基于嵌入式PID的喷雾头结构设计及雾化效果仿真

田 磊，靳继红，王明绪

(1.河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000；2.焦作师范高等专科学校 计算机与信息工程学院，河南 焦作 454001)



基于嵌入式PID的喷雾头结构设计及雾化效果仿真

田 磊1，靳继红2，王明绪1

(1.河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000；2.焦作师范高等专科学校 计算机与信息工程学院，河南 焦作 454001)

针对喷雾施药过程中药物的不合理利用现象，提出了一种喷雾头结构设计方法，并设计了一种压力流量自动调控喷雾头。该方法结合了嵌入式PID控制和遗传优化算法，将喷头机械结构设计成空心圆锥雾化喷嘴形式，对压力和流量调节过程进行遗传编码，采用积分和比例系数实现优化控制过程。为验证所设计喷雾头喷嘴的喷雾效果，对喷嘴内部流场和外边喷雾场进行了数值仿真模拟，通过数值仿真模拟计算发现：采用嵌入式优化算法对喷嘴的流量和压力进行控制，加大了喷雾的面积，增强了雾滴的粉碎程度，实现了均匀的喷药过程，提高了药物的利用率，为生态农业的发展提供了技术支持。

农药喷施；空心圆锥；遗传编码；嵌入式PID

0 引言

喷雾施药技术是农作物病虫害防治的重要内容，被世界各个国家广泛关注。当前国际喷雾施药技术的主要发展趋势是精细和低量，将药物精量准确地施加到农作物上是当前施药技术的发展方向。要实现精准施药，必须对喷雾头的结构进行优化设计，最终实现药物的变流量控制。目前，我国农作物喷药手动式喷雾的应用十分广泛，如图1所示。

图1 农作物喷雾施药示意图

落后的施药机械与农药使用观念导致农药不合理利用现象极为严重，造成在农药使用过程中经常发生“跑冒滴漏”现象，致使农药利用率仅为20%-30%，农药流失率高达70%以上，且农药分布不均匀高达46.6%以上。药物如果没有被合理地利用，不仅会降低病虫害防治的效果，而且会造成环境的极大破坏，阻碍生态农业的发展。

针对喷雾施药过程中药物的不合理利用现象，提出了一种新的喷雾头结构设计方法，该方法结合嵌入式PID和遗传优化算法，将其机械结构设计成空心圆锥雾化喷嘴形式，采用嵌入式优化算法对喷嘴的压力进行控制，增大了喷雾的面积，提高了雾滴的粉碎程度，将农药均匀的喷施在农作物上，从而最大限度地利用农药。

1 农用压力喷嘴结构原理设计

本研究采用压力喷嘴对农用喷雾头进行设计，其主要机械结构采用空心圆锥雾化喷嘴。该喷嘴通过在内部流道安装环形垫片以实现(见图2右图)空心圆锥雾化喷雾形状。实际外形如图2左图所示。喷射压力范围为0.6～6MPa，流量范围为6.0～26kg/h, 喷雾锥角2θ=60°～90°。

为了提高喷雾装置的设计精度，采用PID控制和遗传算法对装置的喷雾性能进行优化设计，并采用FLUENT数值仿真模拟软件对喷雾效果进行仿真模拟。喷雾属于典型的多相流，牵涉到以液滴形式存在的离散相、液滴周围气体介质连续相两相，其总体设计框架如图3所示。

图2 压力喷嘴喷雾示意图

图3 农药压力喷嘴设计优化总体框架

其设计过程主要采用PID算法和遗传算法对喷雾头的压力进行调节和优化，采用数值仿真模拟对优化效果进行分析。采用数值模拟方法研究喷雾现象有助于更加深入地认识喷雾机理以及指导实验过程。数值模拟可以提供完整的流场的局部分析结果，因此可以弥补实验中因为客观因素或是人为因素导致的结果不完整等缺陷。

2 基于自适应PID算法的喷嘴优化设计

PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。本文运用嵌入式PID控制原理实现喷雾压力的调节过程，主要控制流程如图4所示。

图4 喷嘴压力调节

控制结构总体分为4部分，主要包括输入部分、输出部分、遗传算法控制器和PID控制器，其控制过程如图5所示。

图5 嵌入式PID控制器结构示意图

PID控制器主要包括流量控制环节、压力控制环节和传感控制环节，其压力控制方程为

(1)

其中，kb为积分比例系数；kw为微分比例系数；T为采样周期；e为计算误差。将控制误差可以写成二进制遗传序列，则

(2)

(3)

其中，x是一个随机的实数，且x∈[0,1]。对速度序列进行变异操作，则

(4)

其中，N为一个大的正数；s为n维空间的一随机方向。嵌入式系统的自适应值和编解码可以通过编程的方式实现，使用的主要程序如下：

适应值函数

function [sol, val] = gabpEval(sol,options)

nntwarn off

XX=premnmx(XX);YY=premnmx(YY);P=XX;

T=YY;R=size(P,1);S2=size(T,1);S1=25;

S=R*S1+S1*S2+S1+S2;

for i=1:S,

x(i)=sol(i);

end;

编解码函数

function [W1, B1, W2, B2, P, T, A1, A2, SE, val]=gadecod(x)

nntwarn off;XX=premnmx(XX);YY=premnmx(YY);

P=XX;T=YY;R=size(P,1);S2=size(T,1);S1=25;%

S=R*S1+S1*S2+S1+S2;

for i=1:S1,

for k=1:R,

W1(i,k)=x(R*(i-1)+k);

End end

......

3 农用压力喷嘴雾化效果仿真模拟

为了验证压力喷雾控制数学模型和算法的有效性与可靠性，采用数值仿真模拟的形式对喷雾效果进行分析，选用的气泡雾化喷嘴模型为外气内液型，包括液体进口、气体进口、混合腔、喷嘴出口4个主要结构，如图6所示。

图6 喷嘴内部结构

由图6可以看出：由于混合腔计算域结构规则对称，所以采用ICEM CFD中的结构化网格划分方法。网格的划分形式如图7所示。

为了提高计算的精度，网格划分采用六面体结构化网格，并对喷嘴中心侧进行加密处理。计算区域的外侧网格划分如图8所示。

为了提高计算速度，采用内密外疏的网格划分方法，并在ICEM CFD中分别设置流体进口、注气孔为进口边界，喷嘴出口为出口边界，混合腔壁为壁面边界。

雾化射流场的瞬态模拟方法中液滴的位置将在每个时间步长内更新。当气液两相相互耦合时，液滴位置在每个时间步长内的耦合迭代计算时更新。时间步长设置为0.00001s，计算两百步后射流充分发展，其形态如图9所示。由图9可以看出：数值仿真模拟和实验的喷雾形态相吻合，从而验证了数值仿真模拟的有效性和可靠性。

图7 计算域网格划分内侧

图8 计算域网格划分外侧

图9 射流形态模拟图

为了验证本文设计的农药喷雾头喷雾效果，对不同的喷雾头机械结构形式进行数值仿真模拟，得到了如图10所示的仿真结果。其中，1表示本文采用嵌入式PID算法设计的压力流量自动调控喷雾头；2表示采用喷头压力喷雾喷嘴;3表示采用非压力喷雾喷嘴。由雾化结果可以看出：本文设计的喷雾头得到的雾滴最小，雾化效果最好，大大提高了农药的利用效率。

图10 不同喷雾头雾化效果设计

4 结论

1)采用嵌入式自适应算法设计了一种新的流量和压力可调控的农药喷雾喷头。该喷头的机械结构采用空心圆锥雾化喷嘴的形式，增大了喷雾的喷施面积，提高了农药的利用效率。

2)喷雾喷嘴的流量和压力通过PID控制和遗传算法进行优化设计。嵌入式系统的自适应值和编解码通过编程的方式实现，提高了喷嘴设计的自动化控制程度，实现了农药的变流量变压力控制。

3)采用数值仿真模拟的形式对本文设计的喷雾头喷嘴的喷雾效果进行了仿真模拟。通过对比分析计算发现：本文设计的喷雾头得到的雾滴最小，雾化效果最好，提高了农药的利用率，可以在生态农业的病虫害防治工程中将其推广，具有较好的应用前景。

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Atomization Effect Simulation and Structure Design of Spray Heads Based on Embedded PID

Tian Lei1, Jin Jihong2, Wang Mingxu1

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 2.School of Computer and Information Engineering, Jiaozuo Teachers College, Jiaozuo 454001, China)

Aiming at the phenomenon of unreasonable using drug pesticide spraying process, this paper presents a design method of spray head structure, and designs a kind of pressure flow automatic regulating spray head, the method combines the embedded PID control and genetic optimization algorithm, the nozzle of mechanical structure design into a hollow cone nozzle form, to adjust the pressure and flow process of the genetic code, using integral and proportional coefficient to achieve the optimization of process control. In order to verify the effect of the design of the spray nozzle of the spray head, nozzle internal flow field and outside the spray field numerical simulation. Through the numerical simulation calculation, it was found, the nozzle flow and pressure control by using embedded optimization algorithm to increase the spray area, enhance the degree of communication of the droplet. It realizes uniform spraying process, improves the utilization rate of the medicine, which provides technical support for the development of ecological agriculture.

pesticide application; hollow cone; genetic code; embedded PID

2016-01-27

河南省2015年度科技攻关项目(152102110161)

田 磊(1983-)，男，河南南阳人，讲师，硕士。

王明绪(1986-)，男，河南唐河人，助教，硕士，(E-mail)34296064@qq.com。

S491

A

1003-188X(2017)02-0103-05