车载式施药机末端执行器流量控制策略研究

王林生,王风燕，汪小志，高珍冉

(1. 河南工业职业技术学院 电子工程系，河南 南阳　473000；2.南昌大学 资源环境与化工学院，南昌　330031；3.南昌工学院，南昌　330108)



车载式施药机末端执行器流量控制策略研究

王林生1,王风燕1，汪小志2,3，高珍冉3

(1. 河南工业职业技术学院 电子工程系，河南 南阳473000；2.南昌大学 资源环境与化工学院，南昌330031；3.南昌工学院，南昌330108)

摘要：我国是农业大国，农业经济的健康、快速发展是我国现代经济稳步增长的可靠保障，现代化农业的发展离不开自动化机械的帮助。近年来，车载式施药机逐步在农业病虫害防治中推广使用，但是由于技术相对落后，在施药过程中普遍存在“跑冒滴漏”、农药喷施不均、漂移、蒸发、污染和施药者中毒等问题。为此，在概述车载式施药机系统的基础上提出了基于PID压力反应机制的末端执行器流量控制策略，并对其运行效率进行计算机仿真分析，以期在车载式施药机行走速度不同的情况下保证相同的施药量，并在减少对环境污染的同时也降低农业生产成本。

关键词：车载式施药机；PID压力反应；流量控制；仿真分析；末端执行器

0引言

我国是一个农业大国，耕地面积广泛，农作物种类繁多；但是，所有的农作物在生产过程中都会遭受病虫害的威胁。因此，病虫害防治是我国农业发展中的重要工作之一。据统计，我国每年遭受病虫害的农作物面积超过2亿hm2，而大部分地方的病虫害防治措施依然是人工喷洒农药，工作效率极低、施药不均匀，容易造成农业化学污染。随着农业机械化的不断发展，在一些有经济能力的地区开始使用车载式施药机，大大提高了工作效率；但也出现了药液雾滴漂移现象严重、药液的附着率低，及造成土壤和环境污染严重等现象。目前，我国所采用的大多数车载式施药机机械机构较简单，作业方便性较差，自动化程度和施药的安全性较低。

针对我国目前车载式施药机流量不稳定、药液附着率低等问题，研究开发具有国际水平的车载式施药机末端流量执行器新技术是我国农业植保机械发展的首要任务。为此，本文提出了基于PID压力反应机制的末端执行器流量控制策略，根据农户需要设定具体施药量，以保证车载式施药机在变速行驶状态下均匀施药，可减少环境污染、提高劳动效率、降低农业生产成本。

1车载式施药机系统概述

对于车载式施药机的功能要求主要有以下几个方面：

1)由于我国地形复杂、起伏变化大，需要施药机在工作过程中实时调节车速，要求车载式施药机系统能够根据车速变化及时调节施药机的机体压力和施药量，保证在不同的地形、地块中根据农作物的具体需要均匀施药。

2)整个车载式施药机系统需要实现在线监测与控制，需要将机体压力、施药量及车速等变量指标实时显现于计算机控制面。同时，还需要有一套完整的数据采集系统，及时采集数据信息并储存，以便将车载式施药机的工作流程展现给用户，也方便今后的研究和改进。

3)对于各个施药喷头需要有独立的控制程序，要求能够在计算机上实现各个施药喷头的开闭控制，以便在复杂地势作业时实现转弯、掉头停喷；并且能够根据地形变化及时改变施药宽度，提高工作效率，降低对农药的浪费，保证均匀施药。

本文设计的车载式施药机的功能要求示意图，如图1所示。

本文采用的车载式施药机系统如图2所示。

图2中，车载式施药机主要包括农药储存装置、农用机动力装置及计算机控制装置3部分，主要机器零件有药泵、过滤器、药箱、溢流阀、总开关、速度传感器、流量传感器、控制面板、液晶显示屏、键盘、喷杆及喷头。工作原理：农用机动力输出带动药泵吸入农药，通过计算机控制装置预设流量，根据速度传感器和流量传感器传回的数据，由计算机自动控制车载式施药机末端执行器，保证农药均匀喷出。在整个施药过程中对施药量产生影响的因素主要有压力、速度、旁路调节阀。其影响表达式分别为：

压力与流量关系为

(1)

其中，q1表示压力为p1时的流量；q2表示压力为p2的流量。

速度与流量关系为

(2)

旁路调节阀与流量关系为

(3)

图1　功能要求示意图

1.药泵　2.过滤器　3.药箱　4.溢流阀　5.总开关　6.速度传感器

2末端执行器流量控制系统设计

在整个车载式施药机控制系统中末端执行器流量控制装置是最终执行系统，常见的控制系统有开环控制和闭环控制，如图3所示。

常见的末端执行器流量控制系统包括控制器和控制对象两部分。开环控制系统是传统的控制方式，其控制的精确性主要依靠高精度系统元件来保障，由于系统结构相对简单，因此系统运行的稳定性较差。闭环控制系统是基于信息反馈机制设计的，具有提高控制精确度、降低信号跟踪误差的优点；但是其缺点在于对控制元件的精度要求不高，可能导致对一些线性反映的灵敏度下降。针对这些传统控制系统存在的弊端，本文提出了基于PID压力反应机制的末端执行器流量控制系统，如图4所示。

图3　开环控制和闭环控制系统示意图

图4　PID压力反应末端执行器流量控制系统示意图

图4中，P(s)表示药液压力；Q(s)表示实际施药量；e表示实际施药与计划施药的偏差；U(s)表示PID压力反馈值。整个系统的运行原理如下：

执行器药液压力传递函数为

P1(s)=0.2U1(s)

(4)

PID压力反馈值系数为

U=KP实+b

(5)

当输出电压稳定在0～5V之间时，执行器压力最大值为2.5MPa，则有

U2(s)=2P2(s)

传输延迟函数为

(6)

将以上各式进行PID压力反应变化可得到

Q=kU+m

(7)

(8)

(9)

(10)

由式(7)～式(10)可以得出基于PID压力反应机制的末端执行器流量控制系统运行总函数为

(11)

基于PID压力反应机制的末端执行器流量控制系统通过计算机控制施药量，再根据药液压力反馈信息，对实际施药量和计划施药量的逆差进行控制和修复，从而保证施药量的准确无误。此系统的开发与使用将提高农业生产效率，也可大幅度降低成本。

3仿真分析

上述的基于PID压力反应机制的末端执行器流量控制系统具有传统施药流量控制器所不能比拟的优越性能，为检验其运行的稳定性，本文将对该系统进行基于MatLab模糊控制的仿真分析。该仿真系统结构示意图，如图5所示。

图5　MATLAB模糊控制仿真分析系统示意图

图5中，基于MatLab模糊控制的仿真分析系统能够利用计算机信息处理过程来检验实际施药量是否与计划施药量存在偏差：如果存在偏差则发出警报，重新计算施药量；反之则继续施药。系统反复的次数越少，说明基于PID压力反应机制的末端执行器流量控制系统运行越稳定。

仿真系统的运行过程如下：

通过模糊控制仿真得到的结果是一个模糊集合。在实际操作中，需要确定的数值才能控制驱动运行程序。为方便用户读取仿真结果，需要先进行去模糊化。

1)取仿真结果模糊集合中隶属度最大的数值作为仿真结果值，即

(12)

2)取仿真结果矩阵中每一列隶属度最大的数值，求其平均值，即

(13)

(14)

其中，J=|{v}|，J为具有相同最大隶属度矩阵列的总和。

利用加权平均值法求最终的仿真输出值为

(15)

其中，系数ki需要根据实际情况选择，不同的系统特性决定了不同的系数选择。本文选择基于MatLab模糊控制的仿真系数，以便准确对基于PID压力反应机制的末端执行器流量控制系统进行仿真分析。

假设实际施药量是否与计划施药量偏差变量为M、N，设置9个量化等级为

M=N= {-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}；建立如表1所示的实际施药量与计划施药量的变量隶属函数。

表1　实际施药量与计划施药量的变量隶属函数关系表

同时假设偏差变量系统为Ri，则有

R=R1∨R2∨R3∨R4∨R5

R1=NL(E)×PL(U)=NL×PL=NLT·PL

R2=NS(E)×PS(U)=NS×PS=NST·PS

R3=O(E)×O(U)=O×O=OT·O

R4=PS(E)×NS(U)=PS×NS=PST·NS

R5=PL(E)×NL(U)=PL×NL=PLT·NL

通过以上函数运算过程，可获得仿真分析结果如图6所示。

图6　仿真结果示意图

由图6仿真结果可知：当药液压力在达到1MPa之前，系统处于不稳定状态；而当药液压力达到1MPa之后，系统处于稳定状态。此仿真结果说明基于PID压力反应机制的末端执行器流量控制系统能够很快达到稳定状态，并一直处于稳定状态。

4结语

农业机械的广泛应用是我国现代化农业快速发展的保障，传统的车载式施药技术虽提高了农业生产速度，但也带来了农药浪费、施药残余过多及土壤化学污染等问题。本文提出的基于PID压力反应机制的末端执行器流量控制系统运行稳定，将其推广应用于车载式施药机， 能够保证施药的精确度与均匀度， 期望该系统的推广使用能够为我国的农业机械化发展及农业经济发展带来新的机遇。

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Research on Flow Control Strategy of Terminal Actuator in Vehicle-mounted Spraying Machine

Wang Linsheng1, Wang Fengyan1, Wang Xiaozhi2,3,Gao Zhenran3

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 2.School of Resources Environment & Chemical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031,China;3.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108, China)

Abstract：China is a large agricultural country.It is a reliable guarantee for keeping steady economic growth and agricultural economic health and rapid development in modern China. The development of modern agriculture cannot go smoothly without the help of automation machinery. In recent years, vehicle-mounted spraying machine has gradually appeared in agriculture to promote the use of prevention. However,due to the relatively backward technology, in the process of applying pesticide prevalent "leaking",it appears in pesticide spraying uneven, drift, evaporation, pollution and pesticide poisoning and other issues. In light of these problems, a vehicle-mounted spraying machine system is proposed on the ends of flow control strategy based on PID pressure reaction mechanism actuator to ensure the running efficiency of computer simulation analysis. In order to ensure the application of vehicular pesticide spraying machine for walking the same amount of different speed, it not only reduces the pollution of the environment but also reduces the cost of agricultural production.

Key words：vehicle-mounted spraying machine; PID stress; flow control; simulation analysis; terminal actuator

文章编号：1003-188X(2016)03-0096-05

中图分类号：TP277；S224.3

文献标识码：A

作者简介：王林生(1981-)，男，河南南阳人，讲师。通讯作者：汪小志(1981-)，女，武汉人，讲师，博士研究生，(E-mail)wangxiaozhi@ncu.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金青年基金项目(51305152)

收稿日期：2015-01-10