CN102613161B - 喷杆喷雾机控制系统 - Google Patents

Abstract

一种喷杆喷雾机控制系统及喷雾补偿控制方法，包括：液压及机械驱动部分和电气控制部分，其中：液压及机械驱动部分提供了比例流量阀和三位四通电磁阀分别控制喷雾机的药液压力，风机风量、喷雾角和喷头与作物冠层距离等工作参数；电气控制部分依据获取的二维自然风速、环境温湿度、机具行走速度等外部信息，对最优控制索引参数表进行参数检索，计算出该状态下的最佳喷雾控制参数；然后分别对各参数实施 PID 反馈控制；进一步提出一种最优控制索引参数表的智能控制方法；利用支持向量机对动态环境下喷雾的非线性特性建模，并通过多目标优化建立最优控制参数索引表，存储在 SD 卡中供喷雾主控控制系统读取；使用上述考虑自然环境动态变化和基于最优控制参数索引表的喷雾控制后，有效提高了喷雾系统的稳定性，保证了喷雾效果。

Description

喷杆喷雾机控制系统

技术领域

本发明涉及的是一种喷杆喷雾机控制系统及喷雾补偿控制方法；属于植保喷洒机械领域。 

背景技术

我国农药施用技术习惯采用大雾滴、大容量喷雾技术，每年施用的约130万吨农药中，有60%以上药液流失到土壤和地下水中，有效利用率低，更造成严重环境污染，直接威胁到人体健康。雾滴在枝叶表面的沉积率越大、越均匀，农药利用效率越高，因此现代精准喷雾技术以能否达到最佳沉积持留、最少药液飘失为判断依据。在施药过程中，精确施药技术能控制雾滴的飘移、提高药液在作物上的沉积率，是减少农药流失、降低对水土污染的关键技术。 

自然风是造成雾滴飘失的重要因素。自然风速越大，能携带的雾滴尺寸也越大，农药的飘失率也增加。农药喷洒过程中受外界自然风的影响会偏离其原始喷洒方向，向下风向偏移。一般来说，自然风速大则方向性相对稳定，农药向下风向飘移的方向性强。反之，自然风胁迫雾滴方向性差，农药飘移也不定向。另外，空气沿地面运动时，与地表的摩擦力使下层气流流速降低，形成旋涡，造成地表附近的空气流动不定向。加之在大气不稳定状态时，上升气流加强了旋涡运动在垂直方向的作用强度，不利于雾滴的沉降。上述因素对节约、环保的低量喷雾的小雾滴影响更严重，更难以保证其良好的沉积和减飘效果。 

气流辅助式喷杆喷雾机在喷杆上方装有一风筒，有一台风机往风筒供气，在风筒底部有一系列出风口，作业时，在风筒底部的一系列出风口排出气流形成一道高速均匀的风幕，形成一道屏障，当有外界风或者由拖拉机本身行进速度引起的风时，能与之相互削弱，减少雾滴漂移量，强迫雾滴向作物冠层沉积，不仅增大了雾滴的沉积和穿透，而且在有风的天气(4级风下)也能正常工作，可节省施药量40%～70%，从而提高农药利用率、减少农药施用量和施药安全性。 

经对现有技术文献检索发现，中国发明专利“水田风送低量喷杆喷雾机”，申请号03206296．6，公开了一种水田风送式低量喷杆喷雾机，包括机架、药箱、变速器、风机、风囊、液泵、喷杆、喷杆折叠装置、喷头。变速器的输入端与插秧机的通用底盘的动力输出轴联接，变速器的输出轴依次联接液泵和风机，液泵的输入端联接药箱，液泵的输出端联接喷杆，喷杆上设有若干组喷头，风机的出风口联接固定在喷杆上方的风囊，风囊下腹部设有朝向地面的小孔。采用的风送式低量喷雾，通过风囊上的小孔将风吹出形成风幕，将小液滴协迫至农作物冠层，不仅使药液喷洒均匀，而且提高了农药的利用率，减少了因雾滴飘失造成的环境污染。中国发明专利“一种自走式喷杆喷雾机”，申请号200620157986．4，公开了一种自走式喷杆喷雾机，包括：自走式高地隙底盘、喷杆喷雾系统、气流辅助风幕系统和精准变量施药系统，所述自走式高地隙底盘联接并驱动所述喷杆喷雾系统、气流辅助风幕 系统和精准变量施药系统。由于采用液压驱动轴流风机使得风幕出口风量大、风速高，有效地增大了雾滴的穿透力，同时还采用了精准变量施药系统，能根据需要调节喷药量。但是上述专利均未涉及喷雾作业过程中的工作参数的控制问题。考虑到自然风速大小、风向等不可控因素和作物不同生长期的冠层等特征因素，以及喷杆喷雾机本身的系统参数均为非线性时变参数，喷杆喷雾机田间作业时，不能动态改变喷雾机可控工作参数，雾滴减飘和沉积效果往往难以保证。 

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种喷杆喷雾机控制系统及喷雾补偿控制方法，实现大田作业中喷杆喷雾机实际工作参数的实时控制优化，以克服自然风等外部环境对喷雾效果的严重影响，降低喷雾功耗、减少雾滴漂失、提高药液沉积率。 

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：液压及机械驱动部分和电气控制部分。 

所述的液压及机械驱动部分包括拖拉机液压输出装置和动力输出轴、比例流量阀1、三位四通电磁阀1、三位四通电磁阀2、三位四通手动阀、液压马达1、喷雾角调整油缸、升降油缸、折叠油缸、轴流风机、风助风筒以及增速器、齿轮泵、比例流量阀2、液压马达2、隔膜泵、药液箱、喷头。拖拉机通过液压输出装置和动力输出轴分别为喷杆喷雾机提供了液压动力源。 

所述的拖拉机动力输出轴经花键轴与增速器联接，可使增速器输出轴转速增加至齿轮泵工作的额定转速，增速器输出轴经联轴器接入齿轮泵，齿轮泵的进油口经液压油管与油箱相连，齿轮泵的出油口经液压油管与比例流量阀2的油路输入端联接，比例流量阀2的输出端经油管与液压马达2的进油口固定联接；液压马达2的回油口与油箱相连。液压马达2的输出转轴经联轴器与隔膜泵联接；隔膜泵的进液口经药液管与药液箱联接，隔膜泵的出液口经药液管与多个喷头联接；隔膜泵在液压马达的驱动下从药液箱中将混合好的药液泵出，再将管路中的药液经药液压力驱动下由喷头喷出，形成扩散雾滴； 

所述的液压输出装置经液压油管与比例流量阀1的输入端联接，比例流量阀1的输出端经液压油管与液压马达1的输入口联接，液压马达1经联轴器与轴流风机联接；轴流风机在液压马达的驱动下高速转动为风助风筒提供所需的风量。所述液压输出装置还经液压油管与三位四通电磁阀1的输入端联接，三位四通电磁阀1的输出端与喷雾角调整油缸的输入端联接、三位四通电磁阀1串联在液压油路中，用于完成喷雾角的连续调整。所述液压输出装置还经液压油管与三位四通电磁阀2的输入端联接，三位四通电磁阀2的输出端与喷杆的升降油缸的输入端联接、三位四通电磁阀2串联在液压油路中，用于在喷雾准备和结束阶段完成喷杆的高度调整。所述液压输出装置还经液压油管与三位四通手动阀的输入端联接，三位四通手动阀的输出端与喷杆的折叠油缸的输入端联接，三位四通手动阀串联在液压油路中，用于在喷雾准备和结束阶段完成喷杆折叠。 

所述的电气控制部分包括外部信息感知模块、工作参数测量模块、工作参数执行模块、精确喷雾 控制器和离线优化控制参数生成模块，其中：所述的外部信息感知模块用于实时测量喷杆喷雾机二维风速、温湿度、机具行走速度等田间作业环境信息，作为喷雾参数调整的决策依据；所述的工作参数测量模块用于实时测量喷杆喷雾机的药液压力，风机风量、喷雾角、喷头冠层距离等实际工作参数；上述两种测量信息均通过CAN总线发送给精确喷雾控制器。所述的离线优化控制参数生成模块用于生成最优控制参数索引表，最优控制索引参数表可以存储于SD卡中，由精确喷雾控制器读取，作为形成最佳喷雾控制参数策略的依据。所述的精确喷雾控制器依据获取的田间环境的外部信息，对最优控制索引参数表进行参数检索，并根据此参数计算出适用于该状态下的喷雾压力、风机流量、喷雾角和喷头与作物冠层间距的最佳控制参数，进行最佳喷雾控制参数决策，并与工作参数测量模块测得的药液压力，风机风量、喷雾角、喷头冠层距离等实际工作参数进行比较，在PID控制下调整喷雾机的喷雾过程，实现对喷雾机的实时控制。 

所述的外部信息感知模块主要包括二维超声波风速传感器、温湿度传感器和增量式旋转编码器；所述的二维超声波风速传感器用于测量田间作业环境下的自然风在拖拉机行走方向的水平风速和喷杆长度方向的水平风速；所述的温湿度传感器用于获取田间作业环境中空气的温度和湿度信息；所述的旋转编码器用于测量拖拉机后轮的转速，借助于后轮的直径大小计算出喷杆喷雾机的瞬时行进速度。 

所述的工作参数测量模块包括喷雾角传感器、药液流量传感器、药液压力传感器、风机流量传感器和超声波距离传感器；所述的喷雾角传感器用于测量风筒出口和喷嘴与垂直方向的夹角变化量；所述的药液流量传感器和药液压力传感器用于获取喷出药液的流量和压力信息；所述的风机流量传感器用于测量辅助气流在风助风筒进口处的风速，并换算为流经风筒的气流流量。风机流量传感器安装在轴流风机下方。所述的超声波距离传感器用于测量喷头与作物冠层的垂直距离。超声波距离传感器安装在喷杆两端，朝向正下方。 

所述的工作参数执行模块包括比例流量阀1、比例流量阀2、三位四通电磁阀1和三位四通电磁阀2；所述的比例流量阀1用于控制流经液压马达1的液压油流量进而控制轴流风机的转速从而改变进入风助风筒的气体流量；所述的比例流量阀2用于控制流经液压马达2的液压油流量进而控制隔膜泵的转速从而改变喷雾药液的流量和压力；所述的三位四通电磁阀1用于控制喷雾角大小。所述的三位四通电磁阀2用于控制喷杆高度的调节。 

所述的离线优化控制参数生成模块主要依据室内模拟试验所获取的试验数据，利用SVM回归方法实现对自然风风速、喷雾压力、喷雾角和风筒流量四个输入参数与飘失率和沉积率两个输出参数间映射的建模，应用该模型和多目标控制参数优化用于生成最优控制参数索引表，存储在SD卡中用于喷雾控制系统读取，作为最佳喷雾控制参数的依据。 

所述的精确喷雾控制器依据获取的二维自然风速、环境温湿度、机具行走速度等外部信息，对最 优控制参数索引表进行参数检索，计算出喷杆喷雾机在该状态下的最佳喷雾压力、风机流量、喷雾角和喷头与作物冠层间距，形成最佳喷雾控制参数决策。精确喷雾控制器调用相应的喷雾压力、风机流量、喷雾角和喷头与作物冠层间距的PID控制子程序，依据最佳喷雾控制参数，对工作参数测量模块测得的喷雾机的喷雾实际值进行调整，分别产生对液压及机械驱动部分的比例控制阀2、比例控制阀1、三位四通电磁阀1和三位四通电磁阀2的PID控制。 

所述的电气控制部分各模块之间通过CAN总线联接发送信息。 

一种喷雾补偿参数的离线计算方法，包括以下步骤： 

(1)进行室内模拟试验，获取多组样本数据 

选用正交设计安排试验标定方案。在整个量程内可以等值间隔获取多组学习样本，使学习样本覆盖整个喷杆喷雾机可以工作的测量范围。将自然风风速、喷雾流量、喷雾角和风筒进口风速为影响因素，以试验测定的雾滴飘失率、雾滴二次雾化均匀度和雾滴对作物冠层穿透性为评价指标，此处雾滴飘失率是雾滴飘失量和喷雾总量的比值，雾滴飘失量采用示踪剂含量测定法测定；雾滴二次雾化均匀度是雾滴数量中径与体积中径的比值，可依据国标GB／T15404—94显微镜测量法或激光粒谱仪测定雾滴直径大小，进而确定二次雾化均匀度；雾滴对作物冠层穿透性评价指标是雾滴在作物中下层沉积量与雾滴在作物上中下层沉积总量的比值，采用示踪剂含量测定法测定。根据喷杆喷雾机适宜工作的自然环境中最大风速，考虑实际喷雾控制要求，设定每个因素的水平为3-5。在试验标定中，为了减小测量误差，提高精度，定时以CPU内部定时为准，定时时间为1分钟。标定试验的数据形成训练样本，可以用于支持向量机回归的学习过程。由于支持向量机回归在小样本下仍然具有较高的泛化能力，训练后的支持向量机回归模型能实现对喷杆喷雾机工作特性的建模。 

(2)建立支持向量机回归模型 

采用上述标定试验获取的数据作为学习样本，首先对样本集进行归一化处理，x_i=(x_i-min(x))/(max(x)-min(x))。选择适当的核函数和超参数，设定初始正规化参数和核参数的参数值。用样本数据对支持向量机进行训练，选择正则化参数和核参数的网格搜索方法进行支持向量机回归最优模型选择，以获取支持向量集合和最优模型参数。建立以自然风风速、喷雾流量、喷雾角和风筒进口风速为输入量，雾滴飘失率、雾滴二次雾化均匀度和雾滴对作物冠层穿透性的评价指标为输出量的支持向量机回归模型。所述支持向量机回归由输入、核函数内积及输出函数组成，其非线性函数表达如下： 

$\hat{y}=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{i}k(x,x_i)$

式中：x_i是数据预处理后的特征。k(x,x_i)是核函数，一般可以选用RBF基函数、多项式基函数、Sigmoid 函数等。输出函数f(x)要学习的输入输出映射关系。α_i和b由训练样本经模型选择确定。 

这里需要说明的是，测量自然风在拖拉机行走方向的水平风速和喷杆方向的水平风速信息需要综合考虑加以计算，当量为机具行走方向的水平风速W，其中β可依据经验取0．1-0．5。 

W=w_行进方向+βw_喷杆方向

由于温度和湿度对雾滴蒸发过程有影响，因此需要作为一个控制参数决策时应考虑的因素，为处理方便将两种因素当量计算为T，作为对雾滴蒸发的当量值，该值无量纲，其中α可依据经验取0．5-1： 

(3)生成喷杆喷雾机优化控制参数参照表 

选择恰当的多目标函数：1）最小雾滴飘失率；2）最大雾滴二次雾化均匀度；3）最大雾滴对作物冠层穿透性。根据上述目标约束可以将多目标按照给定权重转化为单一目标优化问题如下： 

MinF=ω₁q+ω₂m+(1-ω₁-ω₂)p 

式中：q是支持向量机预测飘失率，m是雾滴二次雾化均匀度,p雾滴在作物中下层沉积量与雾滴在作物上中下层沉积总量的比值，ω₁，ω₂（0≤ω₁，ω₂≤1）为权重系数。选择遗传算法等方法优化上述目标函数。经过多次离线迭代优化，可以得到最优控制参数索引表，样表见表1。上述过程的实现可以应用高计算能力的计算机离线完成。 

表1优化控制参数样表 

本发明与现有技术相比其优点在于： 

(1)通过传感器感知大田作业动态环境信息，结合生成的喷杆喷雾机优化控制参数表，实施喷雾控制技术，使其能够最终根据大田作业动态环境变化，实时控制喷雾机的工作参数，实现喷雾减飘、良好的雾滴穿透性，增加雾滴在植株枝叶上的沉积效果。 

(2)本发明利用支持向量机对动态环境下喷雾的非线性特性建模，并通过多目标优化建立最优控制参数索引表，通过简单检索优化控制参数表就可实现喷雾过程的优化控制，解决了板载控制系统计算能力差和喷雾控制实时性要求高的问题，具有实现简单、实用有效的特点。 

(3)本发明既能在控制环节以最小的计算代价取得很好的喷雾效果，也能减小喷雾能量消耗，操 作简便，性能稳定且易于实现。 

附图说明

图1为本发明所提供的喷杆式喷雾机液压及机械驱动结构图； 

图2为本发明所提供的喷杆式喷雾机的控制系统的系统组成框图； 

图3为本发明所提供的喷杆式喷雾机的电气控制结构图； 

图4为本发明所提供的喷杆式喷雾机的喷雾离线最佳控制参数表生成过程的流程图； 

图5为本发明所提供的喷杆式喷雾机的喷雾控制实现过程的示意图； 

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 

如图1所示为喷杆式喷雾机液压及机械驱动结构图。拖拉机动力输出轴经花键轴与增速器联接，可使增速器输出轴转速增加至齿轮泵工作的额定转速，增速器输出轴经联轴器接入齿轮泵，齿轮泵的进油口经液压油管与油箱相连，齿轮泵的出油口经液压油管与比例流量阀2的油路输入端联接，比例流量阀2的输出端经油管与液压马达2的进油口固定联接；液压马达2的回油口与油箱相连。液压马达2的输出转轴经联轴器与隔膜泵联接；隔膜泵的进液口经药液管与药液箱联接，隔膜泵的出液口经药液管与多个喷头联接；隔膜泵在液压马达的驱动下从药液箱中将混合好的药液泵出，再将管路中的药液经药液压力驱动下由喷头喷出，形成扩散雾滴；拖拉机的液压输出装置经液压油管与比例流量阀1的输入端联接，比例流量阀1的输出端经液压油管与液压马达1的输入口联接，液压马达1经联轴器与轴流风机联接；轴流风机在液压马达的驱动下高速转动为风助风筒提供所需的风量。液压输出装置还经液压油管与三位四通电磁阀1的输入端联接，三位四通电磁阀1的输出端与喷雾角调整油缸的输入端联接、三位四通电磁阀1串联在液压油路中，用于完成喷雾角的连续调整。液压输出装置还经液压油管与三位四通电磁阀2的输入端联接，三位四通电磁阀2的输出端与喷杆的升降油缸的输入端联接、三位四通电磁阀2串联在液压油路中，用于在喷雾准备和结束阶段完成喷杆的高度调整。液压输出装置还经液压油管与三位四通手动阀的输入端联接，三位四通手动阀的输出端与喷杆的折叠油缸的输入端联接，三位四通手动阀串联在液压油路中，用于在喷雾准备和结束阶段完成喷杆折叠。 

如图2所示，喷杆喷雾机控制系统由外部信息感知模块、工作参数测量模块、工作参数执行模块、精确喷雾控制器和离线优化控制参数生成模块五部分组成。 

所述的外部信息感知模块主要包括二维超声波风速传感器、温湿度传感器和增量式旋转编码器；所述的二维超声波风速传感器用于测量田间作业环境下的自然风在拖拉机行走方向的水平风速和喷杆方向的水平风速；所述的温湿度传感器用于获取田间作业环境中空气的温度和湿度信息；所述的旋 转编码器用于测量拖拉机后轮的转速，借助于后轮的直径大小计算出喷杆喷雾机的瞬时行进速度。转速编码器可选用增量式旋转编码器。 

所述的工作参数测量模块包括喷雾角传感器、药液流量传感器、药液压力传感器、风机流量传感器和超声波距离传感器；所述的喷雾角传感器用于测量风筒出口和喷嘴与垂直方向的夹角变化量；所述的药液流量传感器和药液压力传感器用于获取喷出药液的流量和压力信息；所述的风机流量传感器用于测量辅助气流在风助风筒进口处的风速，并换算为流经风筒的气流流量。风机流量传感器安装在轴流风机下方。所述的超声波距离传感器用于测量喷头与作物冠层的垂直距离。超声波距离传感器安装在喷杆两端，朝向正下方。 

所述的工作参数执行模块包括比例流量阀1、比例流量阀2、三位四通电磁阀1和三位四通电磁阀2；所述的比例流量阀1用于控制轴流风机的转速改变进入风助风筒的气体流量；所述的比例流量阀2用于控制喷雾药液的流量和压力；所述的三位四通电磁阀1用于控制喷雾角大小。所述的三位四通电磁阀2用于控制喷杆高度的调节。 

所述的离线优化控制参数生成模块主要用于生成最优控制参数索引表，形成用于喷雾控制模块的控制策略。依据室内模拟试验所获取的试验数据，利用SVM回归方法实现对自然风风速、喷雾压力、喷雾角和风筒流量四个输入参数与飘失率和沉积率两个输出参数间映射的建模，应用该模型和多目标控制参数优化用于生成最优控制参数索引表，存储在SD卡中用于喷雾主控控制系统读取。该最优控制索引参数表的生成过程在计算机上离线实现。 

所述的精确喷雾控制器依据获取的二维自然风速、环境温湿度、机具行走速度等外部信息，对最优控制索引参数表进行参数检索，计算出该状态下的最佳喷雾压力、风机流量、喷雾角和喷头与作物冠层间距，形成最佳喷雾控制参数决策。精确喷雾控制器调用相应的喷雾压力、风机流量、喷雾角和喷头与作物冠层间距的PID控制子程序，首先读取上述参数在CAN总线上的最佳喷雾控制参数，然后分别产生对液压及机械驱动部分的比例控制阀2、比例控制阀1、三位四通电磁阀1和三位四通电磁阀2的PID反馈控制。 

如图3所示为喷杆式喷雾机的电气控制结构图。精确喷雾控制器采用ARM核心的32位RISC嵌入式处理器，系统通过LCD接口与具有触摸屏功能的彩色VGA联接，可用于显示喷杆喷雾机工作状态和控制参数设定。ARM还通过专用的CAN总线控制芯片SJA1000与驱动芯片PCA82C250组成精确喷雾控制器的CAN节点与CAN总线通讯，支持CAN规范的V2．0版本。本发明测量作业环境参数和工作参数的传感器均使用具有CAN总线接口的智能传感器。具体为：使用二维超声波风速传感器测量田间作业环境下的自然风在拖拉机行走方向的水平风速和喷杆方向的水平风速；温湿度传感器用于获取田间作业环境中空气的温度和湿度信息；使用增量式旋转编码器测量拖拉机后轮的转速，借助于后轮的直径大小计算出机具的瞬时行进速度。 

ARM通过SPI接口和D／A转换器与比例流量阀1联接，比例流量阀1的电气输入端与转换器联接、输出端与液压马达1固定联接；液压马达1经联轴器与轴流风机联接；轴流风机下方安装的风速传感器检测的风速信号经过CAN总线反馈到ARM；比例流量阀1的开度大小由ARM实时PID控制程序控制，用于调节所述风筒的流量。ARM还经另一路DA转换器与比例流量阀2联接，比例流量阀2的电气输入端与DA转换器联接、输出端与液压马达2固定联接；液压马达2经联轴器与隔膜泵联接；隔膜泵从药液箱中将混合好的药液吸出，经过安装在药液管路上的药液压力和流量传感器检测的压力和流量信号经过CAN总线反馈到ARM，管路中的药液在压力驱动下由喷头喷出，形成扩散雾滴；比例流量阀2的开度大小由ARM实时PID控制子程序控制，用于通过液压马达2的转速变化调节隔膜泵产生的药液压力，从而控制雾滴的直径大小。所述的ARM的GPIO经固态继电器与三位四通电磁阀1联接，三位四通电磁阀1的输入端与固态继电器的输出端联接、三位四通电磁阀1串联在液压油路中；安装在机架和喷杆间的角度传感器测量风筒出口和喷嘴与垂直方向的夹角变化量反馈到ARM；三位四通电磁阀1由ARM根据实际喷雾角的实时测量值和最佳值的差值，以最快响应完成喷雾角PID控制。所述的ARM的GPIO经固态继电器与三位四通电磁阀2联接，三位四通电磁阀2的输入端与固态继电器的输出端联接、三位四通电磁阀2串联在液压油路中；在喷杆正下方安装有超声波距离传感器，测量喷头与作物冠层的垂直距离反馈到ARM；三位四通电磁阀2由ARM根据实际喷头与作物冠层距离的实时控制喷雾距离，以最快响应完成喷头与作物冠层距离的PID控制。 

如图4所示为喷雾最佳控制参数表的建立方法流程图： 

(1)进行室内模拟试验，获取多组样本数据 

在支持向量机回归学习中，所收集的样本数据应该反映要解决问题的全部模式。选用正交设计安排试验标定方案。在整个量程内可以等值间隔获取多组学习样本，使学习样本覆盖整个喷杆喷雾机可以工作的测量范围。将自然风风速、喷雾流量、喷雾角和风筒进口风速为影响因素，以试验测定的雾滴飘失率、雾滴二次雾化均匀度和雾滴对作物冠层穿透性为评价指标，此处雾滴飘失率是雾滴飘失量和喷雾总量的比值，雾滴飘失量采用示踪剂含量测定法测定；雾滴二次雾化均匀度是雾滴数量中径与体积中径的比值，可依据国标GB／T15404—94显微镜测量法或激光粒谱仪测定雾滴直径大小，进而确定二次雾化均匀度；雾滴对作物冠层穿透性评价指标是雾滴在作物中下层沉积量与雾滴在作物上中下层沉积总量的比值，采用示踪剂含量测定法测定。根据喷杆喷雾机适宜工作的自然环境中最大风速，考虑实际喷雾控制要求，设定每个因素的水平为3-5。在试验标定中，为了减小测量误差，提高精度，定时以CPU内部定时为准，定时时间为1分钟。标定试验的数据形成训练样本，可以用于支持向量机回归的学习过程。由于支持向量机回归在小样本下仍然具有较高的泛化能力，训练后的支持向量机回归模型能实现对喷杆喷雾机工作特性的建模。 

(2)建立支持向量机回归模型 

采用上述标定试验获取的数据作为学习样本，首先对样本集进行归一化处理，x_i=(x_i-min(x))/(max(x)-min(x))。选择适当的核函数和超参数，设定初始正规化参数和核参数的参数值。用样本数据对支持向量机进行训练，选择正则化参数和核参数的网格搜索方法进行支持向量机回归最优模型选择，以获取支持向量集合和最优模型参数。建立以自然风风速、喷雾流量、喷雾角和风筒进口风速为输入量，飘失率和沉积率为输出量的支持向量机回归模型，此处采用示踪剂含量测定法测定飘失率和沉积率。所述支持向量机回归由输入、核函数内积及输出函数组成，其非线性函数表达如下： 

$\hat{y}=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{i}k(x,x_i)$

式中：x_i是数据预处理后的特征。k(x,x_i)是核函数，一般可以选用RBF基函数、多项式基函数、Sigmoid函数等。输出函数f(x)要学习的输入输出映射关系。α_i和b由训练样本经模型选择确定。 

这里需要说明的是，测量自然风在拖拉机行走方向的水平风速和喷杆方向的水平风速信息需要综合考虑加以计算，当量为机具行走方向的水平风速W，其中β可依据经验取0．1-0．5。 

W=w_行进方向+βw_喷杆方向

由于温度和湿度对雾滴蒸发过程有影响，因此需要作为一个控制参数决策时应考虑的因素，为处理方便将两种因素当量计算为T，作为对雾滴蒸发的当量值，该值无量纲，其中α可依据经验取0．5-1： 

(3)生成喷杆喷雾机优化控制参数参照表 

选择恰当的多目标函数：1）最小雾滴飘失率；2）最大雾滴二次雾化均匀度；3）最大雾滴对作物冠层穿透性。根据上述目标约束可以将多目标按照给定权重转化为单一目标优化问题如下： 

MinF=ω₁q+ω₂m+(1-ω₁-ω₂)p 

式中：q是支持向量机预测飘失率，m是雾滴二次雾化均匀度,p雾滴在作物中下层沉积量与雾滴在作物上中下层沉积总量的比值，ω₁，ω₂（0≤ω₁，ω₂≤1）为权重系数。选择遗传算法等方法优化上述目标函数。经过多次离线迭代优化，可以得到最优控制参数索引表，样表见表1。上述过程的实现可以应用高计算能力的计算机离线完成。 

表1优化控制参数样表 

设定值索引

控制参数

[0071] 

二维风速	温湿度	机具行走速度	药液压力	风机风量	喷雾角	喷头冠层距离
							3.0米／秒	0.6	3.7公里/小时	0.4MPa	200m3／min	0度	0.50米
...	...	...	...	...	...	...
							5.0米／秒	0.8	5.6公里/小时	0.5MPa	320m3／min	15度	0.45米
...	...	...	...	...	...	...

本实施例针对自然风速、温湿度等环境因素的变化通过喷雾机控制系统进行工作参数控制以修正外部环境因素对喷雾效果的影响，实现过程如图5所示， 

精确喷雾控制器上电复位后，系统初始化CAN总线通讯接口、VGA接口、控制器I／O口、SPI接口、D／A接口和PID控制程序，然后进入菜单主界面进入等待状态，直到用户按动“喷雾开始”按钮；精确喷雾控制器读取存储于SD卡中作业参数，然后启动CAN通讯程序，并开始收集传感器测量的自然风在拖拉机行走方向的水平风速、喷杆方向的水平风速、温湿度和机具行走速度。依据获取的上述信息，并检索最优控制索引参数表，获取喷雾压力、风机流量、喷雾角和喷头冠层距离等最佳控制参数。精确喷雾控制器从CAN总线上分别获取该喷雾压力、风机流量、喷雾角和喷头冠层距离的实际测量值，然后分别调用喷雾压力、风机流量、喷雾角和喷头冠层距离的PID控制子程序。相关的参数信息则通过CAN总线发回精确喷雾系统，通过LCD进行显示。上述过程一直循环下去，直到用户按下“喷雾停止”按钮，精确喷雾控制器工作结束。 

根据实验结果，使用上述考虑自然环境动态变化和基于优化控制参数表的喷雾控制后，减小了雾滴飘失率，提高了雾滴在作物中下层沉积率，减少了机具能量消耗。本实施例克服了板载控制系统计算能力差和喷雾控制实时性要求高的缺点，利用支持向量机对动态环境下喷雾的非线性特性建模，并通过多目标优化建立最优控制参数索引表，有效提高了喷雾系统的稳定性，保证了喷雾效果。 

Claims (1)

1.一种喷杆喷雾机控制系统，其特征在于包括：液压及机械驱动部分和电气控制部分；

所述的液压及机械驱动部分包括拖拉机液压输出装置和动力输出轴、比例流量阀1、三位四通电磁阀1、三位四通电磁阀2、三位四通手动阀、液压马达1、喷雾角调整油缸、升降油缸、折叠油缸、轴流风机、风助风筒以及增速器、齿轮泵、比例流量阀2、液压马达2、隔膜泵、药液箱、喷头；拖拉机通过液压输出装置和动力输出轴分别为喷杆喷雾机提供了液压动力源；

所述的拖拉机动力输出轴经花键轴与增速器联接，可使增速器输出轴转速增加至齿轮泵工作的额定转速，增速器输出轴经联轴器接入齿轮泵，齿轮泵的进油口经液压油管与油箱相连，齿轮泵的出油口经液压油管与比例流量阀2的油路输入端联接，比例流量阀2的输出端经油管与液压马达2的进油口固定联接；液压马达2的回油口与油箱相连；液压马达2的输出转轴经联轴器与隔膜泵联接；隔膜泵的进液口经药液管与药液箱联接，隔膜泵的出液口经药液管与多个喷头联接；隔膜泵在液压马达的驱动下从药液箱中将混合好的药液泵出，再将管路中的药液经药液压力驱动下由喷头喷出，形成扩散雾滴；

所述的液压输出装置经液压油管与比例流量阀1的输入端联接，比例流量阀1的输出端经液压油管与液压马达1的输入口联接，液压马达1经联轴器与轴流风机联接；轴流风机在液压马达的驱动下高速转动为风助风筒提供所需的风量；所述液压输出装置还经液压油管与三位四通电磁阀1的输入端联接，三位四通电磁阀1的输出端与喷雾角调整油缸的输入端联接、三位四通电磁阀1串联在液压油路中，用于完成喷雾角的连续调整；所述液压输出装置还经液压油管与三位四通电磁阀2的输入端联接，三位四通电磁阀2的输出端与喷杆的升降油缸的输入端联接、三位四通电磁阀2串联在液压油路中，用于在喷雾准备和结束阶段完成喷杆的高度调整；所述液压输出装置还经液压油管与三位四通手动阀的输入端联接，三位四通手动阀的输出端与喷杆的折叠油缸的输入端联接，三位四通手动阀串联在液压油路中，用于在喷雾准备和结束阶段完成喷杆折叠；

所述的电气控制部分包括外部信息感知模块、工作参数测量模块、工作参数执行模块、精确喷雾控制器和离线优化控制参数生成模块；其中，所述的外部信息感知模块用于实时测量田间作业环境信息作为喷雾参数调整的决策依据，所述的田间作业环境信息主要包括喷杆喷雾机二维风速、温湿度和机具行走速度；所述的工作参数测量模块用于实时测量实际工作参数，所述的实际工作参数主要包括喷杆喷雾机的药液压力、风机风量、喷雾角和喷头冠层距离；所述的田间作业环境信息和实际工作参数均通过CAN总线发送给精确喷雾控制器；所述的离线优化控制参数生成模块用于生成最优控制参数索引表，最优控制参数索引表可以存储于SD卡中，由精确喷雾控制器读取，作为形成最佳喷雾控制参数策略的依据；所述的精确喷雾控制器依据获取的田间环境的外部信息，对最优控制参数索引表进行参数检索，并根据此参数计算出适用于该状态下的喷雾压力、风机流量、喷雾角和喷头与作物冠层间距的最佳控制参数，进行最佳喷雾控制参数决策，并与实际工作参数进行比较，在PID控制下调整喷雾机的喷雾过程，实现对喷雾机的实时控制；

所述的外部信息感知模块主要包括二维超声波风速传感器、温湿度传感器和增量式旋转编码器；所述的二维超声波风速传感器用于测量田间作业环境下的自然风在拖拉机行走方向的水平风速和喷杆长度方向的水平风速；所述的温湿度传感器用于获取田间作业环境中空气的温度和湿度信息；所述的旋转编码器用于测量拖拉机后轮的转速，借助于后轮的直径大小计算出喷杆喷雾机的瞬时行进速度；

所述的工作参数测量模块包括喷雾角传感器、药液流量传感器、药液压力传感器、风机流量传感器和超声波距离传感器；所述的喷雾角传感器用于测量风筒出口和喷嘴与垂直方向的夹角变化量；所述的药液流量传感器和药液压力传感器用于获取喷出药液的流量和压力信息；所述的风机流量传感器用于测量辅助气流在风助风筒进口处的风速，并换算为流经风筒的气流流量；风机流量传感器安装在轴流风机下方；所述的超声波距离传感器用于测量喷头与作物冠层的垂直距离；超声波距离传感器安装在喷杆两端，朝向正下方；

所述的工作参数执行模块包括比例流量阀1、比例流量阀2、三位四通电磁阀1和三位四通电磁阀2；所述的比例流量阀1用于控制流经液压马达1的液压油流量进而控制轴流风机的转速从而改变进入风助风筒的气体流量；所述的比例流量阀2用于控制流经液压马达2的液压油流量进而控制隔膜泵的转速从而改变喷雾药液的流量和压力；所述的三位四通电磁阀1用于控制喷雾角大小；所述的三位四通电磁阀2用于控制喷杆高度的调节；

所述的离线优化控制参数生成模块主要依据室内模拟试验所获取的试验数据，利用SVM回归方法实现对自然风风速、喷雾压力、喷雾角和风筒流量四个输入参数与飘失率和沉积率两个输出参数间映射的建模，应用该模型和多目标控制参数优化用于生成最优控制参数索引表，存储在SD卡中用于喷雾控制系统读取，作为最佳喷雾控制参数的依据；

所述的精确喷雾控制器依据获取的二维自然风速、环境温湿度、机具行走速度等外部信息，对最优控制参数索引表进行参数检索，计算出喷杆喷雾机在该状态下的最佳喷雾压力、风机流量、喷雾角和喷头与作物冠层间距，形成最佳喷雾控制参数决策；精确喷雾控制器调用相应的喷雾压力、风机流量、喷雾角和喷头与作物冠层间距的PID控制子程序，依据最佳喷雾控制参数，对工作参数测量模块测得的喷雾机的喷雾实际值进行调整，分别产生对液压及机械驱动部分的比例控制阀2、比例控制阀1、三位四通电磁阀1和三位四通电磁阀2的PID控制；

所述的电气控制部分各模块之间通过CAN总线联接发送信息。

Images