变量喷雾设备特性分析及其控制系统应用研究

1、变量喷雾设备特性分析及其控制系统应 用研究胡玉睿 重庆化工职业学院机械与自动化工程系摘要：随着社会经济不断发展，我国农业种植由传统多区域小面积逐渐转变为单区域 大而积种植模式，为适应农业发展趋势，由传统人工喷雾转变为变量喷雾，可 作用大面积区域，且可根据种植区域农作物状况合理控制流量，降低喷雾成本。 为此，针对当前最常见变量喷雾设备结构及控制系统展开研究，因喷雾设备采 用可舒展延伸型喷杆结构，对其悬架及喷杆进行运动分析，结合实际找出影响 喷雾效果的因素，得出不同运动状态及系统传递函数。同时，选择合适节流阀， 根据流量及喷雾特点采用自使用模糊控制原理设计喷雾系统，基于pid算法 基础利用推理条件

2、得出模糊控制规则表控制喷雾系统实现喷雾变量控制。关键词：变量喷雾设备;喷雾特性;控制系统;作者简介：胡玉睿(1979-),女，陕西宝鸡人，讲师，(e-mail)duliying9126. com。收稿日期：2016-11-10基金：教育部科研项b (20133297)study on characteristic analysis and control system of variable spraying equipmenthu yuruidepartment of mechanical and automationengineering， chongqing chemical indus

3、tryvocational college;abstract：with the continuous development of social economy, our country agriculture by traditional small area and gradually transformed into a single large area planting mode，in order to adapt to the development trend of agricultural spraying device needs to change from a tradi

4、tional manual spray for variable spray effect, large area, and can reasonably control the flow according to the condition of the crops planting area, reduce spray cost, it is necessary to deal with the complex natural environment in the process of variable spraying equipment, so it is necessary to s

5、tudy the characteristics of the equipment, and then analyze the design of the control system. firstly, according to the most common variable spray equipment structure of the spraying equipment using stretch extension type spray rod structure, motion analysis of the suspension and the spray rod，combi

6、ned with the actual factors to find out the influence of spraying effect, the different state of motion and the system transfer function. select the appropriate throttle valve, according to the flow and spray characteristics of fuzzy pid control principle to control spray system use, ptd algorithm u

7、sing the inference conditions that fuzzy control rule table control system based on variable spray spray control.keyword：variable spraying equipment; spray characteristics; control system;received： 201611100引言变量喷雾是当前大而积农业生产必不可少辅助技术，发达国家在农业种植中已 经广泛使用变量喷雾技术，并将传感技术和地图技术融入变量喷雾操作中。随着 我国农业种植由多块小面积向大面积种植发展

8、，喷雾形式急需由传统人工作业 模式向大面积喷雾模式转变。变量喷雾技术是根据农田病虫害区域分布的差异，在变量喷雾设备支持下按实 际需求进行喷雾作业的技术。本文首先需对喷雾特性展开研究，分析喷雾设备喷 杆和地面激励源对喷雾效果的影响，并在此基础上对喷雾设备进行建模，对不同状态变量喷雾进行特性仿真分析。变量喷雾设备需要在控制系统支持下才能发 挥作用，控制系统主要作用是向设备提供指令，控制其在相应情况下实现一定 功能。因此，针对当前我国农田防治现状设计出融自动控制、数据收集于一体的 控制系统，为后续变量喷雾机的开发提供参考。1变量喷雾设备装置总体设计方案当前常见的喷雾设备在使用过程中存在内部压力不稳定

9、、流量无法达到喷雾要求 及吸水系统故障等问题，且在使用中无法根据种植地农作物分布状况及病虫害 区域特性进行针对性喷雾，存在较大浪费，并会造成局部地区环境污染。基于以 上不足，众多专家学者开始研宄实用型变量喷雾机。本文研宂的变量喷雾机主要 包括机架、动力部分、底盘、升降系统、转向系统、喷杆、药箱及变量控制系统 等，如图1所示。阁1变量喷雾机剖面结构阁 下载原阁其工作流程如下:喷杆在未工作时处于折叠状态，工作时首先由折叠状态舒展开， 根据实际需要喷雾区域及作物高度控制喷杆长度及高度;放下喷雾设备导向传感 器，由控制喷雾设备在作物间隙航行，并向作物喷洒药水，有效控制喷雾量。喷 雾设备屮安装有传感器及

10、控制系统，在喷雾过程屮自动控制喷雾压力、流量及喷 雾高度。在作业前应对一些数据进行预设处理，以此实现变量喷雾。2变量喷雾设备的喷雾特性分析影响喷雾设备喷雾情况的因素有翻滚、偏转及振荡。翻滚主要指喷雾设备喷杆绕 机体前进方向水平轴上下旋转;偏转主要指喷杆喷雾设备喷杆绕垂直于机体方向 旋转;振荡指喷雾设备喷杆在运行过程中绕机体平行方向上下摆动。从运动分解 来看，可将喷杆的运动分解为水平方向运动和垂直方向运动，无论何种方向运 动均会造成喷雾输出受到干扰。为提高喷雾效果，需对喷杆动态、静态特性展开 研宄，以实现对喷杆的精确控制。首先逑立喷雾机悬架一喷杆模型，本设计喷杆 宽幅为25m，由5段等分部分组成

11、，两端外侧均可实现折叠和延伸，根据工作需 求选择工作模式。变量喷雾设备不规则运动示意图如图2所示。图2变量喷雾设备不规则运动示意图下载原图悬架是变量喷雾设备重要组成部分，主要由两组弹簧阻尼器和喷杆相连于一起: 一组位于喷杆水平运动平面上，作用为控制喷杆在水平面方向运动；另一组位于 喷杆垂直运动平面上，用于控制喷杆在竖直方向的运动。其悬架结构阁如阁3 所示。s架喷杆图3变量喷雾设备悬架结构图下载原图对悬挂模型进行研宄，将喷杆在弹簧阻尼支撑下运动分解为水平方向和垂直方 向的矢量运动，并对每个平面运动建立运动模型，则不同面的运动模型如图4 所示。分别对左右两边弹簧编号为1、2，并设置以下物理量：k为

12、弹簧刚度系数;c为弹簧阻尼系数为;l为弹簧阻尼器到旋转中心距离;sq为悬 架运动过程中产生的位移;1,为时间；，为悬架运动过程中旋转角度。阁4运动模型下载原阁悬架运动过程中产牛.的位移和旋转角度均是关于运动时间的函数，可表示为=atqyi.oq =r0）由以上条件可知:左右两边弹簧刚度系数分别为k，、k2,弹簧阻尼系数分別为c,、c2,设计变量喷雾设备喷杆质量m=500kg,设定其转动惯量为j=25 oookg m。机体向喷杆传递平面方向运动s0=f （t。）及旋转运动g0=g （tq）。平面运动屮将 两个并联的弹簧阻尼归并与一个系统模块，则喷杆运动方程为（k' + k2）（so -5

13、）+（c, + c2）（v0 -v）- ms = 0式;屮s0悬架位移；s一喷杆位移；v。一悬架运动速度;v喷杆运动速度。初始情况下，有5（0）= 0y（o）= o对其进行laplace变换，sq（d）可得喷杆运动过程中平移传递函数为_（k, + k2）+ d（c, + c2）（k, + k2）+ d（c, + c2）+ d2m式中s。（d） 悬架位移s。在拉式变换后的复变函数;s （d） 一喷杆位移s在拉式变换后复变函数；d复变量。根据实际需求设定k, = k2 = k = c2 = c将其带入上式得2k + 2dc2k + 2dc + d2m旋转运动中，结合kermes对24m长喷杆研究得

14、出，喷杆翻滚及偏转过程中角度 范围均在±5°范围内，旋转频率在0.5, lhz之间。同理可知，喷杆运动过程 中平移传递函数为g(d)+ c2£p+ k2l22 + k,l )=jd2+ c2l22)k2l22k, = k2 = k fc, = c2 = c代入得g(d)=dcl + lp + k(ll + £')jd2 + dcl + lp + 尺(! + g)取（l2+lj =l=8m。对不同参数下悬架-喷杆系统平移运动特性及不同参数l下悬 架一喷杆系统旋转运动特性进行研宄可知悬架-喷杆运动特性，且弹簧阻尼安装 位置对悬架结构性能影响不大。偏转

15、运动会造成喷雾效果出现较大波动，不如翻 转运动稳定。当喷头速度趋于0时会造成喷雾趋于超出预期标准；当喷头速度较 高时会出现不达标区域，造成喷雾区域出现不均匀现象，主要是喷头角度变化 及喷头间距不均匀造成的。3变量喷雾设备控制系统研宄变量喷雾设备控制系统主要由硬件控制系统和软件控制系统组成。硬件系统主要 为操作终端和实现特定功能的设施，软件则是控制硬件设备运行的指令程序。硬 件控制系统框架结构阁如阁5所示。总线位机c104t控主板总线占gdi节占2 - 6校拟量a121)0数字墩r5232wju各初点7i r占8数 tm k5232模拟m: a1*<数字暈can模拟暈a11)1卞.节流阀图

16、5硬件系统框架结构下载原图总线各子节点的功能如表1所示。本研宄重点在于流量自动控制，其控制闭环系统结构如图6所示。对系统各开关阀工作状态进行检查（包含支路1开关阀和总线开关阀）对喷雾装置喷头压力进行实时量测;通过超声波2 -6测量高度;控制喷头阀门开启和闭合工作结合gps定位系统收集喷雾装置工作参数，7并对药箱剩余药液高度进行测量检查喷雾装置节流阀压力及流量大小；控制喷雾装置;测量喷雾装置行走速度图6变量喷雾控制系统结构下载原图该控制系统主耍分为控制系统上位机信息输入、下位机控制中心、流量监测输入 及节流阀流量控制。目标流量值被上位机读取后传输至下位机，下位机控制中心 对收到的数据和实际流量进

17、行比对，得出控制节流阀开关吋间点，并发出相应 指令控制节流阀调节流量，使其与目标流量一致。本设计屮要求滞后时间不超过 5s,定量误差不超过5. 5%，变量误差不超过7%，总误差不超出10%。设定节流阀开口比为x,开口度为巾，结合前文计算结果，有、_ 100? _ 200?本设计选用节流阀可调节流量范围为0380l/min,其控制结构如图7所示。电动图7流量阀控制结构示意图下载原图ur.电机额定电压w.电机转速w .减速后电机转速.节流阀球度减速后电机转速为m - k,k2u = ku =dt式中一转换系数；k2一减速比。由11<2=1<，对上式积分得(p = ku人 t - tq)

18、2qqku人 t - tq) a =7t节流阀控制器传递函数为</)=ag) 2kurdi 11 /dtt 200kurd(l - tqd)£o_7/tt</选定电机额定电压为12v,节流阀由全开到全闭时间为6，7s,旋转角为jt/2 电机启动延迟为to. 01s，则kur0,( d)rad / s3. 3514.9-0. 15dll结合球阀特性可知球阀流量q与开门比关系为2=0. 04a2 + 0. 16a - 60. 64取线性较好部分作为调节流量，有qq = 9. 41a +-460. 71q = qq +460. 71 = 9.41aq(d)a(</)9.4

19、1节流阀的传递函数为g(d)= &(</) g2(d)0. i5d + 14. 931.40 + 140.44d采用自适应模糊ptd控制喷雾流量兼具灵活性和精确性，ii对环境具冇较高适 应性。其控制原理框图如图8所示。yin(t) +比例微分枳分被控对象i ou t. (t )>图8自适应模糊ptd控制原理框图下载原图控制规律及传递函数分别为t'd式中kp比例系数;一积分时间常数；t。一微分时间常数。模糊控制系统基木结构如图9所示。图9模糊控制系统基本结构下载原图控制核心为建立科学的模糊规则表，从而可得出k,、ki、kd儿个参数的模糊规则 控制表。结合实际需求e、e

20、t、输出变量akp、ak,、么模糊子集分别为e akp akd =变换为模糊集论域为，nl, 10 pm 尸b!e h 厶风 =r- 1211，- 10 ,-9 ,-8 ,-7 ,-6 ,-5 ,-4 ,l_3 z_2 , - 10 j 2 3 ” )6 7 ” ,10 ,11在此棊础上对所有模糊子集隶属函数取三角型函数，如图10所示。利用推理条 件if a and b then c可得出模糊控制规则表，由此便可实现对变量喷雾装置的 智能控制。01010阁1o模糊子集三角隶属度函数下载原阁4结论1) 影响喷雾设备的因素冇翻滚、偏转及振荡。喷杆在弹簧阻尼支撑下运动分解 为水平方向和垂直方向的矢量运动，在此棊础上得出弹簧阻尼安装位置对悬架 结构性能影响不大。偏转运动会造成喷雾效果出现较大波动，不如翻转运动稳 定。当喷头速度趋于0时，会造成喷雾趋于超出预期标准;当喷头速度较高时， 会出现不达标区域。造成喷雾区域出现不均匀现象主要是喷头角度变化及喷头间 距的不均匀。自适应模糊ptd控制喷雾流量兼具灵活性和精确