喷杆喷雾机智能控制系统设计及试验

沈景新，李青龙，孙永佳，孙宜田，陈 刚，何青海

(山东省农业机械科学研究院，济南 250100)

0 引言

喷杆喷雾机是一种高效的大田植保机械，具有喷雾雾化效果好及作业效率高等优点。目前，我国已研制出适用于玉米、小麦水稻等不同作物的喷杆喷雾机，但存在施药均匀性差、药业利用率低、环境污染严重和智能化程度低等问题[1]。植保机械的智能化程度是决定农业病虫害防治效果的重要影响因素，也是一个国家农业发展水平的重要衡量标准。宋乐鹏等构建了机电流量控制阀传递函数的数学模型，并设计了变论域自适应模糊PID控制算法，通过MatLab仿真，得出PID控制的响应时间和超调量，系统稳定性和快速性等指标满足农业技术要求；但未对变量喷雾控制系统和作业速度的拟合进行相关研究[2]。蒋焕煜等进行了基于PWM变量喷雾的单喷头动态喷雾分布均匀性试验，研究发现：PWM频率对单喷头在喷雾前进方向上的雾量分布均匀性影响更大，但并未对多喷头协同作业情况进行分析研究[3]。LARDOUX等在动态条件下研究了喷杆高度、喷杆速度和喷头类型等喷杆参数对喷雾分布特性的影响[4]。魏新华等研制一种采用超声波传感器采集喷杆两端对地实际距离，通过油缸实时调节喷杆作业高度的在线调控系统，并设计了一种对地距离检测信号枝叶遮挡干扰的虑波算法[5]。邱白晶等研究了在路面单侧激励条件下，喷杆运动响应的提取方法，为喷杆运动响应特性分析提供依据[6]。

综上所述，针对喷雾控制系统的研究主要为独立开展，并未对各项控制系统进行综合研究和融合分析。因此，本文对变量喷雾系统、喷杆高度调节系统等进行整体研究，提出综合控制方法，提高喷杆喷雾机的智能化水平和作业质量。

1 智能控制系统

1.1 总体结构

本文设计的控制系统的控制芯片采用Xilinx公司的FPGA芯片—Spartan-3E，时钟为50MHz警惕时钟振荡器，IO接口为RS-232X2串行通讯机能，16路双向光电隔离输入输出，模拟量输入输出为API总线4路14位AD输入，芯片采用LTC6912-1ADC，最大的采样频率大约是1.5MHz，满足系统设计时驱动流量调节阀所需的复杂PID运算。其总体技术方案如图1所示

1.2 智能控制系统实施方案

智能监控系统主要包括智能变量喷雾及喷杆高度调控等功能，如图2所示。

2 关键系统设计

2.1 变量喷雾系统设计

2.1.1 变量喷雾系统调控程序设计

目前，国内的变量喷雾方式主要采用预混药式，在药液浓度不变的情况下，通过改变施药量实现喷药量变化。主要手段有：压力式及脉宽调制(PWM)式等。其中，脉宽调制(PWM)式是通过PWM信号调节高频电磁阀的开闭来实现变量喷雾，由于需要对每个喷头安装高频电磁阀，导致成本较高，不利于在实际生产中的推广应用。

图1 智能控制系统总体技术方案Fig.1 General technical scheme of intelligent control system

图2 智能控制系统实施方案图Fig.2 Implementation plans of intelligent control system

本文采用PID调节方式控制电动调节阀的开度，实现变量喷雾。变量喷雾系统主要包括电动调节阀、流量传感器、压力传感器、速度传感器及液位传感器等，流量和压力传感器采集液路的实时流量和压力，并将信号反馈给控制器，实现喷雾流量的闭环控制，提高变量喷雾的控制精度。流量控制系统的闭环控制结构图如图3所示。

系统启动后，程序开始初始化，流量传感器监测药箱液位，当药箱液位低于设定值时，蜂鸣器发出报警信号，提示操作人员添加药液。通过液晶触控屏设定亩喷量，速度传感器监测作业速度，由控制器生成调节指令，将电动阀调整至一定开度；作业过程中，控制器根据流量信号的反馈值与理论值比较，当实际流量值超出设定范围时，通过PID信号对电动调节阀进行微调，使实际流量值逼近理论值，提高变量喷雾精度。变量喷雾系统控制流程图如图4所示。

图3 流量控制系统闭环控制结构图Fig.3 Closed loop control structure of flow control system

图4 变量喷雾系统控制流程图Fig.4 Flow chart of variable spray system

2.1.2 田间作业速度采集及处理

为采集机具的作业速度，设计了作业速度检测装置，实时检测机具的作业速度，主要结构由固定架、接近传感器、感应块及车轴等组成。其中，感应块均匀安装于车轴的圆周上，机具行走过程中，感应块经过接近传感器时，会产生脉冲信号；通过控制器统计两个脉冲的时间间隔，并标定相邻两个脉冲信号机具行走的距离，即可计算机具的作业速度。速度装置结构如图5所示。

1.固定架 2.接近传感器 3.轮轴 4.感应块图5 速度检测装置结构示意图Fig.5 Structure diagram of speed detecting device

田间作业过程中，由于地表不平整、油门变化等因素导致作业速度发生阶跃变化，导致接近传感器采集的两个相邻速度脉冲信号间隔时间突然变化，这种信号变化具有瞬时性和偶然性的特点，干扰正常作业速度采集，导致电动调节阀的开度瞬间增大或减小，影响变量喷雾的调节精度。因此，对相邻速度信号的阶跃脉冲进行滤波处理。在作业过程中，通过控制器统计单位时间内多个固定块经过接近传感器的时间，求得单位时间的平均速度，既能反映作业过程的速度变化情况，也能降低阶跃速度对变量控制系统的影响。

2.1.3 变量喷雾系统与作业速度自适应调控方法

目前，现有喷杆喷雾机大多为常量喷雾，喷雾量不能跟随作业速度进行调整，导致施药均匀性差和农药浪费严重。为解决上述问题，本文将变量喷雾系统与作业速度进行关联，建立变量喷雾系统与作业速度的自适应调控模型，以提高喷雾作业的均匀性和作业质量。由作业速度、公顷喷量等参数推出流量公式为

(1)

式中N—公顷喷量(L/hm2)；

Q—理论流量(L/min)；

V—作业速度(m/s)；

L—作业幅宽(m)。

作业速度为

(2)

式中V—行驶速度(m/s)；

D—车轮直径(m)；

Z—车轮一周固定块的个数；

T—接近传感器捕获1个脉冲的时间(s)。

为避免作业过程中电动调节阀频繁调节，系统设置流量调节阈值δ，速度变化导致理论流量的变化值为△Q，当|△Q| ≤δ，变量喷雾控制系统达到稳定状态，停止调节。

2.2 喷杆高度调控系统设计

目前，喷杆喷雾机缺少喷杆高度自动调节机构，喷杆高度的调节一般由操作人员目测后人工调整，存在较大误差和随意性，影响喷雾质量。因此，设计一种喷杆高度自动调节系统，提高喷杆高度的调节精度。

2.2.1 喷杆高度调控系统结构设计

为实现喷杆高度的快速调节，设计喷杆高空调控系统，主要包括机架、平行地连杆升降架、电动推杆、喷杆桁架及超声波传感器。安装时，使超声波传感器的下端面与喷头的下端面保持同一平面，则超声波传感器测量的距离即为喷头距作物顶端的距离。杆桁架提升机构的示意图如图6所示。

1.机架 2.平行四连杆升降架 3.电动推杆 4.喷杆桁架 5.超声波传感器图6 喷杆桁架提升机构示意图Fig.6 Sketch map of lifting mechanism of spray bar

2.2.2 喷杆高度调控程序及方法

作业开始时，由超声波传感器检测作物高度，控制器接受检测信号并与设定高度进行比较，当检测高度超出目标高度的范围时，控制器发出控制指令控制电动缸动作，实现喷杆高度调节；在调节过程中，超声波传感器不断检测距作物顶端高度，并将检测信号反馈至控制器，实现喷杆高度调节的闭环控制，提高喷杆高度的调控精度。

3 试验与结果分析

3.1 变量调控系统试验

3.1.1 变量喷雾系统的流量调节范围测定

变量喷雾系统的重要评价指标之一就是其流量调节范围，一般可以用可调比来衡量，即变量喷雾系统所能调节的最大流量Qmax与最小流量Qmin的比值。试验结果如表1所示。

表1 系统可调比Table 1 Adjustable ratio of system

3.1.2 变量喷雾控制精度试验

因对变量喷雾的瞬间喷雾量采集精度要求较高，现有仪器无法满足此精度，本试验通过测定平均喷雾量获得变量喷雾的控制精度。在恒定喷雾压力下，喷雾机以恒定速度行走，行走30s后测量机具的总喷雾量，重复3次，取平均值，与理论喷雾量比较，得出变量喷雾的控制精度。试验结果如图7所示。

图7 变量喷雾控制精度试验Fig.7 Test of variable spray control accuracy

通过分析，当作业速度为5.5km/h时，变量喷雾控制精度的最小误差为2.24%，最大误差为3.11%，可见变量喷雾控制精度较高，在作业过程中能够有效提高喷雾作业质量。

图8 变量喷雾控制精度场地试验Fig.8 Variable spray control accuracy field test

3.2 喷杆高度调节系统试验

试验过程中，通过人机交互系统设定喷雾喷头至作物顶端的目标高度，采用盆栽绿植替代作物遮挡超声波传感器，不断改变盆栽绿植距地面的距离，当喷杆调整稳定后测量喷头距盆栽绿植顶端的距离。试验结果如表2所示。

从表2可以看出：喷杆高度调节最大相对误差为5.40%，最小误差为3.40%。较大误差产生的原因主要是绿植顶端不规则，影响超声波传感器测量值的准确性。

表2 喷杆高度调节试验结果Table 2 Test results of height adjustment of spray rod

4 结论

以FPGA器件为核心，设计了喷雾机智能控制系统，具有变量喷雾调节与喷杆高度调节精度高及工作可靠等特点。该系统的应用有效解决了现有喷杆喷雾机喷雾作业均匀性差、喷杆高速调节随意性大等问题。该控制系统的研制，有效提高了喷杆喷雾机的智能化水平，对促进我国农机的可持续发展，降低机手劳动强度具有十分重要的意义。