PWM变量喷施控制系统中电磁阀通径对喷雾压力的影响

蒋 斌，李 林，李晋阳，魏新华

(江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江 212013)

0 引言

在PWM变量喷雾的过程中，电磁阀的快速启闭在管路中形成液压冲击，导致实际喷雾压力产生波动，而喷头的雾量分布和喷雾流量对喷雾压力波动较为敏感[1-3]，大幅度波动致使其控制精度和稳定性受到一定的影响。 国内外学者对PWM变量喷施的施药量控制[5-10]及雾化特性[15-19]等已经有了一定研究。Han等对PWM电磁阀控制间歇喷雾式变量喷施系统进行了详细研究，发现由于喷雾压力不稳而引起的喷雾流量变异较大[4]。但国内外有关PWM变量喷施过程中，针对压力波动变化特性的研究很少。于达志等发现随着隔膜泵转速的增加，压力脉动周期逐渐变小，幅值逐渐变大，随着PWM信号频率的增加，波动形式趋于谐振状态，周期逐渐变小，幅值变大，而PWM信号的占空比对液压冲击无明显的影响[14]。周兴翔等对电磁阀启闭所产生的水压冲击进行了理论分析，发现电磁阀响应时间与其所引起的液压冲击呈线性关系[11]。以上研究对喷头前端即实际喷雾的压力波动没有具体研究，且除了电磁阀开启和关闭时间及电磁阀工作频率与占空比，电磁阀通径对压力波动也有较大影响，但未经试验验证。

本文拟对实际喷雾压力波动，即喷头前端压力特性进行试验分析，明确在不同电磁阀通径条件下，相匹配不同流量的喷头等工况组合，得到实际压力波动变化和振幅离散程度，从而为PWM变量喷施系统的电磁阀选型提供理论依据及为喷雾压力的稳定控制奠定基础。

1 PWM变量喷施系统特性实验平台

压力波动试验系统是以PWM变量喷施系统特性试验台为基础，结构如图1所示。

1.药液箱 2.过滤器 3.恒压供液装置 4.手动开关阀 5.压力传感器 6.高速电磁阀 7.喷头图1 压力波动试验系统结构框图Fig.1 Structure diagram of pressure fluctuation test system

测控系统主要由工控机、A/D数据采集卡、信号调理单元、PWM输出模块和功率驱动模块组成；管路系统采用恒压供液装置供液，主要由药液箱、过滤器、恒压供液装置、高速电磁阀、喷头和管路组成。在管路入口安装了手动开关阀，以方便管路的切换；在高速电磁阀前后端设置了压力传感器，以利用测试系统进行管路内部的压力监测。

其中，恒压供液装置可提供0～1MPa的恒定压力，且连续可调，压力波动幅度≤±0.005MPa；高速开关电磁阀选用直动式电磁阀(德国，Burkert公司，6240型，通径分别为DN15，DN10，DN6)；喷头采用空心圆锥雾喷头(德国，letchler，TR80-03型、TR80-04型、TR80-05型)；压力传感器采用CYT-101型压力变送器(北京天宇恒创有限公司)，量程0～1.5MPa，测量误差≤±0.1%FS，响应时间<1ms；连接管路均为高压橡胶油管。系统控制软件采用Labview开发而成，可实现系统压力的设定、管路压力的实时监测，以及PWM信号频率和占空比的设定。PWM变量喷施系统特性试验台实物如图2所示。

图2 PWM变量喷施系统试验台Fig.2 The experimental platform for PWM-based variable rate application system

2 试验方案及内容

在PWM变量喷施试验中，考虑实验场地等因素，用水代替药液进行试验。根据压力波动试验系统结构框图，电磁阀通径有DN15、DN10、DN6 3种，所选喷头流量有3种。需在不同工况下，进行组合式的对比试验。

2.1 测试试验PWM信号频率、占空比的选定

为更好地得到电磁阀通径对喷雾压力波动的影响，需要先确定试验PWM信号频率和占空比，根据于达志等结论[14]，PWM信号占空比对压力波动无影响，所以选定测试占空比为50%。

系统恒定压力0.3MPa，电磁阀通径选定DN10，PWM喷头选择TR80-03型，PWM信号占空比50%，信号频率先后设定为0.5、1、2、3Hz的情况下，以1kHz的采样频率连续采集喷头前端的压力1min，对采集到的数据由MatLab软件进行中值滤波，每10个数据留取一个中值，选取中间的5 000个连续数据，并以数据编号为横坐标，压力值为纵坐标作图，如图3所示。

对于不同工况下压力波动的评价主要采用平均压力Pmean、压力波动离散率(均方根误差)δp，各参数的计算方法如下[21]

(1)

(2)

根据图3中的数据以及式(1)、式(2)，对其进行分析处理，如表1所示。

图3 PWM信号频率对压力波动的影响Fig.3 The impact of pressure fluctuations from PWM signal frequency

表1 不同PWM信号频率下的压力分析

由图3可知：在系统压力、电磁阀通径、喷头流量不变情况下，喷雾压力波动的周期随着PWM信号频率的增加而减小，在3Hz左右呈现谐振的形式，周期不再明显变化，Pmean随频率增加而变大，δp随频率增加而减小。在PWM信号频率2Hz，占空比50%的工况下，压力波动还未成为谐振状态，便于数据观察和规律寻找，且均值接近系统供液压力，具有代表性，所以选定此频率为试验频率。

2.2 恒定压力下，电磁阀通径对喷雾压力的影响

根据实际喷雾作业情况，喷雾系统的常规供液压力处于0.3～0.5MPa，所以恒压供液装置先后设定0.3MPa和0.5MPa两个系统供液压力。将TR80-03型喷头装在DN15、DN10、DN6 3条支路上，调节PWM控制信号频率为2Hz、占空比为50%，启动检测程序，测量方式，数据处理同2.1。保持系统供液压力、PWM信号频率、占空比不变，更换喷头为其余两种型号，得到电磁阀通径-喷头工况组合下，喷雾压力波动数据。

2.3 供液压力阶跃，电磁阀通径对喷雾压力的影响

考虑到喷雾机在行走过程中系统压力经常出现一定程度的阶跃，针对不同电磁阀通径，系统阶跃过程中的喷雾压力波动性。设定恒压供水装置提供0.3～0.4MPa和0.3～0.5MPa两个不同的阶跃。保持喷头流量不变，设置PWM信号频率2Hz、占空比50%，分别单独打开3条管路，启动检测程序，测量方式同2.1。得到阶跃—电磁阀通径工况组合下，喷雾压力波动数据。

3 结果与分析

3.1 压力恒定情况下，电磁阀通径对压力波动影响

设定系统压力为0.3、0.5MPa，PWM信号频率2Hz，占空比50%，选择TR80-03型喷头，恒压下分别开启3条支路，如表2和图4所示。

设定系统压力为0.3、0.5MPa，PWM信号频率2Hz，占空比50%，选择TR80-04型喷头，恒压下分别开启3条支路，如表3和图5所示。

设定系统压力为0.3、0.5MPa，PWM信号频率2Hz，占空比50%，选择TR80-05型喷头，恒压下分别开启3条支路，如表4和图6所示。

表2 TR80-03型喷头，不同通径和压力下的压力分析

图4 TR80-03型喷头，压力-通径工况组合结果Fig.4 TR80-03 nozzle, the combination results of pressure-pipeline表3 TR80-04型喷头，不同通径和压力下的压力分析Table 3 TR80-03 nozzle, the pressure analysis of different pipeline and pressure

电磁阀通径恒压0.3MPa平均值波动离散率恒压0.5MPa平均值波动离散率DN150.279980.001300.473270.00163DN100.226190.006810.348550.00917DN60.167020.038200.227050.10441

图5 TR80-04型喷头，压力-通径工况组合结果Fig.5 TR80-04 nozzle, the combination results of pressure-pipeline表4 TR80-05型喷头，不同通径和压力下的压力分析Table 4 TR80-05 nozzle, the pressure analysis of different pipeline and pressure

电磁阀通径恒压0.3MPa平均值波动离散率恒压0.5MPa平均值波动离散率DN150.272010.001440.471100.00178DN100.201680.006680.336610.00975DN60.143010.055440.195070.15276

图6 TR80-05型喷头，压力-通径工况组合结果Fig. 6 TR80-05 nozzle, the combination results of pressure-pipeline

根据上述图表可知：喷雾压力波动与电磁阀通径密切相关，在系统压力恒定、喷头流量不变情况下，随着电磁阀通径减小，Pmean逐渐减小，δp逐渐增大；当其他工况不变时，系统压力增加，δp也逐渐增大，且振幅程度随电磁阀通径减小而变大。

结合图表纵向比较，喷头流量对喷雾压力波动也有一定的影响，但影响程度不如电磁阀通径大。系统压力恒定，电磁阀通径为DN15时，压力波动已经呈现谐振形式，喷头流量增加，Pmean减小，但减小幅度较小，δp无明显影响，且δp<0.002；系统压力恒定，电磁阀通径为DN10时，喷头流量增加，Pmean逐渐减小，δp无明显影响，且δp<0.01；系统压力恒定，电磁阀通径为DN6时，喷头流量增加，Pmean逐渐减小，δp大幅增加；当喷头流量和电磁阀通径不变时，系统压力增加，δp也大幅增加。

3.2 供液压力阶跃过程中电磁阀通径对压力波动影响

设置PWM信号频率2Hz，占空比50%，喷头TR80-03型的工况，分别选定DN15、DN10、DN6 3条管路，将恒压供液装置调节为0.3～0.4MPa和0.3～0.5MPa两个不同的阶跃,启动检测程序，测量方法，数据处理方式同2.1。

根据图7和图8可知：DN15通径中，压力波动已经为谐振形式，系统阶跃条件下，喷雾压力呈阶梯形稳定变化；在DN10、DN6管路中，系统阶跃条件下，喷雾压力呈波动形式增加，且电磁阀通径变小，波动振幅增加，但波动周期无明显变化。

图7 0.3～0.4MPa阶跃下，喷雾压力波动Fig.7 0.3～0.4MPa, The pressure fluctuations of spraying

图8 0.3～0.5MPa阶跃下，喷雾压力波动Fig.8 0.3～0.5MPa, The pressure fluctuations of spraying

4 结论

1) 在系统压力恒定、喷头流量不变情况下，电磁阀通径与压力波动均值呈正相关，压力波动离散率随管径减小而增大。

2) 在系统压力恒定、电磁阀通径不变情况下，喷头流量与压力波动均值呈负相关；在通径为DN15和DN10情况下，随着喷头流量增加，压力波动离散率无显著变化，分别小于0.002和0.01；在通径为DN6情况下，压力波动离散率随喷头流量增加而增加。

3) 系统供液压力发生阶跃时，随着电磁阀通径减小，压力波动振幅增加，波动周期无明显变化。

4)喷头流量和系统压力等影响因子对喷雾压力波动性影响大小随电磁阀通径增加而减小，且当电磁阀通径较大时，压力波动易呈现出谐振的形式；在实际电磁阀选型中，通径应大于等于DN10，避免喷雾压力大幅变化。

参考文献：

[1] Shahemabadi A R，Moayed M J． An algorithm for pulsed activation of solenoid valves for variable rate application of agricultural chemicals[C]//International Symposium on Information Technology 2008，Malaysia: Putra University，Department of Electrical and Instrumentation Engineering，2008．

[2] Bennur P J, Taylor R K. Evaluating the response time of a rate controller used with a sensor-based,variable rate application system[J].Applied Engineering in Agriculture, 2010,26(6):1069-1075.

[3] Vondricka J, Lammers P S. Evaluation of a carrier control valve for a direct nozzle injection system[J].Biosystems Engineering, 2009,103(1):43-48.

[4] Han S, Hendrickson L L, Ni B, et al.Modification and testing of a commercial sprayer with PWM solenoids for precision spraying[J].Applied Engineering in Agriculture,2001,17(5):591-594.

[5] Cooper J F, Jones K A, Moawad G. Low volume spraying on cotton: a comparison between spray distribution using charged and uncharged droplets applied by two spinning disc sprayers[J].Crop Protection, 1998,17(9):711-715.

[6] Lardoux Y, Sinfort C, Enfält P, et al. Test method for boom suspension influence on spray distribution, part I:experimental study of pesticide application under a moving boom[J].Biosystems Engineering,2007,96(1):29-39.

[7] Clijmans L, Swevers J, De Baerdemaeker J, et al.Sprayer Boom Motion, Part 1: Derivation of the mathematical model using experimental system identification theory[J].J.Agric. Engng Res.,2000，76:61-69.

[8] Clijmans L, Ramon H, Sas P, et al. Sprayer Boom Motion, Part 2: Validation of the model and effect of boom vibration on spray liquid deposition[J].J.Agric. Engng Res.,2000，76:121-128.

[9] 祁力钧，傅泽田.不同条件下喷雾分布试验研究[J].农业工程学报，1999，15(2)：107-111.

[10] 张文昭，刘志壮.3WY-A3 型喷雾机变量喷雾实时混药控制试验[J].农业工程学报，2011，27(11)：130-133.

[11] 周兴祥,刘海红,吴姝,等.变量喷施系统电磁阀响应时间对液压冲击的影响[J].农业工程学报,2016,32(5):64-69.

[12] 刘伟，汪小旵，丁为民.背负式喷雾器变量喷雾控制系统设计与特性分析[J].农业工程学报，2012，28(9)：16-21.

[13] 邓巍，丁为民，何雄奎.PWM 间歇式变量喷雾的雾化特性[J].农业机械学报，2009，40(1)：74-78.

[14] 于达志，陈树人，魏新华.PWM间歇喷雾变量喷施系统压力脉动及液压冲击综合测试[J].农机化研究，2014，36(1)：194-198.

[15] 吕晓兰，傅锡敏，吴萍，等.喷雾技术参数对雾滴沉积分布影响试验[J].农业机械学报，2011，42(6)：70-75.

[16] 陈志刚，吴春笃，杨学军.喷杆喷雾雾量的分布均匀性[J].江苏大学学报，2008，29(6)：465-468.

[17] Lebeau F. Modelling the dynamic distribution of spray deposits[J].Biosystems Engineering, 2004,89(3):255-265.

[18] Lebeau F, El Bahir L, Destain M F, et al.Improvement of spray deposit homogeneity using a PWM spray controller to compensate horizontal boom speed variations[J].Computers and Electronics in Agriculture,2004,43(2):149-161.

[19] 邓巍,丁为民,何雄奎.PWM连续变量喷雾的雾滴速度和能量特性[J].农业工程学报,2009,25(13):66-69.

AbstractID:1003-188X(2018)05-0164-EA