果樹位置作為標(biāo)靶、獲取冠層面積作為噴霧流量調(diào)節(jié)依據(jù)[11]。閆成功等[12]利用雙目視覺(jué)技術(shù)探測(cè)葡萄葉幕深度并結(jié)合施藥機(jī)前進(jìn)速度計(jì)算冠層體積從而實(shí)現(xiàn)變量噴霧，但研究中未考慮車速對(duì)噴霧量的直接影響。在大田寬幅噴霧作業(yè)中，研究者多側(cè)重考慮噴霧機(jī)自身校正式變量噴霧。王相友等[13]設(shè)計(jì)了多回流式變量噴霧控制系統(tǒng)，根據(jù)施藥機(jī)行駛速度建立PID控制模型調(diào)節(jié)比例控制閥，通過(guò)改變回流口的開口度來(lái)改變噴霧流量；孫睿等[14]設(shè)計(jì)了一種基于PID模糊控制理論的壓力調(diào)控變量噴霧系統(tǒng)，建立了以載體農(nóng)機(jī)動(dòng)態(tài)速度為輸入變量、控制閥驅(qū)動(dòng)電壓為輸出變量的模糊控制規(guī)則，但系統(tǒng)穩(wěn)定性較低；孫文峰等[15]依據(jù)監(jiān)測(cè)車速、流量等信息，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正PID控制參數(shù)，提高了大田單位面積內(nèi)恒定施藥量精度。上述研究為變量噴霧提供了新思路，但在抑制農(nóng)機(jī)擾動(dòng)、系統(tǒng)延時(shí)響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)跟蹤效果等方面有待改進(jìn)。

基于上述研究現(xiàn)狀，為提高變量噴霧系統(tǒng)的抗擾性與實(shí)用性，擬設(shè)計(jì)一種能夠適應(yīng)農(nóng)機(jī)行進(jìn)速度變化的變量噴霧系統(tǒng)，以農(nóng)機(jī)實(shí)時(shí)速度為自變量、比例閥驅(qū)動(dòng)電壓為控制變量、閥門變化角度為調(diào)控對(duì)象，構(gòu)建車速、流量、電壓的非線性模糊控制模型，降低系統(tǒng)的滯后性影響，從而實(shí)現(xiàn)出水管流量的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，并進(jìn)行田間試驗(yàn)，驗(yàn)證噴霧系統(tǒng)有效性和穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

噴霧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，速度傳感器設(shè)置于載體農(nóng)機(jī)的車輪主軸外側(cè)，流量傳感器與壓力傳感器均安裝于出水管主管路，液位傳感器設(shè)置在藥箱底部，控制器安裝于載體農(nóng)機(jī)的中控臺(tái)。

圖1 噴霧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of spray system structure1.藥箱 2.隔膜泵 3.進(jìn)水管 4.過(guò)濾器 5.主閥 6.溢流閥 7.回流管A 8.比例閥 9.回流管B 10.直流電機(jī) 11.出水管 12.流量傳感器 13.壓力傳感器 14.分水閥 15.液位傳感器 16.噴嘴 17.速度傳感器 18.控制器

噴霧系統(tǒng)工作過(guò)程為：連接動(dòng)力輸出軸與隔膜泵，啟動(dòng)農(nóng)機(jī)，打開控制器開關(guān)，藥液由隔膜泵抽送至進(jìn)水管，經(jīng)由過(guò)濾器濾除雜質(zhì)，管路壓力過(guò)大時(shí)溢流閥開啟，通過(guò)回流管A使部分藥液回流至藥箱，防止水管破裂。比例閥是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變量噴霧的關(guān)鍵部件，控制器依據(jù)傳感器實(shí)時(shí)獲取的車輪速度、出水管流量與壓力、藥箱液位數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)控制比例閥內(nèi)置直流電機(jī)的電壓，從而驅(qū)動(dòng)閥門動(dòng)作，改變閥門角度，由回流管B卸荷，間接調(diào)節(jié)出水管壓力與流量，再經(jīng)分水閥分配至各個(gè)支路。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車速跟隨變量噴霧系統(tǒng)電控部分由預(yù)警監(jiān)測(cè)、變速監(jiān)測(cè)、核心控制、執(zhí)行模塊4部分組成，如圖2所示。

圖2 噴霧系統(tǒng)電控原理框圖Fig.2 Block diagram of electrical control principle of spray system

大田里坑洼地、田埂、坡起、明暗障礙物等隨機(jī)存在，使得農(nóng)機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)勻速前行，噴霧效果與農(nóng)機(jī)車速具有顯著相關(guān)性。變速監(jiān)測(cè)模塊包括2個(gè)傳感器單元，采用NPN三線常開型SC12-20K-L齒輪轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)機(jī)車輪的實(shí)際行進(jìn)速度、LWGY-10型渦輪流量傳感器獲取管路動(dòng)態(tài)流量，速度與流量信息作為調(diào)壓控制的基礎(chǔ)輸入變量。

噴霧作業(yè)過(guò)程中，如果藥箱內(nèi)液位過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致隔膜泵空抽現(xiàn)象，造成漏噴，為保證噴霧質(zhì)量，設(shè)計(jì)預(yù)警監(jiān)測(cè)模塊，采用0.25級(jí)精度MIK-P310型壓力傳感器監(jiān)測(cè)出水管壓力、投入式ELE-803型液位傳感器監(jiān)測(cè)藥箱內(nèi)液位高度。設(shè)置出水管壓力與藥箱內(nèi)液位的約束條件，如超出限定范圍則通過(guò)執(zhí)行模塊的報(bào)警單元實(shí)現(xiàn)預(yù)警，并關(guān)閉比例閥閥門。

核心控制模塊采用STC8A8K64S4型單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、模型運(yùn)算和控制命令輸出。傳感器獲取的液位和壓力信號(hào)為模擬量，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換單元傳遞給控制處理器，流量和車速信號(hào)為數(shù)字量，經(jīng)數(shù)字脈沖單元傳遞給控制處理器，控制處理器進(jìn)行運(yùn)算，發(fā)出控制指令。通過(guò)改變H橋驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)的脈寬占空比，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)控比例閥閥門的運(yùn)動(dòng)位移，間接調(diào)控管路流量，完成一次調(diào)控過(guò)程。

2 車速跟隨控制策略

圖3 變量噴霧控制策略Fig.3 Control theory of variable spray

實(shí)際噴霧作業(yè)時(shí)，由于傳感器響應(yīng)速度、管道阻力等因素制約，變量噴霧控制是時(shí)變、滯后的多變量耦合非線性系統(tǒng)，簡(jiǎn)單的控制算法難以滿足調(diào)節(jié)精度要求。

2.1 基本參數(shù)計(jì)算

設(shè)t時(shí)刻，出水管理想的需求流量為q(t)，通過(guò)速度傳感器獲取的實(shí)時(shí)車速計(jì)算需求流量，計(jì)算式為

(1)

式中Q——單位面積噴霧量，L/hm2

v′(t)——t時(shí)刻車速，km/h

W——噴嘴間距，cm

m——噴頭數(shù)量

設(shè)t時(shí)刻，通過(guò)流量傳感器測(cè)得出水管當(dāng)前流量為q′(t)，q′(t)由比例閥閥門開啟角和速度決定，通過(guò)控制比例閥內(nèi)置電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制閥門角度變化，單位時(shí)間閥門變化角度為

Δα(t)=2πΔnk

(2)

(3)

式中n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

U——電機(jī)電壓，V

Ce——電動(dòng)勢(shì)常數(shù)

CT——轉(zhuǎn)矩常數(shù)

φn——額定磁通量，Wb

T——轉(zhuǎn)矩，N·mR——電樞內(nèi)阻，Ω

Δn——單位時(shí)間電機(jī)轉(zhuǎn)速變化量

k——比例閥齒輪比

解決控制系統(tǒng)響應(yīng)滯后問(wèn)題，即通過(guò)調(diào)節(jié)Δα(t)，使q(t)與q′(t)的偏差減小。

2.2 系統(tǒng)控制策略

變量噴霧系統(tǒng)中，比例閥輸出流量具有振蕩特性，基于PID的控制算法，難以實(shí)現(xiàn)根據(jù)受控對(duì)象的變化對(duì)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)整，模糊控制模擬人類思維的模糊推理，不依賴于調(diào)節(jié)參數(shù)，可通過(guò)改變模糊控制規(guī)則調(diào)節(jié)系統(tǒng)特性，減少處理器的運(yùn)算負(fù)荷，能夠適應(yīng)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的非線性控制問(wèn)題[16-19]。本文采用模糊控制算法建立變量噴霧控制策略，如圖3所示。

模糊控制器的輸入為q(t)，通過(guò)設(shè)定的Q與t時(shí)刻的車速v′(t)進(jìn)行運(yùn)算得出。

由于地貌等因素干擾導(dǎo)致速度傳感器實(shí)測(cè)的v(t)具有不確定性，如直接運(yùn)算難以滿足調(diào)節(jié)精度。為降低機(jī)械及傳輸滯后對(duì)控制參數(shù)的影響，首先對(duì)v(t)進(jìn)行一階微分與加權(quán)求和運(yùn)算

v′(t)=v(t)+a(v(t)-v(t-1))

(4)

式中a——加權(quán)系數(shù)

將v′(t)代入式(1)，計(jì)算得出q(t)，與流量傳感器采集的q′(t)進(jìn)行偏差運(yùn)算

(5)

式中E(t)——偏差，L/min

EC(t)——偏差變化率，L/min2

如果E(t)=0、EC(t)=0，即農(nóng)機(jī)實(shí)際行進(jìn)速度無(wú)變化，不啟動(dòng)控制模塊。如果E(t)與EC(t)不為0，進(jìn)行模糊運(yùn)算，得出比例閥電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓U(t)，由式(2)計(jì)算得出Δα(t)，調(diào)節(jié)后出水管流量發(fā)生改變，q′(t)作為輸出，并反饋至輸入端與q(t)進(jìn)行比較運(yùn)算?？刂七^(guò)程中，另設(shè)并行支路實(shí)現(xiàn)出水管壓力與藥箱液位的超限預(yù)警。預(yù)警約束條件為P(t)>0.2 MPa，H(t)>30 mm。P(t)為t時(shí)刻出水管壓力，H(t)為t時(shí)刻藥箱液位高度。

如果信號(hào)不滿足約束條件，啟動(dòng)報(bào)警器報(bào)警，同時(shí)U(t)反向增大至比例閥閥門關(guān)閉，切斷出水管藥液供給。

3 模糊控制模型

3.1 模糊控制算法實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的受控對(duì)象為比例閥閥門開度，其控制響應(yīng)存在滯后性，傳遞函數(shù)采用一階慣性加純滯后函數(shù)，依據(jù)系統(tǒng)辨識(shí)理論中的近似法結(jié)合試驗(yàn)分析[20]，估測(cè)傳遞函數(shù)為

(6)

利用Matlab仿真軟件建立算法仿真模型，如圖4所示。

圖4 控制算法仿真模型Fig.4 Simulation model of control algorithm

圖4中，Ku為模糊控制器輸出的比例因子、Ke為E(t)的量化因子；Kec為EC(t)的量化因子，通過(guò)設(shè)定限幅使輸入與輸出穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)。為簡(jiǎn)化運(yùn)算，用“模糊數(shù)”替代“模糊子集”，采用7個(gè)模糊數(shù){-3、-2、-1、0、1、2、3}，分別表示{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}。U(t)的輸出規(guī)則計(jì)算公式為

U(t)=βE(t)+(1-β)EC(t) (β∈[0,1])

(7)

式中β——E(t)模糊數(shù)的權(quán)重

只考慮模糊控制器的輸出對(duì)系統(tǒng)的影響，設(shè)Ku、Ke、Kec的值為1，E(t)、EC(t)和U(t)所有模糊子集采用等腰三角形函數(shù)，均分在對(duì)應(yīng)的論域。采用Bisector去模糊化算法，模糊邏輯與運(yùn)算、蘊(yùn)涵運(yùn)算取最小值，或運(yùn)算、綜合運(yùn)算取最大值。通過(guò)設(shè)置β的不同取值，尋求最優(yōu)規(guī)則。設(shè)β以0.1為步長(zhǎng)，從0.2遞增至0.8，階躍響應(yīng)仿真曲線如圖5所示。

圖5 階躍響應(yīng)曲線Fig.5 Curves of step response

由圖5可知，7種模糊規(guī)則中，β=0.7、β=0.8響應(yīng)曲線呈現(xiàn)較為顯著的收斂趨勢(shì)，當(dāng)輸入信號(hào)發(fā)生躍變時(shí)，β=0.7響應(yīng)速度最快，且能夠快速恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。取β=0.7建立模糊規(guī)則，對(duì)應(yīng)模糊數(shù)見表1。

圖5中β=0.7響應(yīng)曲線雖然相對(duì)優(yōu)越，但其穩(wěn)態(tài)誤差較大。為進(jìn)一步優(yōu)化該模型的性能指標(biāo)，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，選取Ku=1.3、Ke=1.8、Kec=0.5，調(diào)節(jié)E(t)模糊子集取值范圍，結(jié)果見表2。

表1 模糊控制規(guī)則Tab.1 Fuzzy control rule

表2 E(t)模糊子集最優(yōu)取值Tab.2 Optimal value of E(t) fuzzy subset

3.2 控制算法分析

為驗(yàn)證上述Bisector模糊控制算法應(yīng)用于變量噴霧系統(tǒng)的魯棒性與優(yōu)越性，與PID控制算法、Centroid模糊控制算法進(jìn)行仿真對(duì)比試驗(yàn)[21-22]。

傳遞函數(shù)采用式(6)，依據(jù)Ziegler-Nichols(Z-N)參數(shù)整定方法，PID控制器的Kp、Ki、Kd分別取值3.8、3.2、0.76。Centroid模糊控制算法采用3.1節(jié)得出的模糊規(guī)則與最優(yōu)參數(shù)取值。階躍響應(yīng)曲線對(duì)比如圖6所示，性能指標(biāo)對(duì)比見表3。

圖6 階躍響應(yīng)對(duì)比曲線Fig.6 Curves of step response comparison

由圖6與表3可知，Bisector模糊控制算法在上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量與穩(wěn)態(tài)誤差方面均優(yōu)于Centroid模糊控制算法。PID控制算法的上升時(shí)間最短，但超調(diào)量與穩(wěn)態(tài)誤差較大?？紤]Bisector模糊控制算法雖然上升時(shí)間比PID控制算法滯后0.75 s，但PID超調(diào)過(guò)大，需要20.74 s調(diào)節(jié)至穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)跟隨響應(yīng)滯后。本文的變量噴霧系統(tǒng)為非線性、時(shí)變系統(tǒng)，傳遞函數(shù)無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，而PID控制算法的性能依賴于傳遞函數(shù)準(zhǔn)確性。模糊控制算法的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)其控制效果影響小。綜合考慮，Bisector模糊控制算法能夠更好地滿足本系統(tǒng)快速響應(yīng)、動(dòng)態(tài)跟蹤、穩(wěn)定輸出的要求。

表3 階躍響應(yīng)性能指標(biāo)Tab.3 Performance index of step response

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)大豆實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行大田試驗(yàn)，選擇大豆生長(zhǎng)1～3片復(fù)葉、雜草2～5葉期進(jìn)行苗后除草，進(jìn)行非行走設(shè)定車速、恒定車速跟隨、動(dòng)態(tài)車速跟隨3種試驗(yàn)。噴霧裝置采用3WF-1000型噴桿式噴霧機(jī)，配置?NΛLLΛR C-96型隔膜泵、AIXR11003型噴頭(數(shù)量36、間距0.5 m)、幅寬18 m桁架、容量200 L藥箱。載體機(jī)具采用紐荷蘭110-90型拖拉機(jī)，噴霧介質(zhì)為精喹禾靈水溶液。

自主設(shè)計(jì)的變量噴霧系統(tǒng)閥體部分與控制器如圖7所示。

圖7 變量噴霧系統(tǒng)控制主體Fig.7 Control core of variable spray system

4.2 非行走設(shè)定車速試驗(yàn)

為分析農(nóng)機(jī)動(dòng)力因素對(duì)控制系統(tǒng)響應(yīng)速度與穩(wěn)定性的影響，設(shè)置Q為150 L/hm2，保持農(nóng)機(jī)怠速狀態(tài)，屏蔽速度傳感器，設(shè)定速度10 km/h直接輸入控制系統(tǒng)，管路流量響應(yīng)曲線如圖8所示。

圖8 非行走設(shè)定車速試驗(yàn)流量響應(yīng)曲線Fig.8 Flow response curves of non-travel fixed speed test

v(t)為10 km/h恒速時(shí)，由式(1)計(jì)算得q(t)為45 L/min。t>0時(shí)，為使噴頭達(dá)到霧化效果，需滿足q′(t)>18 L/min；t<6.7 s時(shí)，q′(t)從18 L/min至45 L/min呈線性上升趨勢(shì)，由于q′(t)與q(t)初始差值較大，模糊控制規(guī)則輸出取正大，q′(t)以最大速率上升，逼近q(t)；6.7 s≤t<9.8 s時(shí)，由于機(jī)械慣性的作用，q′(t)從45 L/min至48 L/min仍緩慢上升，大于q(t)，出現(xiàn)超調(diào)，模糊控制規(guī)則輸出取負(fù)中；9.8 s≤t<13.4 s時(shí)，q′(t)從48 L/min至45 L/min呈下降狀態(tài)，通過(guò)模糊控制模型進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，穩(wěn)定輸出量；t≥13.4 s時(shí)，q′(t)以45 L/min穩(wěn)定輸出。非行走設(shè)定車速試驗(yàn)實(shí)測(cè)單位面積噴霧量約為151.6 L/hm2，與設(shè)定值相差1.1%。

4.3 恒定車速跟隨試驗(yàn)

為驗(yàn)證農(nóng)機(jī)從啟動(dòng)至行進(jìn)過(guò)程中，噴霧系統(tǒng)適應(yīng)擾動(dòng)、跟隨車速的效果，選擇平坦試驗(yàn)區(qū)域，啟動(dòng)速度傳感器，駕駛員控制農(nóng)機(jī)以速度10 km/h勻速行駛，控制系統(tǒng)依據(jù)實(shí)時(shí)車速進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。實(shí)時(shí)車速曲線如圖9所示。

圖9 恒定車速跟隨試驗(yàn)車速變化曲線Fig.9 Speed curve of fixed speed following test

試驗(yàn)過(guò)程中，由于農(nóng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)、駕駛員主觀操作因素的影響，行進(jìn)速度不能保持恒定。5 s≤t<8 s時(shí)，由于農(nóng)機(jī)自身啟動(dòng)延時(shí)，v(t)為0；8 s≤t<18 s時(shí)，v(t)迅速增大至11.2 km/h，由于慣性出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象；t≥25 s時(shí)，v(t)趨于穩(wěn)定。農(nóng)機(jī)從啟動(dòng)到穩(wěn)定行駛耗時(shí)25 s。

管路流量跟隨車速的變化曲線如圖10所示。由圖10可知，5 s≤t<8 s時(shí)，q(t)由v(t)計(jì)算出為0，駕駛員啟動(dòng)農(nóng)機(jī)瞬間，軸動(dòng)力輸出減小，造成隔膜泵動(dòng)能降低，使得q′(t)減小，啟動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)；8 s≤t<16.5 s時(shí)，q(t)隨v(t)增大，q′(t)也隨之遞增至45 L/min；16.5 s≤t<18.8 s時(shí)，q(t)與q′(t)出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象；經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)后，t≥27.6 s，系統(tǒng)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，q′(t)曲線與q(t)曲線逼近。恒定車速跟隨試驗(yàn)實(shí)測(cè)單位面積噴霧量為153.2 L/hm2，與理論值相差2.1%。

圖10 恒定車速跟隨試驗(yàn)流量響應(yīng)曲線Fig.10 Flow response curves of fixed speed following test

4.4 動(dòng)態(tài)車速跟隨試驗(yàn)

大田作業(yè)環(huán)境，農(nóng)機(jī)行進(jìn)過(guò)程中遇到坑洼、土坡等會(huì)造成車速波動(dòng)。為進(jìn)一步驗(yàn)證噴霧系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與魯棒性，選擇大豆壟田試驗(yàn)區(qū)域，由駕駛員根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)控制車速。動(dòng)態(tài)變化車速曲線如圖11所示。

圖11 動(dòng)態(tài)車速跟隨試驗(yàn)車速變化曲線Fig.11 Speed curve of dynamic speed following test

4 s≤t<17 s，為農(nóng)機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)耗時(shí)；t=37 s、t=92 s、t=112 s時(shí)加速行進(jìn)，t=63 s、t=138 s時(shí)減速行進(jìn)。

管路流量跟隨車速的動(dòng)態(tài)變化曲線如圖12所示。4 s≤t<17 s，農(nóng)機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)、噴霧系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，q(t)與q′(t)變化趨勢(shì)與恒定車速跟隨試驗(yàn)一致；t≥17 s時(shí)，隨著車速動(dòng)態(tài)變化，無(wú)論加速點(diǎn)還是減速點(diǎn)，當(dāng)前流量與需求流量的曲線均能較好的擬合，說(shuō)明經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，q′(t)能夠跟隨q(t)的動(dòng)態(tài)變化而變化，并且保持較小的偏差，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟隨目的。動(dòng)態(tài)車速跟隨試驗(yàn)實(shí)測(cè)單位面積噴霧量為154.1 L/hm2，與理論值相差2.7%。

圖12 動(dòng)態(tài)車速跟隨試驗(yàn)流量響應(yīng)曲線Fig.12 Flow response curves of dynamic speed following test

4.5 單位面積噴霧量誤差分析

噴霧系統(tǒng)出水管總流量為各個(gè)支路的噴嘴噴霧量之和，試驗(yàn)前在每個(gè)噴嘴下方放置量筒，作為實(shí)測(cè)噴霧量的標(biāo)定。非行走設(shè)定車速、恒定車速跟隨、動(dòng)態(tài)車速跟隨3種車速狀態(tài)，各進(jìn)行5次試驗(yàn)。農(nóng)機(jī)車速變化范圍4～12 km/h，誤差數(shù)據(jù)見表4。

表4中數(shù)據(jù)顯示，不同車速狀態(tài)下，非行走設(shè)定車速試驗(yàn)、恒定車速跟隨試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)車速跟隨試驗(yàn)，噴霧量實(shí)測(cè)值與設(shè)定值的最大絕對(duì)誤差比率分別為1.20%、2.27%、2.87%，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)大田寬幅機(jī)械變量噴霧精準(zhǔn)化程度低、車速影響考慮不充分的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于模糊控制的車速跟隨變量噴霧系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠依據(jù)農(nóng)機(jī)車速變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)出水管流量、依據(jù)出水管壓力與藥箱液位變化動(dòng)態(tài)預(yù)警，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

(2)利用Matlab對(duì)7種模糊控制規(guī)則進(jìn)行仿真分析，得出偏差的權(quán)重為0.7時(shí)，模糊控制模型響應(yīng)速度最快，且能夠快速恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)；對(duì)3種控制算法進(jìn)行了仿真對(duì)比，結(jié)果表明，Bisector模糊控制算法的上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差分別為3.38 s、3.94 s、0.73%、0.28%，綜合性能較優(yōu)。

表4 單位面積噴霧量誤差Tab.4 Error of spray volume per unit area

(3)車速跟隨試驗(yàn)結(jié)果表明，非行走設(shè)定車速狀態(tài)，屏蔽干擾，控制系統(tǒng)自身調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定，調(diào)節(jié)耗時(shí)13.4 s；恒定車速狀態(tài)，受農(nóng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)啟速過(guò)程擾動(dòng)，控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)至穩(wěn)態(tài)耗時(shí)27.6 s；動(dòng)態(tài)車速狀態(tài)，控制系統(tǒng)跟隨農(nóng)機(jī)車速實(shí)時(shí)調(diào)控，調(diào)節(jié)耗時(shí)17 s。當(dāng)前流量能夠穩(wěn)定跟隨需求流量，速度變化點(diǎn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果良好。

(4)單位面積噴霧量試驗(yàn)結(jié)果表明，車速在4～12 km/h變化范圍，非行走設(shè)定車速、恒定車速、動(dòng)態(tài)車速3種狀態(tài)，單位面積噴霧量最大絕對(duì)誤差比率分別為1.20%、2.27%、2.87%，實(shí)現(xiàn)了較高精度的變量噴霧目標(biāo)。