（机械设计及理论专业论文）变量喷雾系统设计及喷雾流量控制特性试验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 变量喷雾作为精确农业中的重要组成部分，其核心是采用g p s 、地理信息技 术或实时传感器器技术获取农田小区域内病虫草害的差异性信息，采用压力控制 方式、流量控制方式或药液浓度调节式控制方式精确、快速地实现按目标喷量进 行喷雾作业，并且具有良好的雾化特性。本文在对国内外变量喷雾技术研究情况 进行分析和总结，提出了采用p l c 控制电动比例调节阀对系统喷雾流量进行控 制的新方法。设计出相应的变量喷雾系统和配套的测控软件，实现了对喷雾流量 的控制和动态数据的采集，最后对变量喷雾系统的喷雾流量控制特性进行了试验 研究。主要完成以下研究工作： 1 ) 测定了变量喷雾系统的喷雾流量调节范围，测得最大可调比为7 ( 配置 n 1 1 0 5 3 型喷头) ；最小可调比为3 2 ( 配置n 6 0 1 4 型喷头) 。 2 ) 研究了电动比例调节阀流量调节特性并设计出流量控制算法 ( 1 ) 两种喷头配置下电动比例调节阀都表现为抛物线式的流量调节特性； 皆存在较大的流量调节死区及饱和区；皆存在较为明显的迟滞特性，并且喷雾流 量调节范围越大，迟滞特性越明显。 ( 2 ) n 1 1 0 5 3 型喷头配置下系统对应的最佳调节区域为3 - - 一5 i m i n ；而n 6 0 1 4 型喷头配置下系统对应的最佳调节区域为1 5 2 1 i m i n 。 3 ) 研究了变量喷雾系统定量喷雾精度随流量变化的规律 ( 1 ) 无论是调大喷雾流量还是调小喷雾流量，小目标喷雾流量( 0 7l m i n ) 处和大目标喷雾流量( 4 5l m i n ) 处的实际喷雾流量波动很小，其它目标喷雾流 量区域中的实际喷雾流量波动相对较大。 ( 2 ) 调大喷雾流量时，喷雾误差总体上呈下降趋势，而调小喷雾流量时情 况正好相反，从而可以得出大流量调节时的精度要比小流量调节时高。 4 ) 研究了变量喷雾系统喷雾流量瞬态特性 ( 1 ) 将调小喷雾流量的调节幅度增大时，变量喷雾延迟时间会相应增加， 从0 3 s 上增大至1 5 s ；将调大喷雾流量的调节幅度增大时并不符合上述规律。 ( 2 ) 当以超过0 3 5 l m i n 的调节幅度增大喷雾流量时，喷雾流量将会产生 超调现象，而以任何幅度减小流量时，都不会出现超调。 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 在电动比例调节阀与开关电磁阀组合控制方式下，可将0 6 l m i n 至 4 5 1 _ m i n 调节幅度下的变量喷雾延迟时间从1 s 缩短至0 8 s ，但也使超调量增加 o 0 7 l m i n ( 占目标喷雾流量的1 5 ) 。 关键词：变量喷雾，电动比例调节阀，喷雾精度，延迟时间 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ev a r i a b l e r a t e s p r a y i n gs y s t e m i st h ev i t a l c o m p o n e n ti nt h ep r e c i s i o n a g r i c u l t u r e ，t h ec o r ei st h a td i f f e r e n c ei n f o r m a t i o no fp e s ta n dw e e dd i s e a s ei nt h e s m a l la r e ao ff a r m l a n di sg a i n e db yu t i l i z i n gt h et e c h n o l o g i e so fg p s ，g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , r e a l t i m es e n s o r , a n dt h e9 0 0 da t o m i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f s p r a yw o r ka c c o r d i n gt ot a r g e ti sp r e c i s e l ya n dq u i c k l yd o n eb yp r e s s u r ec o n t r o lm o d e ， f l o wc o n t r o lm o d e ，r e a g e n ti n j e c t i o nc o n t r o lm o d e s p r a yf l o ww a sc o n t r o l l e db ya n e ww a yt h a tp l cc o n t r o l se l e c t r i cp r o p o r t i o n a lv a l v ef o rf l o wr e g u l a t i o na f t e rt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fm a n yv a r i a b l es p r a y i n gs y s t e m sa n dv a r i a b l e s p r a y i n gt e c h n o l o g yo fd o m e s t i ca n do v e r s e a sw e r ea n a l y z e d v a r i a b l e - r a t es p r a y i n g s y s t e m sa n dr e l a t e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls o f t w a r ew e r ed e s i g n e d ，c o n t r o l l i n go f s p r a yf l o wa n dc o l l e c t i n go fd y n a m i cd a t aw e r er e a l i z e d ，a n df i n a l l yt h ec h a r a c t e r i s t i c o fs p r a yf l o wc o n t r o lw a sr e s e a r c h e db ye x p e r i m e n t r e s e a r c hr e s u l t s 嬲f o l l o w i n g ： 1 ) a d j u s t m e n tr a n g eo fs p r a yf l o ww a sm e a s u r e d ，t h em a x i m u ma d j u s t a b l er a t i o w a s7 ( c o n f i g u r a t i o n ：n l1 0 5 3n o z z l e ) ，a n dt h em i n i m u ma d j u s t a b l er a t i ow a s3 2 ( c o n f i g u r a t i o n ：n 6 0 1 4n o z z l e ) 2 ) t h ef l o wa d j u s t m e n t c h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r i c p r o p o r t i o n a lv a l v ew a s r e s e a r c h e da n da l g o r i t h mo f f l o wr a t ec o n t r o lw a sd e s i g n e d ( 1 ) e l e c t r i cp r o p o r t i o n a lv a l v ea c t u a t o r si nc o n d i t i o no ft w od i f f e r e n tn o z z l e s h a v et h ep a r a b o l i cp r o p e r t i e so ff l o w r a t ea d j u s t m e n t ，l a r g e rd e a da r e aa n ds a t u r a t i o n r e g i o n o ff l o wr a t e a d j u s t m e n tw e r ea p p e a r e d ，h y s t e r e t i cc h a r a c t e r i s t i c sw e r e o b v i o u s l ys h o w e d ，a n dt h eh y s t e r e t i cc h a r a c t e r i s t i co fs y s t e mw i t ht h et y p eo fn l1 0 5 3 n o z z l ew a sm o r eo b v i o u st h a nn 6 0 1 4n o z z l ew h i c hs h o w e dt h e h y s t e r e t i c c h a r a c t e r i s t i ci sm o r eo b v i o u sw h e na d j u s t m e n tr a n g eo f s p r a yf l o w - r a t ew a sw i d e r ( 2 ) t h eb e s ta d j u s t m e n tr a n g eo fs y s t e mw i t hn l1 0 5 3n o z z l ei sf r o m3i _ m i nt o 5l m i na n dt h eb e s ta d j u s t m e n tr a n g eo fs y s t e mw i t hn 6 0 1 4n o z z l ei sf r o m1 5u l l l i n t o2 1l m i n 3 ) t h ec h a n g e so fq u a n t i t a t i v es p r a yp r e c i s i o no fv a r i a b l e r a t es p r a y i n gs y s t e m w i t ht h ec h a n g e so ff l o w - r a t ew a sr e s e a r c h e d 1 1 i 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) f l o w r a t ef l u c t u a t i o nw a ss m a l l e ra tt h es i t u a t i o no fs m a l l e s tt a r g e ts p r a y f l o w - r a t e ( 0 7i f f m i n ) a n db i g g e s tt a r g e ts p r a yf l o w - r a t e ( 4 5u m i n ) ，t h a n i no t h e r s i t u a t i o n s ，w h e ni n c r e a s i n go rd e c r e a s i n gs p r a yf l o w r a t e ( 2 ) q u a n t i t a t i v es p r a ye r r o rd e c r e a s e dw h i l ei n c r e a s i n gs p r a yf l o w - r a t ea n dt h e r e s u l tw a sj u s to p p o s i t ew h e nd e c r e a s i n gs p r a yf l o w r a t e ，w h i c hs h o w e dt h ep r e c i s i o n o fi n c r e a s i n gs p r a yf l o w - r a t ew a sh i g h e rt h a nt h ep r e c i s i o no fd e c r e a s i n gs p r a y f l o w r a t e 4 ) t r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c so fv a r i a b l e r a t es p r a y i n gs y s t e mw a sr e s e a r c h e d ( 1 ) t h ed e l a yt i m eo fv a r i a b l e - r a t es p r a y i n gi n c r e a s e df r o m0 3 st o 1 5 sw h i l e i n c r e a s i n ga m p l i t u d eo fd e c r e a s i n gs p r a yf l o w - r a t e ；b u ti tw a s n o tt h es a m es i t u a t i o n w h i l ei n c r e a s i n ga m p l i t u d eo fi n c r e a s i n gs p r a yf l o w r a t e ( 2 ) t h eo v e r s h o o tp h e n o m e n o no ff l o w - r a t ea p p e a r e dw h e ni n c r e a s i n gs p r a y f l o w r a t ew i t ht h ea m p l i t u d eo fo v e r0 3 5 l m i n ，b u ti tw a sn o ta p p e a r e dw h e n d e c r e a s i n gs p r a yf l o w - r a t ew i t l la n ya m p l i t u d e ( 3 ) t h ed e l a yt i m eo fv a r i a b l e - r a t es p r a y i n gw a ss h o r t e n e df r o ml st oo 8 sw h e n d e c r e a s i n gs p r a yf l o w - r a t ef r o m0 6 l m i nt o4 5 l m i nb yt h ec o m b i n e dc o n t r o lw i t h e l e c t r i cp r o p o r t i o n a lv a l v ea n do n o f fv a l v e ，b u ti ta l s oi n c r e a s e dt h eo v e r s h o o to f o 0 7 i m i n ( 1 5 o ft h et a r g e ts p r a yf l o w - r a t e ) k e y w o r d s ：v a r i a b l e - r a t es p r a y i n g ，e l e c t r i cp r o p o r t i o n a lv a l v e ，f l o wa c c u r a c y , d e l a yt i m e i v 江苏大学学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密团。 学位论文作者签名：弘讼至一 弘1 年f 月f f 日 指导教师签名：豆膨 年月日 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：洳苡乡 叫年月f 伯 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 精确农业与变量喷雾 精确农业【1 】【2 l 是一个对农田进行微观管理的概念，即对应农田中每- d , 块田 地配以与之相适应的管理方案，其主要现实方式是改变或调整对小块f f l 地管理 维护的各种投入，如耕作、播种、病虫草害控制、灌溉等。合理的微观管理将 针对土壤类型( 含水率、有机物含量等) 、作物长势、病虫草害程度、季节、天 气等许多因烈3 1 ，通过全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ，缩写g p s ) 、地 理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，缩写g i s ) 以及遥感技术( r e m o t e s e n s i n g ，缩写r s ) 和自动化控制技术的应用1 4 1 ，在每一操作单元上投入相应的 施用量，以此来控制生产成本，提高经济效益，同时降低农药的浪费及对环境 的污染，提高生态效益。 为了现实精确农业，农药喷洒技术、喷洒器械及农药正向着精确、低量、 高浓度、对靶性、自动化方向发展【5 1 。7 0 年代以来，世界各国都加强了农药喷 洒技术的研究，许多学者提出了新的理论、概念，如超低量和低量喷雾、静电 喷雾、控滴喷雾( c d a ) 、生物最佳粒径( b o d s ) 、对靶喷雾、精密喷洒等1 6 1 。欧 洲一些国家采取一系列技术措施减少农药漂移和地面无效沉积，提高农药有效 利用率，降低单位面积农药使用量，如采取：定向对靶喷雾，包括使用辅助 气流、静电喷雾，利用光电、红外技术等智能测靶喷雾技术。变量喷雾，包 括能根据作业速度、作物密度及虫害程度自动调节喷量的智能喷雾技术。可 控雾滴喷雾技术，通过各种机械或电子方法控制雾滴大小，达到使用最佳雾滴 直径，提高农药中靶率。农药回收技术，采用静电或气流负压等技术将靶标 外的雾滴回收。 由此可知，变量喷雾是精确农业的发展方向之一，变量喷雾技术的运用也 体现了精确农业的思想和宗旨，所以它是精确农业中的一个重要组成部分。 1 2 变量喷雾技术国内外研究概况 变量喷雾是采用g p s 、地理信息技术或实时传感器技术获取单位作业面积 的目标喷量信息，然后采用压力控制式、流量调节式或药液浓度调节式等控制 江苏大学硕士学位论文 方式精确、快速地实现按目标喷量进行喷雾作业，同时具有良好的雾化特性。 ，所以，变量喷雾按照目标信息获取方式不同可构建基于g p s 、地理信息系 统的变量喷雾系统【7 1 和基于实时传感器的变量喷雾系统【8 】【9 l ；而按照喷量调节对 象不同可分为压力控制式变量喷雾技术【1 0 l 、流量控制式变量喷雾技术和药液浓 度调节式变量喷雾技术。 1 2 1 不同目标信息获取方式下构建变量喷雾系统 ( 1 ) 基于g p s 、地理信息技术的变量喷雾系统 这种系统组成如图1 1 所示，它利用应用全球定位系统( g p s ) 确定目标 作物在田间的位置坐标，根据预先制作的变量喷雾处方图进行喷雾作业，从而 实现针对病虫害区域的农药喷施。在实施作业i j 相关人员需下田采集f f l 问病虫 草害分布及密度信息，记录在地图上，同时用g p s 记录了采集信息的对应地理 位置，然后用g i s 软件分析采集到的图像信息和对应的地理位置信息形成处方 图。此方式构成的系统在实施变量作业的过程中两次应用到g p s 定位，第一次 利用g p s 确定地理位置时的误差会在第二次利用g p s 实施变量喷雾时形成二 次误差，影响喷雾精度同，并且需要投入人力或使用遥感技术对病虫草害信息 进行采集，故成本较高。 图1 1 基于g p s 、地理信息系统的变量喷雾系统 g e r h a r d s 等人设计了基于g p s 地图信息的除草剂精确喷药系统，手提式计 算机内存储有田间杂草分布图，该计算机与喷药控制系统相连，g p s 系统用于 适时探测喷头的位置，并通过数据总线系统把数据信号传输给控制单元。通过 连续四年运用该系统对冬小麦、冬大麦、玉米、甜菜地的杂草管理的研究发现， 运用该技术确实能够减少除草剂的使用量【1 1 】。 2 江苏大学硕士学位论文 mr ep a i c e 等人开发了基于g p s 地图信息，药剂注入式的变量喷雾机用 于除草剂的喷洒，并在田间进行了动态试验【1 2 】。 ( 2 ) 基于实时传感器技术的变量喷雾系统 这种系统的组成如图1 2 所示，它利用各种传感器，如视觉、超声、光谱 传感器来获得田间病虫草害分布及密度信息。在传感器进行测量和识别，经计 算机分析处理后生成目标喷量信号发送给变量喷雾装备进行变量喷雾。此方式 构成的系统在变量喷雾之i j 不必要进行样本数据采集和分析的过程，与基于地 图信息的变量技术的样本采集相比，传感器能提供更高的数据分辨率，而且消 除了由于g p s 定位误差对喷施需求量的确定造成的误差。但图像处理效果好坏 以及测速传感器测速时间、计算机控制台处理数据时间的消耗，将影响喷雾精 度。目f j 这种系统在国外已有较为成功的应用，并且提出了许多用于作物杂草 识别、决策控制的算法，积累了较多的相关理论【1 3 】【1 4 l ，但国内对于此类系统的 研究刚起步不久，基本停留于实验室模拟、试验运行阶段。 图1 2 基于基 实时传感器技术的变量喷雾系统 r b r i v o t 等1 9 9 6 年在漫反射光照条件下，用近红外图像对移栽花椰菜、杂 草和土壤进行分割，识别效果达到7 3 以上1 1 5 l ；g i l e s d k 和d c s l a u g h t e r z 在 1 9 9 7 年研制了一种基于机器视觉的精确喷药装置，该系统由机器视觉作为导向 系统，能根据目标作物的宽度自动调节扇形喷头相对于前进方向的偏转角剧1 6 1 ； l t i a n ，j e r e i d 于2 0 0 2 年研制了一种基于机器视觉的精准对靶喷雾系统，应用 机器视觉传感器采集和计算杂草分布特性，能以1 4 k m h 的速度行进喷雾，其分 辨目标的准确率为9 1 【1 7 】。l e e 等人研制了由机器视觉系统、精准喷施系统等 3 江苏大学硕士学位论文 组成的智能杂草控制系统，该系统能根据植物形状特征的差异，识别作物和杂 草并确定其位置【1 8 】。刘洪臣等2 0 0 6 年在y c b c r 颜色模型中以色差为特征量， 利用自适应阈值对植被和背景进行分割，利用形态学开操作将棉花与杂草分离， 杂草成功识别率为8 3 1 【1 9 】。葛玉峰等建立了基于机器视觉的室内农药自动精 确准喷雾系统，对信号采集、图像处理、施药决策、数据交换等主要问题作了 较深入的研究，提出了基于相对色彩因子的树木图像分割算法。和传统方法相 比，在不影响分割效果的同时大大提高了图像分割的实时性【2 0 1 。南京林业大学 从1 9 9 9 年开始进行了基于树木特征图像采集与处理的精确农药施用技术的探 烈2 1 1 ，并且利用实时计算机视觉技术和b p 神经网络原理设计出树形自动识别 系统，识别率达9 3 8 t 2 2 l 。 1 2 2 不同调节对象下的变量喷雾技术 ( 1 ) 压力控制式变量喷雾技术 因为系统中的流量与压力的平方根成正比，所以可以通过改变系统喷雾压 力来改变喷雾流量但此控制方式对流量的调节范围很小，而且由于压力的改变 导致影响喷雾效果的参数也随之改变。但如果在压力控制方式下配合使用变量 喷头，则可以降低由于压力改变造成的喷雾参数发生改变的不良现象。 a n g l u n de a 和a t e r se d 开发了基于压力控制式的喷雾机，并测试了其在 田问的相应性能。结果表明从控制系统发出指令要求改变喷雾压力到喷头压力 达到期望值的时间为2 s 左右【矧。史岩等在自行设计的压力式变量喷雾系统基 础上建立了压力式变量喷雾系统的控制数学模型和传递函数，并利用m a t l a b 对系统模型进行了仿真。结果表明该模型能达到较满意的控制效果【1 0 1 。 ( 2 ) 流量调节式变量喷雾技术 对流量直接调节的变量喷雾技术有p w m 流量调节方式i 冽【2 5 1 、喷雾泵变频 控制方式【2 6 】以及变量喷头【2 7 l 与组合式喷头【2 8 1 控制方式。p w m 流量调节方式 是利用p w m ( 脉宽调制) 控制方式，通过控制电磁阀在变量喷药系统管路中 启闭时问和动作频率来控制系统中药液流量。此控制方式对系统喷药压力的影 响较小，从而对喷雾雾化效果影响也较小，但其在低频调节下存在喷雾状态不 连续的问题，而高频调节则对电磁阀的寿命、可靠性提出了更高的要求，成本 也相应提高；喷雾泵变频控制方式是通过变频器调节电机的频率和电压有效 4 江苏大学硕士学位论文 值来控制电机的转速，从而控制喷雾泵的转速，使喷雾流量得到调节。此控制 方式可以任意改变雾滴的直径，使雾滴直径控制在2 0 1 0 0 , u r n 之间变化，但是 其流量控制过程与雾滴粒径调节未独立开，对喷雾效果将产生一定影响；变 量喷头可以根据系统管路中压力的大小自动调节喷头出口截面积，从而实现流 量的调节，使单个喷头流量范围有较大提升。但设计精密，同时满足良好雾化 效果的变量喷头成本较高；组合式喷头控制是通过不同流量的喷头间的搭配 组合来实现流量多级可调，但组合式喷头体积较大、成本较高【2 9 】，并且调换喷 头时存在系统延时现象。 g i l edk 等1 9 9 6 开发了脉宽调制( p w m ) 喷头应用于车载农药喷雾装备。 在脉宽调节控制方式下，通过调节喷头的启闭时间来调节喷雾流型鲫。t i a nl 等用建模的方法研究了p w m 喷头工作过程中的雾滴沉积分布情况【3 1 1 。k i n g b a 等学者于1 9 9 9 年开发的变量喷雾控制系统就是利用变频器，通过调节电机 的频率和电压有效幅值来控制电机的转速进而调节喷雾泵的流量1 2 6 1 。k i n gb a 与1 9 9 6 年开发了另一种可变流量的喷头，通过调节位于喷头内的移动销，调节 喷头开口面积，从而调节喷头流量p 2 1 。a l v i nr w o m a c 于2 0 0 1 年设计出一种变 量喷头，该喷头内孔中有一个倒锥孔，而倒锥孔中又设计了一个端面开有狭缝 的阀心。阀心位置根据喷雾压力变化而上下移动，喷头的开口面积也就发生了 相应改变，从而实现流量的改变 2 7 1 。s t a r kjc 等开发的一套用于灌溉的组合式 喷头系统，通过在每个喷雾点设置三个不同喷量的常规喷头，以及组合控制不 同位置、不同个数的喷头的开合实现八级可变喷量的喷雾【冽。 ( 3 ) 药液浓度调节式变量喷雾技术 药液浓度调节式变量喷雾技术主要分为药剂注入式【3 3 】【3 4 】的变量喷雾技术 和药剂与水并列注入式【3 5 】的变量喷雾技术。药剂注入式控制方式是利用药泵 和控制器控制化学药剂的注入量，而系统中水的流量通常是常量。该系统不必 对剩余药液进行处理，降低了与农药直接接触的危险：而且由于系统中压力可 以保持不变，喷头可以保证雾滴尺寸和喷雾分布方式不变。此种喷雾方法的缺 点是系统从注入管路的药剂量发生改变到喷头喷出药液的浓度相应改变的时间 延迟很长，将造成一定时问内的误喷，从而影响喷雾效果：药剂和水并列式 控制系统同时改变药剂的注入量和水溶剂的量，在一定程度上提高了喷施响应 5 江苏大学硕士学位论文 速度，但同时因增加了一套控制系统而使成本增加。 r o c k w e l l 和a y e r s 的研究结果表明，与前面在喷杆上注入药剂的注入式系 统相比，在喷头处注入药剂能有效减少滞后时自j 。测得对于一个阶跃输入，输 出从1 0 到9 0 所需要的平均时间是3 8 s 【3 6 1 。邵陆寿等采用2 个步进电机设计 出药剂和水并列注入式变量喷雾控制系统，其中一个电机带动进水泵来控制进 水量，另一个用来控制进药量，并设计相应的模糊控制器实现对药液浓度的控 $ 1 j 3 7 。 1 2 3 变量喷雾技术研究的总结 ( 1 ) 基于传感器的变量喷雾系统中传感器能提供更高的数据分辨率，而且 由于消除了g p s 定位误差，更有利于喷施量的实时改变。虽然目前农业生产中 得到推广应用的可变量技术绝大多数是基于g p s 、地理信息的，但随着计算机 采集控制技术的进一步发展，以及各种高灵敏度传感器在农业生产中的广泛应 用，基于传感器的变量喷雾技术将成为一种必然趋势，因此，本文设计并构建 的变量喷雾系统，作为基于传感器的自动对靶变量喷雾系统的关键组成部分， 为最终实现智能变量控制系统建立一定基础。 ( 2 ) 从变量喷雾调节对象上看，压力控制式变量喷雾进行喷量调节时会直 接影响到雾滴的大小、漂移性以及分布均匀性，使得雾化效果难以保证；药液 浓度调节式变量喷雾技术皆存在浓度调节延迟时间长、成本高的问题；而流量 调节式变量喷雾技术具备对系统喷雾压力、雾化效果影响小的优点，但也存在 一些不足：p w m 流量调节方式对系统喷药压力的影响较小，对喷雾雾化效果 影响也较小，但其在低频调节下存在喷雾状态不连续的问题，而高频调节则对 电磁阀的寿命、可靠性提出了更高的要求，成本也相应提高；变量喷头和组合 式喷头成本都比较高，而且组合式喷头还存在体积大、调换喷头时有较大延时 的问题。故本文尽可能采用精度较高、成本较低的控制、检测、执行器件构建 一套新的流量调节式变量喷雾系统。 ( 3 ) 从上述研究现状来看，对于变量喷雾的研究主要分三块：如何通 过g p s 、地理信息系统或实时传感器系统快速、准确的获取作业区域所需目标 喷量信息；采用什么喷量控制方式、构建什么样的变量喷雾控制系统去精确、 快速地实现对不同目标喷量的控制；采用什么喷头或控制手段提高不同喷头 6 江苏大学硕士学位论文 间均匀性、喷雾角、喷雾粒径、喷雾液滴速度等雾化特性。 由此可知，衡量和提高变量喷雾系统性能至少可以从两方面入手进行研究： 流量控制特性及雾化特性。针对基于p w m 流量调节式变量喷雾的雾滴粒径、 雾滴速度、沉积效果等雾化特性，国内已开展不少研列3 8 , 3 9 , , 1 0 】，针对基于药液 浓度调节式变量喷雾的延迟时间、流量冲击等流量控制特性的研究，国外早已 开展，而对流量调节式变量喷雾的流量控制特性，如定量喷雾精度、流量瞬态 响应、延迟时间等特性的研究还很少，所以有必要对此开展研究工作。 1 3 论文研究的目的 ( 1 ) 开发一套新的基于流量控制方式，且成本相对较低，响应迅速较快的 变量喷雾系统，为最终与智能喷雾行驶平台相结合，实现传感器式智能精确变 量喷雾装备建立基础。 ( 2 ) 提出一种基于流量控制方式的，适用于本套变量喷雾系统的连续式喷 雾流量控制方法，为变量喷雾系统喷雾流量控制提供一种新思路。 ( 3 ) 开展变量喷雾系统定量喷雾精度、变量时间延迟等特性的试验研究， 为进一步研究和提高变量喷雾系统的喷雾流量控制性能提供依据。 1 4 本文主要的研究内容及技术路线 1 4 1 本文主要研究内容 ( 1 ) 对国内外变量喷雾技术研究情况进行分析和总结，得出各种变量喷雾 系统的优缺点。在此基础上进行变量喷雾系统的总体设计，并提出新的喷雾流 量控制方案和变量喷雾系统结构方案。 ( 2 ) 以通过改变系统管路中调节阀的阻力系数来改变喷雾流量为设计思 路，使用p l c 控制电动比例调节阀为实现手段，设计并构建变量喷雾系统。 ( 3 ) 分析变量喷雾系统喷雾流量控制要求以及流量控制特性试验中对数据 采集、处理的要求，设计与变量喷雾系统相配的喷雾测控软件。 ( 4 ) 试验研究变量喷雾系统定量喷雾精度、瞬态响应等喷雾流量控制特性。 1 ) 测定喷雾流量调节范围。 2 ) 研究了电动比例调节阀流量调节特性，并以此为依据设计变量喷雾系统 喷雾流量控制算法。 7 江苏大学硕士学位论文 3 ) 试验研究变量喷雾系统定量喷雾精度。 4 ) 试验研究变量喷雾系统喷雾流量瞬态特性。 1 4 2 技术路线 本文以如图1 3 所示的技术路线开展研究。 图1 3 技术路线框图 1 5 本章小结 本章主要介绍了精确农业与变量喷雾的基本概念以及它们之间的关系，并 且对变量喷雾技术国内外研究概况作了分类介绍与总结，为本文采取的控制方 式及系统结构建立了依据。指出本文研究的目所在，最后提出本文的研究内容 以及开展研究的技术路线。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章变量喷雾系统整体方案确定 2 1 引言 本变量喷雾系统作为传感器式智能精确变量喷雾装备的重要组成部分，今 后将与智能喷雾行驶平台挂接、配合，实现以大田、温室中杂草、幼苗期作物 为喷雾目标的变量喷雾作业。其中，智能喷雾行驶平台负责喷雾目标图像实时 获取、处理，行驶速度信号实时获取、处理，并实时给出作业区域所需目标喷 雾流量，而本变量喷雾系统则接收智能喷雾行驶平台的目标喷雾流量信号，快 速响应，配合智能喷雾行驶平台作业速度进行变量喷雾。 2 2 变量喷雾系统设计目标 作为试验研究阶段，本系统拟采用普通计算机代替智能喷雾行驶平台自身 电脑，负责与变量喷雾系统控制器通信，发送目标喷雾流量信号，控制器对喷 雾执行单元进行控制，并接收传感器的反馈信号，实时检测并存储喷雾流量变 化数据，为进一步开展系统喷雾流量控制性能研究作准备。故设计的变量喷雾 测试控制系统需实现以下主要功能： ( 1 ) 根据所设参数，在设定目标喷雾流量对喷雾流量的控制，并具有一定 喷雾流量精度和快速响应能力。 ( 2 ) 可以在不同的采样频率下实现流量数据的自动手动采集、保存，便 于对数据进行离线分析。 ( 3 ) 对系统喷雾流量进行实时监测，并具有数据曲线显示功能。 2 3 流量调节式变量方式确定 2 3 1 传统变量方式 从国内外研究情况可知，流量调节式变量喷雾技术相对于压力控制式和药 液浓度调节式变量喷雾技术，具有对系统喷雾压力、雾化效果影响小的优点， 但现有流量调节式变量喷雾技术也存在一些不足：p w m 流量调节方式对系统 喷药压力的影响较小，对喷雾雾化效果影响也较小，但其在低频调节下存在喷 雾状态不连续的问题，而高频调节则对电磁阀的寿命、可靠性提出了更高的要 9 江苏大学硕士学位论文 求，成本也相应提高；采用变量喷头和组合式喷头方式成本都比较高，而且组 合式喷头还存在体积大、调换喷头时有较大延时的问题。 2 3 2 本系统变量方式 采用流量调节式变量喷雾技术，以电动比例调节阀为流量调节执行器件， 进行流量调节式的变量喷雾操作。其调节流量的具体原理如下： 本变量喷雾系统的流量调节由调节阀实现，根据流体力学原删4 1 】可知，调 节阀是一个局部阻力可调的节流元件。流体流过调节阀时，由于阀芯和阀座之 间流通截面积的局部缩小，形成局部阻力，使流体在调节阀处产生能量损失。 从不可压缩流体的能量守恒原理【4 1 】可知，流体流过调节阀时，在阀芯和阀座之 间产生能量损失h 为： h ：v l - p 2( 1 1 ) p g 式中：h _ 一单位质量流体经调节阀时的能量损失； g 重力加速度 a 、见调节阀入口、出口压力 p 药液密度 如果调节阀的开口度不变，流体的密度不变，则单位质量流体经调节阀时 的能量损失与流体的功能成正比，即 h ：f w 2 ( 1 2 ) = 二g 式中：善调节阀的阻力系数 形一液体的平均流速 液体的平均流速为为： w ：垒 ( 1 3 ) 式中： q 流量 a 调节阀接管截面积 由式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 、( 1 3 ) 可得调节阀的流量方程式为： 江苏大学硕士学位论文 q = 番乎= 番廖 4 7 i 式中：卸a - p ：，调节阀前后压差 由式( 1 4 ) 可见，在a 和卸p 不变的情况下，流量q 仅随着阻力系数善而 变化。阻力系数f 减小，则流量q 增大；反之，则q 减小。 本变量喷雾系统对流量调节的实现就是通过给电动比例调节阀输入2 1 0 v 电压信号，电动比例调节阀根据输入信号的大小，调节自身的开口度，从 而改变阻力系数善，最终达到调节流量，变量喷雾的目的。 2 4 变量喷雾系统总体设计 2 4 1 智能精确变量喷雾装备原理图 下阶段所要开发的视觉传感器式智能精确变量喷雾装备将由变量喷雾系统 和智能喷雾行驶平台两部分组成。智能喷雾行驶平台通过c c d 摄像头实时获取 喷雾的目标图像信息，通过速度传感器实时采集装备行驶速度信号，内部计算 机实时处理采集信号并给出作业区域所需目标喷雾流量。本变量喷雾系统中的 控制器则接收智能喷雾行驶平台的目标喷雾流量信号，对电动比例调节阀进行 操作，实现自动对靶变量喷雾。同时变量喷雾系统还接收自身传感器信息将其 反馈至智能平台计算机中，完成对系统喷雾流量的检测与控制。视觉传感器式 智能精确变量喷雾装备的结构原理图如图2 1 所示。 江苏大学硕士学位论文 乳池。 崎“f i 驻” 圈 k 铂fo 4 。“”。垃一 ：i 一一一一一 广一一i 磊 1 r 1 一 i ，i 一：；也业坐型 j 。_ - ! 型兰型园 一 亟受互 ：压叵 ! ：刃 圈2 1 智能精确变蚰喷嚣鞋备结赳j 原理圈 2 42 变量喷雾系统结构与工作原理 所需实现的变量喷雾系统结构如图2 2 所示，变量喷雾系统由盛放药剂的 水箱1 、喷雾泵2 、溢流阀3 、平衡减压闷4 、压力表5 、流量传感器6 、开关电 磁阀7 、电动比例调廿阀8 、p l c 控制器9 、开关电磁阀、代替智能喷雾行驶甲 台自身电脑的训算机1 0 以及喷头1 1 组成。 、。、瓷，鲢。、! _ 翌二 随一r 5 一种刍芦 i 、 二、1 ，一。辽一l 厂噶夏芦丽： 鸶夕夕声夕。 闰2 , 2 变鼠喷募系统结构简刚 江苏大学硕士学位论文 本变量喷雾系统采用电动比例调节阀对管路流量直接控制，它通过接收 2 一l o v 控制信号来调节自身阀门开口度，从而达到控制流量的目的；平衡减压 阀将泵的出口处压力降低并维持在0 0 6 m p a 内的某个值上，以保证喷雾系统 所需正常喷雾压力，并在一定程度上降低泵出口的压力波动；流量传感器和压 力表用来测量系统的流量及压力：电磁阀对管路流量进行开关控制；电动比例 调节阀对管路流量进行连续控制；p l c 控制器对流量传感器信号进行采集，并 接收上位机的控制信号对电动比例调节阀及开关电磁阀进行直接驱动控制；计 算机提供良好的人机界面，并保持与p l c 相互间通信。 喷雾f j 将农药和溶剂在药箱内混合，启动泵和喷雾测控软件，系统开始运 行。调节平衡将系统压力设定到所需范围内，在喷雾测控软件中设置喷雾所需 流量，控制器便计算并给出相应的控制信号，控制电动比例调节阀的开口度， 实现对管路系统中药液流量的控制，流量传感器实时测量和反馈实际流量，并 在计算机屏幕上将流量曲线实时显示出来。 2 5 本章小结 分析了变量喷雾系统在智能精确变量喷雾装备中的地位和作用，以此提出 本变量喷雾系统的设计目标。通过对国内外变量喷雾技术研究情况的分析和总 结，得出各种变量喷雾系统、喷量控制方式的优缺点，在此基础上提出采用电 动比例调节阀实现流量调节式变量喷雾。最后介绍了智能精确变量喷雾装备结 构和原理，以及变量喷雾系统的结构和工作原理。 1 3 江苏大学硕士学位论文 第三章变量喷雾系统的构建 31 变量喷雾系统的硬件实现 3 1 1 测控系统控制器 控制器是黎个变情喷雾系统的控制核心，其运算速度、通。 速度、d a 转 换速度和精度、i o 【】性能直接关系到测扮系统的测试精度及挣制精度和控制能 力。小型测摔系统般川p l c 、巾片机或数据采集k 进行丌发。其巾，雕片机 虽然具自成木低、丌发简r 等优点，口l 】其开发测摔系统还需要漫；t 其它外 电路，稳定件用啉电磁干扰能力比较弱；而数据采集卡虽然具有极高的采样频 率和数据传输速度，以及较高的a d 转换精度，但其信号输功能较弱，要驰 动电磁阀、电动阀之类的执行元件还需要加驱动电路；p l c 虽然成本相对较岛， 岛速采集和输h 能力较弱，但具有高稳定性和很强的抗干扰能力驱动能力强， 可卣接输出控制信；_ 对执行儿件操作。 综j ：分析，考虑到需要构建的变量喷穿系统对数拥采集速度要求小岛，所 需拧制运算也不太复杂，为了简化系统及便r 测拧系统的软件开发，选用钾达 公卅的e p l c2 4 m 系列的嵌入式可编程挣制器。 e p l c2 4 m 系列的嵌入式可编稃挡制器是押达公司争为r 1 小型自动化控 制系统而泣计的控制器这款可编程控制器，采用i _ k 级设计的s o m l 9 6 桉芯 模块，外部2 4 个i o 接| _ 采用标准模块构造而成，提供r s 2 3 2 通迅接u ，能 实现与j 他机的通迅，如图31 所示。其要参数如下： i 作电源：a c l 5 1 8 v d c 2 0 一，2 6 v t 作环境温度：0 5 5 工作环境湿度：1 0 9 9 r h 存储器：6 4 k 掉电保持存储器 i o 接【】：6 路光电隔离0 2 4 v 玎芙睛输出 5 蹄光电隔离0 2 4 v 丌戈量输入 2 路8 忙分辨o 1 0 v 模拟景隔离输i h 江苏大学硕士学位论文 3 路1 0 位分辨4 - , 2 0 m a 的模拟量输入 通讯接口：r s 2 3 2 r $ 4 8 5 ，波特率为9 6 0 0 ，8 ，n ，1 p l c 作为变量喷雾系统的核心部分，