国内外变量喷雾主要控制方法综述

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国内外变量喷雾主要控制方法综述

0 引言

我国是农业生产大国,更是农药使用大国.由于农业机械设备水平相对于世界其他先进国家还比

较低,传统施药机械的施药方式往往忽视一定区域内病虫害灾情的变化,采取相同的施药量,使化

学农药在部分作业区内用量不足,而在有些地方施量过度[1],从而导致农药的有效利用率较低,对

自然环境造成危害.为了改善传统粗放型喷药手段、节能环保、降低生产成本,人们致力于研究

对农药的变量喷雾技术[2].以变量喷雾为基础的精准农业机械可以有效提高农药的田间利用率.

其技术核心是通过信息定位,改变施药管路中农药的流量,以适应不同区域的农药需求量;但对农

药的变量喷雾控制会造成喷药压力不稳定,从而对农药喷施的雾化效果产生一定的影响[3].本文

概括了国内变量施药技术的研究现状,针对变量施药控制过程中压力恒定问题做了一些探讨,并

对恒压变量施药技术研究进行了展望.

1 国内变量喷雾主要控制方法

1. 1 压力式控制

压力式变量控制是通过调节系统压力实现变量控制[4]史岩[5]等提出了一种压力式变量喷雾系

统,并对系统进行了建模与仿真. 计算机根据 CCD 摄像机和雷达传感器传入的信号、流量传感器

和压力传感器测出的实时流量和压力数据,确定施药量;将施药量信号发送给减压阀,每个喷杆的

工作压力随减压阀的动作得以调节,进而使喷杆上安装的喷头喷雾量发生变化.系统仿真表明:比

例减压阀控制的各喷杆工作压力,能够控制压力式喷头达到变量喷雾的要求.该控制系统能够很

好地依据行走装置速度的变化和不同地区的施药量信息自动控制各喷杆施药量,从而实现精准喷

药.

刘曙光[6]建立了压力式变量喷雾系统,依据雷达地速传感器所测量拖拉机行走速度, 结合 GPS 信

号以及传感器传来的压力和流量信号对系统进行闭环控制,由控制阀执行实现变量喷药.实验结

果表明:在相同压力情况下,使用扇形喷头比使用实心锥形喷头喷杆的喷雾均匀性要好;使用同种

扇形喷头时,同一喷杆上各喷头流量变化较小,提高了喷雾均匀性.

1. 2 PWM 控制

PWM 控制即脉宽调制, 是指通过改变驱动线圈的 PWM 信号的占空比进行控制.史万苹[7]等提出

了基于国产变量喷药机的 PWM 变量控制技术,并对其进行了实验研究.喷药量脉冲宽度随系统

脉冲宽度的变化而变化,达到喷药量变化的目的.该技术的特点是:在恒定的喷药压力下,喷头流量

的可控范围大,雾滴粒径变化范围小,与压力式变量控制相比流度的响应速度快.试验结果表明:

通过控制电磁阀脉冲周期,可实现变量控制系统对喷头流量的控制;随着开关电磁阀控制频率的

增加,喷药流量可控范围缩小,喷药流量明显增加;当开关电磁阀频率达到上限值时,喷药流量无明

显变化.

魏新华[8] 等采用 6013 型直动式高速电磁阀、TR80 - 05 型圆锥雾喷头、DBEE6 - 1X /50 型先导

式比例溢流阀和自制的 PWM 变量喷施控制器, 设计了一套PWM 间歇喷雾式变量喷施系统.在不

同喷雾压力、不同信号控制频率和不同占空比情况下,对同一喷头喷雾流量进行测试,结果表明:

喷雾流量基本不受喷头位置和 PWM 控制信号频率的影响, 而PWM 信号占空比和喷雾压力对其

影响较大.在不同隔膜泵输入转速下,控制喷雾压力恒定,测试不同喷头的流量,结果表明:隔膜泵

输入轴转速对喷雾流量的影响很小.

随顺涛[9]等设计了一种变量喷药控制系统,该系统根据实时拖拉机速度的变化和设定的固定单

位面积喷药量,利用脉宽调制的方法实现变量喷药.喷药时,控制器根据拖拉机行驶速度的变化控

制脉冲信号的占空比,从而改变喷头流量,使其随着拖拉机行驶速度的改变而改变,保证单位面积

总的喷药量不变.

对系统的仿真结果表明:通过溢流阀保持系统管路中的压力稳定, 控制电磁阀的 PWM 信号占空

比将跟随拖拉机速度的快慢变化做出相应调整.当车速快时,喷头喷药量将变大;当车速慢时,喷头

喷雾量将变小.

由此保证了单位面积喷药量不变,实现了根据车速变量喷药.

1. 3 滞环控制

翟长远[10] 等基于单片机AT89C52,采用滞环控制法,设计了一种车载式变量施药机控制系统.滞

环控制原理: 将喷药量范围设置在 0. 9 倍和1. 1 倍目标喷药量之间, 当实际喷药量小于 0. 9 倍目

标喷药量时,系统将增大电动阀门开度使喷药量增大; 当实际喷药量大于 1. 1 倍目标喷药量时,系

统将减小电动阀门开度使喷药量减小;当实际喷药量在两者之间时,电动阀门开度不变.该系统提

前设置好单位面积的喷药量,通过计算行车速度和喷药流量调节电动球阀开度,使单位面积的施

药量基本不变.仿真和试验表明:随着拖拉机加速度的降低,平均实际喷药量与设定喷药量的平均

误差减小,当加速度小于一定值后,能满足需求,但该系统所用喷头对喷雾压力要求很高;田间试验

时,由于在田地开头和结尾的位置拖拉机行驶速度变化较大,导致田地两端的喷药量误差相对于

田地中间段较大,需要改进.

1. 4 PID 控制

黄胜[3] 等基于 AT89S52 单片机, 总管道药液压力采用 PID 控制法,喷药量使用模糊控制法,设计

了变量喷药机的恒压变量控制系统.PID 控制器将设定的喷药压力量和压力传感器接收的实际压

力量的偏差量作为输入量,经过比例、积分、微分计算得到控制电液比例阀的电压输出量,调节

比例阀开度实现稳压控制.变量调节则是根据速度传感器和流量传感器接收的物理量计算出的实

际喷药量与设定量的偏差作为输入量,模糊化后输出控制电动球阀的电压量实现喷药量的调节.

控制系统仿真结果表明: 采用 PID 控制的喷药压力和采用模糊控制的喷药量的控制系统仿真效

果良好,系统响应时间短、超调量低、稳态误差较小,可用于恒压变量控制;但要想得到更精确的

控制,还需要根据试验得到的实际响应时间确定喷药控制的超前时间.

1. 5 模糊控制

邵陆寿、戴之祥[11 - 12]等人设计了一种基于模糊控制的变量喷药控制系统.该系统的模糊控制

器将作物密度变化分为较稀、稀、适中、稠、较稠、很稠6 个等级;将虫害等级分为较轻、

轻、重、较重、很重5 个等级;结合作物密度和虫害等级, 把目标划分成 30 种不同施药区域.每

一种喷药区对应不同的进水量和进药量;同时控制进水量和进药量,使喷药量变化满足各个区域

的要求.系统仿真结果和台架试验表明,施药量符合专家预测.

陈树人[13]等人根据杂草面积和喷药机行驶速度设计了一种自适应神经模糊控制器.该控制器将

喷药机行驶速度分为 10 个等级,速度越快,喷药量越多; 将杂草面积分为 10 个等级,杂草面积越

大,喷药面积约多. 两两结合共有100 组喷药数据.系统的仿真结果表明:在车速一定的情况下,喷

药量随杂草面积的增减做正弦变化.在室内搭建的实验平台上试验,喷药量符合仿真结果,自适应

能力强.

2 国外变量喷雾主要控制方法

Qamar Uz Zaman[14]等人为解决杂草生长早期( 此时杂草高度在 35 ~ 55mm 、蓝莓高度在 12 ~

30mm)对野生蓝莓地的除草要求,利用超声波传感器传来的杂草高度信号,准确定位杂草喷施除

草剂.控制器综合设定的参数、超声波信号以及流量信号控制伺服阀变量喷洒除草剂.试验结果

表明: 该喷药器能够根除野生蓝莓地中比蓝莓植株高但低于 55cm 的杂草.

Lei Tian[15]等人为解决田间除草剂浪费问题,研究了一种玉米大豆田间变量除草技术,并实现了

装置的搭建与试验.试验结果表明, 该技术能减少48% 的除草剂浪费.装置由喷药控制器、开关电

磁阀、喷嘴、摄像机、图像处理机及计算机组成.喷杆上平均分布12 个电磁阀和喷嘴,为提高喷

洒精度,每个电磁阀都被单独控制.图像处理的算法有杂草覆盖率和离散小波变换.喷药控制器根

据图像处理机进行杂草和作物的图像采集及处理,控制开关电磁阀的开合横向控制有杂草的地方

喷洒、有作物的地方停喷.

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摘要：

国内外变量喷雾主要控制方法综述0引言我国是农业生产大国,更是农药使用大国.由于农业机械设备水平相对于世界其他先进国家还比较低,传统施药机械的施药方式往往忽视一定区域内病虫害灾情的变化,采取相同的施药量,使化学农药在部分作业区内用量不足,而在有些地方施量过度[1],从而导致农药的有效利用率较低,对自然环境造成危害.为了改善传统粗放型喷药手段、节能环保、降低生产成本,人们致力于研究对农药的变量喷雾技术[2].以变量喷雾为基础的精准农业机械可以有效提高农药的田间利用率.其技术核心是通过信息定位,改变施药管路中农药的流量,以适应不同区域的农药需求量;但对农药的变量喷雾控制会造成喷药压力不稳定,从而对农...

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