喷药机变量施药控制系统的研究

李锟　郑晓培

摘 要：为了提高我国农业植保技术、解决农药的有效利用率低、减少环境污染、改善生态环境以及避免农业资源浪费等问题，以某型喷药机为基础，分析变量施药性能的主要影响因素，介绍了变量施药控制系统总体技术方案和系统运行的基本原理，建立变量施药控制系统结构，为喷药机的变量施药控制系统的研究提供了一定的理论参考。

关键词：喷药机；变量施药；控制系统

中图分类号：S491 文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.12.003

目前，我国粮食和农产品的产量稳居世界第一，在我国国民经济发展中具有重要作用。改革开放以来，随着我国农业科技水平的提高和农业资金的大力投入、农业政策的完善，我国农业生产能力稳步提高，农林产品产值逐年递增。但是，我国农业生产所面临的矛盾依然存在，并严重地制约了我国农业现代化的可持续发展，在充分开发生物、化学、基因工程等新型农药对农作物进行病虫害防治的基础上，利用科技创新推动农业现代化建设，保证我国农业高产稳产的持续发展。

随着我国农业现代化进程的不断加快，对“高效农业、精准农业”“专业化、规模化、智能化”现代农业以及先进农业生物植保技术日益受到广泛关注。由于目前我国大多数农业施药机械主要进行“粗放式”的农药喷施作业，不以目标施药区域的具体情况进行合理的施药作业，从而导致我国农药资源浪费，农作物农药含量超标，农业质量产量不均衡和生态系统污染等问题的发生。在充分利用现代自动控制及机电控制等技术的基础上，构建具备可变量施药功能的施药控制系统，实现“按需施药、精准施药”的绿色农业发展理念，为提高农业有效利用率、解决农药残留物超标、改善农林产品产量质量等问题具有重要意义。

1 影响变量施药主要因素

通过对国内外喷药机变量施药控制机理的综合分析，其中，系统实时压力、施药机械运行速度和施药系统管路的施药泵等均是影响单位面积变量施药控制的主要因素。

11 系统实时压力值

在喷药机械工作工程中，施药系统实时压力的变化是保证施药区域施药稳定性的关键，当施药系统硬件条件一定的情况下，系统施药量与实时压力值的关系为：

q1q2=P1P2

其中，q1、q2分别为系统实时压力为 P1、P2时的系统施药量。

通过上式可知：系统实时压力与系统施药量为反比关系，当系统实时压力发生轻微波动时，施药系统管路的施药量变化明显，从而影响施药系统的有效施药作业。

12 施药机械运行速度

在喷药机械工作工程中，施药机械运行速度的变化是影响单位面积施药的主要因素，当施药环境一定的条件下，系统单位面积的实际施药量与施药机械运行速度的关系为：

Q=kqvw

其中，Q为系统单位面积的实际施药量，k为施药系数，q为系统施药量，v为施药机械运行速度，w为施药机械施药架幅宽有效长度。

通过上式可知：系统单位面积的实际施药量与施药机械运行速度为正比关系，当施药机械的运行速度提高时，系统单位面积的实际施药量也相应增加。

13 施药系统的施药泵

在喷药机械工作过程中，施药系统的施药泵工作性能是保证施药稳定性的前提，当施药系统硬件条件一定的情况下，施药泵的理论施药量和实际施药量分别为：

Qt=πd24skn×10-6

Q=Qt×ηv

其中， Qt为施药泵的理论施药量，Q为施药泵的实际施药量，d为施药泵有效直径，s為施药泵有效行程，k 为施药泵缸数，n为施药泵的标定额定转速， ηv为施药泵的有效效率值。

通过上式可知：当施药系统的施药泵一定时，单位面积的实际施药量与施药系统的有效利用效率有关。

通过以上的综合分析：施药系统的实时压力值、施药机械的实时运行速度和施药系统的施药泵等是影响单位面积施药量的主要因素，各个影响因素之间是相互作用和相互影响。变量施药控制系统必须在充分考虑主要影响因素的基础上，进行技术方案的实施。

2 变量施药控制系统总体技术方案

以某型喷药机施药系统技术要求为基础，结合施药系统通用性的设计理念，建立以供药系统、控制系统、检测系统和喷药系统为半闭环的变量施药控制系统（施药—检测—控制—施药）的总体技术方案，如图1所示。

3 变量施药控制系统基本原理

通过综合分析国内外可变量施药控制系统的技术现状，在系统压力、机械运行速度和施药泵性能为主要影响参数的基础上，保证系统压力和施药泵性能一定的条件下，以单位面积施药量为目标变量，建立施药系统控制系统的技术路线，以某型喷药机（车）为平台，在中央控制器的控制下，利用传感测试技术，实时采集信息，驱动施药系统实施按需施药的变量控制策略，其中，控制系统技术路线如图2所示。

施药作业前，运行变量施药控制系统，输入目标区域的单位面积施药量，控制系统在调整系统实时施药压力和确定施药泵综合性能稳定等初始施药条件满足时进行施药作业。在施药机械进入目标施药区域后，以速度传感器采集施药机械的实时运行速度，并把采集的实时速度信号传输给系统控制器，在控制器系统综合分析和相应响应运算后，生成信号驱动系统流量控制阀门，再通过压力传感器和流量传感器实时采集系统压力和流量信息，反馈到系统控制器，利用减压阀控制系统施药压力，再利用流量控制阀控制系统施药量，实现闭环控制环路，实施变量施药。

4 变量施药控制系统结构

在施药系统控制系统技术路线的基础上，基于数字信号采集，图像数字处理和机电系统控制等学科理论，结合农业植保机械运行环境的复杂工况实际要求，对施药控制系统结构进行构建，变量施药控制系统以车载电源和施药机械柴油发动机为动力源，在PLC控制器控制下实现变量施药控制。其中，变量施药控制系统结构主要由电源、药箱、操作控制板、系统控制器、传感器、离合器和施药泵等组成，系统结构如图3所示。

5 总结

研究变量施药控制系统的核心是保证单位面积施药量，而保证单位面积施药量的关键在于合理分配机械运行实时速度与施药系统实时施药量的关系，变量施药控制系统是实现速度与流量匹配控制平台，是施药机械实施“高效、精准”农药喷施的核心部件。在充分利用现代自动化控制理论、过程控制理论及机电控制理论等技术基础上，建立可以执行变量施药功能的施药控制系统，实现“按需施药、精准施药、可持续耕作植保”的绿色农业发展理念，着力提高农业生产的农业有效利用率、解决农产品农药残留物超标不合格、改善农林产品产量、质量不均衡等问题具有理论研究价值。

本文为构建变量施药控制系统，在分析了变量施药性能的主要影响因素、变量施药控制系统总体技术方案和系统运行基本原理的基础上，建立了变量施药控制系统结构，为喷药机的变量施药控制系统的研究提供了一定的理论指导作用。

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