數(shù)學(xué)建模下的植保機定量施藥系統(tǒng)設(shè)計分析

賽朋飛,周永濤,李 圓

(黃河交通學(xué)院,河南 焦作 454950)

0 引言

近年來,興起的植保機技術(shù)先后在種植、養(yǎng)護及管理環(huán)節(jié)得到有效推廣,尤其針對一些人工培育無法到達的農(nóng)田區(qū)域,實施植保機施藥管理是很好的管理方法。另外,從綠色化與時代化角度出發(fā),越來越多的農(nóng)作物產(chǎn)出更加傾向注重人們的健康與可持續(xù)價值,需要從農(nóng)作物的培養(yǎng)養(yǎng)護角度實施改善。經(jīng)查閱文獻與實踐調(diào)查可知,當(dāng)前植保機實施藥物管理作物技術(shù)不斷革新,從輕量化、功能化、持久化角度優(yōu)化較多,但如何最大化地實現(xiàn)噴施農(nóng)藥的價值,平衡綠色與管理之間的關(guān)系,成為一個思考方向。為了適應(yīng)我國農(nóng)機裝備精準化設(shè)計要求,以體現(xiàn)社會效益與資源效益為原則,筆者擬選擇數(shù)學(xué)建模理論針對植保機的施藥系統(tǒng)展開分析研究。

1 植保機概述

植保機是一種較為智能的農(nóng)機裝置,用于農(nóng)作物的施肥與施藥管理技術(shù)較為成熟,主要采取的施藥方式有噴霧法、超低量法及彌霧法等,是通過機體上的自動控制、伺服驅(qū)動等來達到合理施藥的應(yīng)用目的?；跀?shù)學(xué)建模的植保機的核心架構(gòu)體系組成,如圖1所示。同時,結(jié)合表1植保機的主要技術(shù)特征及參數(shù)列表可知:一套完備的植保機由飛行控制系統(tǒng)、電路保障系統(tǒng)、自穩(wěn)定系統(tǒng)、路徑規(guī)劃系統(tǒng)、施藥任務(wù)系統(tǒng)、作業(yè)噴施系統(tǒng)及環(huán)境參數(shù)系統(tǒng)等組成,為了確定施藥任務(wù)系統(tǒng)與作業(yè)噴施系統(tǒng)之間的內(nèi)在聯(lián)系,以數(shù)學(xué)控制與數(shù)學(xué)建模為切入點,思考如何布局與設(shè)計實現(xiàn)施藥系統(tǒng)的定量精準性問題。

圖1 植保機的核心架構(gòu)體系組成簡圖Fig.1 Diagram of the composition diagram of core architecture system of plant protection vehicle

表1 植保機的主要技術(shù)特征及參數(shù)Table 1 Main technical features and parameter of the plant protection vehicle

續(xù)表1

2 定量施藥系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

以實現(xiàn)系統(tǒng)的充分藥液混合、均勻噴施為目標,選擇系統(tǒng)的噴桿、噴嘴及系列閥組構(gòu)成的沿程管路為設(shè)計主體,建立用于噴施藥物的流量、壓力及阻力損耗之間的準確數(shù)學(xué)關(guān)系。該施藥系統(tǒng)的核心數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中Tc—定量施藥系統(tǒng)的時間常數(shù);

c0—施藥系統(tǒng)噴出的藥液濃度;

ci—施藥系統(tǒng)瞬時流經(jīng)節(jié)點濃度;

t—定量施藥系統(tǒng)的作業(yè)時間;

τc—定量施藥系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸延遲;

K—定量施藥系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型下的靜態(tài)增益;

qc—定量施藥系統(tǒng)流經(jīng)節(jié)點的瞬時藥液流量;

qm—定量施藥系統(tǒng)流出節(jié)點的瞬時藥液流量;

K1、K2、Φ1、Φ2—定量施藥系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型下的修正參數(shù)。

在核心數(shù)學(xué)模型中植入模糊控制機制,進行連貫協(xié)同的定量施藥系統(tǒng)準確建模,設(shè)置施藥參量與控制接口為閉環(huán),通過相匹配的接口電路及程序指令,以隸屬函數(shù)為執(zhí)行規(guī)則,完成施藥作業(yè)時機、施藥模式與施藥作業(yè)量的目標實現(xiàn)。

考慮施藥環(huán)節(jié)執(zhí)行閥門的開度、壓力等重要影響因素,建立基于數(shù)學(xué)建模的植保機定量施藥流程規(guī)劃,如圖2所示。在選定了速度、流量及高度有效初始參數(shù)前提下,結(jié)合植保機的飛行控制系統(tǒng)實時傳輸指令,針對不同流量下的模型確定任務(wù)執(zhí)行的通道,同步將執(zhí)行參數(shù)進行雙向反饋,從而達到定量化精準控制施藥目標。

圖2 基于數(shù)學(xué)建模的植保機定量施藥流程規(guī)劃簡圖Fig.2 Schematic diagram of quantitative application process planning of the plant protection vehicle based on the mathematical modeling

2.2 系統(tǒng)軟件控制設(shè)計

以實現(xiàn)工作系統(tǒng)的高效率為出發(fā)點,進行軟件控制模塊的內(nèi)部單元劃分,給出植保機定量施藥系統(tǒng)的內(nèi)部軟件控制結(jié)構(gòu)簡圖,如圖3所示。將結(jié)構(gòu)準確分解為系統(tǒng)內(nèi)核、SQL編譯、處理后端及計算附件4個應(yīng)用單元,在各單元負責(zé)功能實現(xiàn)的組件命令下,如數(shù)學(xué)模型分析、參數(shù)數(shù)學(xué)修正、命令處理等,最終形成施藥相關(guān)作業(yè)動作指令的有效輸出。

選擇ARM作為核心處理器,在噴施藥量與均勻度設(shè)為關(guān)鍵控制參數(shù)后,選定嵌入方式的控制器,設(shè)計輸入主程序,再分別植入噴施執(zhí)行程序、濃度調(diào)控程序及相應(yīng)地通信程序等,內(nèi)部調(diào)控以實時比較反饋為主,著重以飛行參數(shù)與噴施參數(shù)之間最佳協(xié)同化為主。

2.3 系統(tǒng)硬件配置選型

根據(jù)植保機噴施過程的作物到達藥量與機體的實時作業(yè)狀態(tài)的關(guān)系,以數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)膶崟r分級實現(xiàn)為前提,選定如表2所示的數(shù)學(xué)建模下的植保機定量施藥系統(tǒng)硬件執(zhí)行部件及參數(shù)特征。其中,ULWA型噴頭與電液補償性能的比例控制閥是進行定量化噴施的主體。

圖3 植保機定量施藥系統(tǒng)的內(nèi)部軟件控制結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Structure diagram of internal software control of the quantitative spraying system of the plant protection vehicle

表2 數(shù)學(xué)建模下的植保機定量施藥系統(tǒng)硬件執(zhí)行部件及參數(shù)特征Table 2 Hardware executive components and parameter characteristics of quantitative medicine system of plant protection vehicle under the mathematical modeling

在選定參數(shù)特征及組件后,給出數(shù)學(xué)建模下的植保機施藥系統(tǒng)主要硬件配置框圖,如圖4所示。此硬件配置以待噴施作物所處的環(huán)境數(shù)據(jù)信息數(shù)傳平臺為載體,通過植保機地面的測控模塊采集準確信息后,同步布置兩路驅(qū)動放大電路進行信號的處理與調(diào)理分析,一路用于處理各壓力、流量傳感裝置控制的信號,一路與施藥系統(tǒng)的噴頭組件形成具有連續(xù)性的可調(diào)流量噴施,各系列動作通過內(nèi)部嵌入的藥液回路速度、壓力及流量執(zhí)行控制組件連接完成。

圖4 植保機定量施藥系統(tǒng)的主要硬件配置框圖Fig.4 Block diagram of the main hardware configuration of quantitative spraying system of the plant protection vehicle

3 整機試驗

3.1 作業(yè)條件

基于上述較為完整的數(shù)學(xué)建模下的植保機定量施藥系統(tǒng),依據(jù)數(shù)學(xué)建模下的植保機定量施肥作業(yè)數(shù)據(jù)識別流程(見圖5),選擇面積為100m2的待噴施農(nóng)田展開整機作業(yè)試驗,農(nóng)作物對象為冬小麥。同時,確保主要作業(yè)滿足如下條件:

①作業(yè)試驗分組以一致性、同等性為原則,不考慮中間藥液添加等因素影響; ②系統(tǒng)的藥液混合、輸入與噴出各環(huán)節(jié)動作順暢;③作業(yè)過程植保機與地面通信線路良好、監(jiān)控顯示正常等。

3.2 過程分析

設(shè)定系統(tǒng)的安全閥組壓力一定,植保機實施作業(yè)的飛行速度為5km/h勻速進行,選定系統(tǒng)的施藥預(yù)定流量范圍為2.50～6.00L/min,進行數(shù)據(jù)記錄分析,得到基于數(shù)學(xué)建模的植保機定量施藥系統(tǒng)作業(yè)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計,如表3所示。由表3可知:在同等的噴施作業(yè)條件下,將噴施作業(yè)田進行有序噴施,當(dāng)系統(tǒng)的預(yù)設(shè)流量為2.50L/min時,實際監(jiān)測流量為2.56L/min;當(dāng)系統(tǒng)的預(yù)設(shè)流量為3.50L/min時,實際監(jiān)測流量為3.43L/min;依次以0.5L/min預(yù)設(shè)流量進行遞增,可看出兩者的相對誤差控制在2.5%范圍內(nèi),且平均相對誤差為1.83%,驗證了該數(shù)學(xué)建模應(yīng)用于植保機施藥系統(tǒng)的可行性與定量準確性。

圖5 數(shù)學(xué)建模下的植保機定量施肥作業(yè)數(shù)據(jù)識別流程簡圖Fig.5 Flow chart of quantitative fertilization operation data identification of the plant protection vehicle under the mathematical modeling

表3 基于數(shù)學(xué)建模的植保機定量施藥系統(tǒng)作業(yè)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 3 Statistics of spraying test data of quantitative application system on plant protection vehicle based on the mathematical modeling

選定植保機所具備的、用于衡量作業(yè)性能的系統(tǒng)施藥精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、系統(tǒng)響應(yīng)速度、綜合節(jié)藥率、施藥均勻度及整機作業(yè)效率作為關(guān)鍵地對比參數(shù),形成數(shù)學(xué)建模應(yīng)用下的植保機施藥作業(yè)試驗效果對比,如表4所示。由表4可看出:經(jīng)過系統(tǒng)、深入、縝密地數(shù)學(xué)建模設(shè)計優(yōu)化,植保機的各項作業(yè)指標得到很好地提升,施藥精度由86.70%提升至96.44%,系統(tǒng)穩(wěn)定性由85.20%提升至92.75%,整機綜合節(jié)藥率相應(yīng)地由86.14%提升至95.42%,施藥均勻度由85.46%優(yōu)化為94.53%,作業(yè)效率由87.50%改善為94.79%。

表4 數(shù)學(xué)建模應(yīng)用下的植保機施藥作業(yè)試驗效果對比Table 4 Comparison of pesticide spraying test results of the plant protection vehicle under the application of the mathematical modeling %

4 結(jié)論

1)在當(dāng)前植保機通用作業(yè)機理的基礎(chǔ)上,以最大限度地實現(xiàn)植保機施藥系統(tǒng)的定量化作業(yè)為目標,從本質(zhì)化的數(shù)學(xué)建模角度出發(fā),以藥液噴施特性與系統(tǒng)核心控制相結(jié)合,建立數(shù)學(xué)理論模型,并進行相應(yīng)的軟件設(shè)計與硬件配置,形成完整化、全性能的定量施藥系統(tǒng)。

2)選取此數(shù)學(xué)建模下的植保機定量施藥系統(tǒng)作為試驗對象,展開定量性能驗證的噴施作業(yè),結(jié)果表明:經(jīng)數(shù)學(xué)建模設(shè)計分析后,植保機在確保了系統(tǒng)穩(wěn)定性運行的條件下,施藥精度與施藥均勻度得到明顯提升,可較好地實現(xiàn)施藥系統(tǒng)定量化指標控制要求,且整機作業(yè)效率相對提高了7.29%。