空心锥形喷嘴变量施药均匀性试验

黄河 谢守勇 李佩原 詹攀

摘要：在针对单个植株定靶施药过程中，为了减小空心锥形喷嘴喷洒域中心盲区，提高切向流空心锥形喷嘴施药均匀度，运用径向Wilcox-Swailes均匀度，自制变量调节器，通过单片机改变调节器PWM信号占空比，调整电机转速，改变喷嘴喷射角度，寻找最优占空比组合时间系数。在最优占空比时间组合系数的变量调节器的作用下试验，与未安装变量调节器的试验组作比较。结果表明：在最优占空比系数组合情况下，喷杆高度为500 mm时，径向Wilcox-Swailes均匀度相对未安装变量调节器的试验组提高作用明显。脉宽调制的变量调节器在针对单个植株定靶施药过程中对减小切向流空心锥形喷嘴喷洒域中心盲区、提高施药均匀度效果显著。

關键词：中心盲区；脉宽调制（PWM）；变量施药；径向Wilcox-Swailes均匀度

中图分类号： S491文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）02-0411-03

收稿日期：2014-12-28

基金项目：国家星火计划（编号：2013GA811002）；重庆市应用开发计划（编号：cstc2013yykfa80009）。

作者简介：黄河（1989—），男，陕西山阳人，硕士研究生，主要从事自动控制理论与应用研究。E-mail：huang_h_swu@126.com。

通信作者：谢守勇，博士，教授，主要从事设施农业及农业自动化研究。Tel：（023）68250802；E-mail：xsyswu@163.com。在农业生产过程中，化学防治、机械施药是目前综合防治病虫草害最有效、最主要的方式[1]。随着农药施用量的增加，农业生态环境、粮食安全问题日益突出。喷药设施和技术落后是农民过量使用农药的主要原因之一[2]。提高施药均匀性对于提高农药利用效率、减轻环境污染、有效利用水资源都有着重要的现实意义。切向流空心锥形喷嘴腔体宽内径设计能够有效防止堵塞，被广泛应用于气体调制系统、农业施药等领域。与此同时，脉宽调制（PWM）技术具有效率高、灵活可靠、动态响应好等优势。张伟采用斩波恒流型功率放大电路进行脉宽调制型变量喷雾作业，指出在一定范围内流量与占空比呈线性关系[3]。魏新华等采用自制的PWM变量喷施控制器，设计了PWM间歇喷雾式变量喷施系统，结合喷施机组前进速度建立了控制模型，测试结果表明，喷雾流量受喷雾压力、PWM控制信号占空比影响很大[4]。郝强等针对圆锥形喷头设计了正交试验，分析了喷雾压力、喷头高度、喷头类型对分布变异系数的影响，指出3个因素的影响显著性由大到小依次为喷头类型、喷头高度、喷雾压力[5]。陈勇等开发了基于机器视觉和模糊控制原理的可变量喷雾控制系统[6]。朱艳东等针对扇形喷头设计了喷雾均匀性自动化检测系统[7-9]。吴泽祎等设计了以单片机为核心的自动对靶喷雾控制系统[10]。目前关于影响喷嘴喷雾均匀度因素以及以纵向行走速度为主要影响因素的变量喷雾研究报道较多[11-17]；但针对切向流空心锥形喷嘴变量施药的试验研究鲜见报道。本研究探讨脉宽调制变量调节器对切向流空心锥形喷嘴施药均匀度的影响，旨在为进一步提高空心锥形喷嘴喷雾均匀性提供参考。

1材料与方法

1.1喷头与变量调节器

空心锥形喷嘴可分为轴流空心锥形喷嘴、切向流空心锥形喷嘴2种。试验所用喷嘴型号为BD844，是切向流空心锥形喷嘴，工作压力范围为0.02～0.70 MPa。该喷嘴能产生空心锥形喷雾形状，喷洒域呈环状，喷雾液滴直径小，具有大而通畅的流道，消除了阻塞现象。试验选用直流3210 HB型隔膜泵，最大功率100 W。从控制原理来讲，直流电机有3种基本调速方法：调节电枢电压、改变电枢回路电阻、调节励磁，其中采用全控型开关功率原件调制脉宽以实现电压调节的控制方式被广泛采用[18]。变量调节器以CC2530-F256单片机为主核，它整合了全集成的高效射频收发机及业界标准的增强型8051控制器，通过设置内置T3、T4定时器的初值实现不同占空比的脉冲波形输出，选用CC2530方便后续数据传输。采用具有制动回路的不可逆PWM控制电路，以极性相反的双极性PWM信号控制上下桥臂的功率管，以IR2110驱动功率管IRF540，通过功率管的通断调节施加于电枢的电压均值，从而实现控制电机转速[19]。功率管驱动电路如图1所示，图中C2为自举电容，VCC经D4、C2、电机绕组、Q2给C2充电，确保Q2断开、Q1导通时，Q1管的栅极依靠C1的储能驱动，从而实现自举式驱动[20-21]。

2结果与分析

2.1喷头水量分布

未安装变量调节器时，直径a上测点的水量分布均值的3次样条插值拟合曲线如图4所示。

由图4可知，未安装变量调节器时，直径a上r∈[3，5] 测点的雨量值之和占总雨量值的83.85%。 r∈[0，2]测点的雨量分布与r∈[3，5]测点的雨量分布对比鲜明，中心盲区问题突出。占空比分别为90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%时直径a上测点的水量分布均值3次样条插值拟合曲线如图5所示。

由图5可见，随着控制信号占空比的降低，r∈[0，2]的测点雨量分布逐渐增多；当占空比低于50%时，r∈[0，2]的测点雨量值超过总雨量值的50%，其中占空比为30%时，r∈[0，2]的测点雨量值分别达到总雨量值的58.06%。各种工况下，喷嘴喷雾的径向均匀度UWS（r）如表1所示。

由表1可见，各径向均匀度UWS（r）受占空比变化的影响较大，占空比大于40%时，随着占空比的降低，各径向均匀度呈现增加趋势。

2.2最优占空比组合时间系数的确定

在1个PWM信号周期内，组合上述8种不同占空比的PWM信号，通过曲线拟合、回归分析、迭代求解，确定各占空比状态的最优组合归一化时间系数为t=[0.102 0，0.030 6，0.010 2，0.010 2，0.030 6，0.102 0，0.204 0，0.510 4]，试验确定最终PWM信号频率为10 Hz。结合图1，可得在最优占空比组合下直径a上各测点的雨量分布的理论值，联合公式（1）可以求得最优占空比组合下喷嘴喷雾的径向Wilcox-Swailes均匀度理论值为88.72%。

2.3对比试验

在安装最优占空比组合的变量调节器和未安装变量调节器2种情况下重复试验，利用公式（1）。计算其径向Wilcox-Swailes均匀度，结果如表2所示。

由表2可知，有无变量调节器对径向均匀度的影响非常明显，有变量调节器时4条直径上测点的径向Wilcox-Swailes均匀度相对无变量调节器时分别提高了51.90、51.96、51.90、51.49百分点，与理论值相比，误差小于067%。脉宽调制的变量调节器对减小切向流空心锥形喷嘴的喷洒域中心盲区作用显著。

3结论

本研究结果表明，针对切向流空心锥形喷嘴施药的中心盲区问题，运用适用于圆形喷洒域的径向Wilcox-Swailes均匀度，为评价切向流空心锥形喷嘴施药喷雾均匀性提供了1种方法，同时为进一步提高喷雾均匀性提供依据。脉宽调制的变量调节器的作用使得切向流空心锥形喷嘴施药的4个径向均匀度分别提高了51.90、51.96、51.90、51.49百分点，效果显著，可用于高均匀度、喷洒域可控要求的单个植株的定点对靶施药环境。下一步可以利用机器视觉自动获取所需喷洒域的直径、圆心位置，利用PWM变量调节器实现单个植株定靶可变量均匀施药。脉宽调制的变量调节器在针对单个植株定靶施药过程中对减小切向流空心锥形喷嘴喷洒域中心盲区、提高施药均匀度效果显著。

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