CN103488195B - 一种建立pwm喷雾流量模型的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建立PWM喷雾流量模型的方法及装置。在预先设定的喷雾条件下采集喷头喷雾瞬时压力，依据喷头喷雾瞬时压力与喷头喷雾瞬时流量关系经卡尔曼滤波及梯形积分后得到喷头喷雾平均流量，由PWM占空比及对应喷头平均流量经自动分段线性拟合方法建立PWM喷雾流量模型。其装置包括供压稳压单元、喷雾流量调节单元和信号采集处理单元。本发明通过PWM占空比与喷雾喷头压力数据快速建立喷雾流量模型，在工厂化生产装备及田间喷雾工作中能快速、在线完成针对某种电磁阀与喷头组合的流量模型生成，为精量喷雾提供定量依据，从而减少喷雾药液使用量。

Description

一种建立PWM喷雾流量模型的装置

技术领域

本发明所涉及PWM喷雾流量模型的方法及装置，尤其是涉及农业工程领域中的一种建立PWM喷雾流量模型的方法及装置。

背景技术

传统粗犷式喷雾方式使大量雾滴被误喷到作物周围土壤的表层，致使土壤板结和“3s”即残留residuce、害物再猖獗resurgence和害物的抗药性resistance等环境问题日益加剧，同时过量的农药化肥残留在农作物上又会引发食品安全问题，然而为了保证粮食稳产、增产又不得不施用化学药剂。变流量喷雾施药是减少农作业中药液使用量的重要研究方向。由于通过PWM技术调节电磁阀实现流量控制对喷雾粒径及雾滴分布状态影响不大，因此该技术已成为实现变流量喷雾的重要技术手段。基于PWM技术进行喷雾流量控制，喷雾流量模型是必不可少的。目前有通过二次回归正交组合设计建立了针对指定喷头的喷雾压力、PWM频率、PWM占空比和流量的回归方程，建立平均流量实验结果常常通过烧杯称量一段时间内喷头喷出雾滴质量，这些装置及方法完成流量模型过程较为繁杂实验结果易受干扰，在工厂化生产装备及田间喷雾工作中不能快速、在线完成针对某种电磁阀与喷头组合的流量模型生成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种建立PWM喷雾流量模型的方法及装置，旨在实现植保作业过程中PWM喷雾流量模型建立，为定量控制喷雾提供控制依据，从而达到减少农药使用量，缓解由于长期以来粗放施用农药的所带来的环境及食品安全问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一、一种建立PWM喷雾流量模型的方法：

在预先设定的喷雾条件下采集喷头喷雾瞬时压力，依据喷头喷雾瞬时压力与喷头喷雾瞬时流量关系经卡尔曼滤波及梯形积分后得到喷头喷雾平均流量，由PWM占空比及对应喷头平均流量经自动分段线性拟合方法建立PWM喷雾流量模型。

所述的自动分段线性拟合方法是依据电磁阀与喷头组合后具有的流量特性而设计的：

设PWM占空比d为d_min时电磁阀响应动作，PWM占空比以t为步长进行采样实验获得对应的喷头喷雾平均流量q_m，直至PWM占空比到100%时停止实验采样，将采样PWM占空比及其对应喷头喷雾平均流量作为数据点集合M，存在二个数据点集合M1、M2，其中M1作为第一段函数拟合数据点集合，M2作为第二段函数拟合数据点集合，实现数据的自动分段拟合过程的步骤如下：

1）初始时令数据点集合M1=M，数据点集合M2为空集，设置数据点集合M1对应拟合第一段函数q_m=kd+b，k、b为第一段拟合函数参数，设置数据点集合M2对应拟合第二段函数q_m=c，c为第二段拟合函数参数；

2）通过最小二乘法，由数据点集合M1拟合确定第一段函数参数，数据点集合M1空集时无需计算，由数据点集合M2拟合确定第二段函数参数数据点集合，数据点集合M2空集时无需计算，计算该方案下分段模型的判定系数R²值；

3）将数据点集合M1中最大占空比及其对应的喷头喷雾平均流量数据移入数据点集合M2中，重复步骤2）直至数据点集合M1为空集时停止，输出所有方案中模型的判定系数R²最大的模型作为最佳拟合方案。

二、一种快速建立PWM喷雾流量模型的装置，包括供压稳压单元、喷雾流量调节单元和信号采集处理单元，其中：

1）压稳压单元：包括药箱、过滤器、三缸柱塞泵、三相电机、蓄能器、安全阀、调压溢流阀、排气阀、精细过滤器、第一球阀、数显涡轮流量计和数显压力计；与三相电机连接的三缸柱塞泵的进油口经过滤器接入药箱内，三缸柱塞泵的出油口经蓄能器、排气阀、精细过滤器、第一球阀、数显涡轮流量计和数显压力计后，与喷雾流量调节单元中的单向阀进水口连接，蓄能器和药箱回路中分别设有的调压溢流阀和安全阀，调压溢流阀和安全阀并联连接；

2）喷雾流量调节单元：均包括单向阀、第二球阀、压力变送器、喷头和高速电磁阀；单向阀一路的出水口经高速电磁阀和压力变送器后接压力喷头，单向阀另一路的出水口经第二球阀和压力变送器后接喷头；

3）信号采集处理单元：包括计算机、数字示波器和PWM信号控制器；计算机与数字示波器电连接，PWM控制器与高速电磁阀电连接，数字示波器的一组采集探针采集PWM控制器输出电压，数字示波器的另一组采集探针采集压力变送器输出电压。

本发明具有的有益效果是：

本发明通过PWM占空比与喷雾喷头压力数据快速建立喷雾流量模型，在工厂化生产装备及田间喷雾工作中能快速、在线完成针对某种电磁阀与喷头组合的流量模型生成，为精量喷雾提供定量依据，从而减少喷雾药液使用量。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是本发明装置的结构示意图。

图3是PWM控制信号电压与喷头瞬时流量变化关系。

图4是为PWM控制信号电压与滤波后喷头瞬时流量变化关系。

图5是PWM占空比与喷雾流量实验数据分段拟合图。

图中：1、药箱，2、过滤器，3、三缸柱塞泵，4、三相电机，5、蓄能器，6、安全阀，7、调压溢流阀，8、排气阀，9、精细过滤器，10、第一球阀，11、数显涡轮流量计，12、数显压力计，13、计算机，14、数字示波器，15、PWM控制器，16、单向阀，17、第二球阀，18、压力变送器，19、喷头，20、高速电磁阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明包括供压稳压单元、喷雾流量调节单元和信号采集处理单元，其中：

1）压稳压单元：包括药箱1、过滤器2、三缸柱塞泵3、三相电机4、蓄能器5、安全阀6、调压溢流阀7、排气阀8、精细过滤器9、第一球阀10、数显涡轮流量计11和数显压力计12；与三相电机4连接的三缸柱塞泵3的进油口经过滤器2接入药箱1内，三缸柱塞泵3的出油口经蓄能器5、排气阀8、精细过滤器9、第一球阀10、数显涡轮流量计11和数显压力计12后，与喷雾流量调节单元中的单向阀16进水口连接，蓄能器5和药箱1回路中分别设有的调压溢流阀7和安全阀6，调压溢流阀7和安全阀6并联连接。

2）喷雾流量调节单元：均包括单向阀16、第二球阀17、压力变送器18、喷头19和高速电磁阀20；单向阀16一路的出水口经高速电磁阀20和压力变送器18后接压力喷头19，单向阀16另一路的出水口经第二球阀17和压力变送器18后接喷头19。

3）信号采集处理单元：包括计算机13、数字示波器14和PWM信号控制器15；计算机13与数字示波器14电连接，PWM控制器15与高速电磁阀20电连接，数字示波器14的一组采集探针采集PWM控制器15输出电压，数字示波器14的另一组采集探针采集压力变送器18输出电压。

如图1所示，一种建立PWM喷雾流量模型的方法，在预先设定的喷雾条件下采集喷头喷雾瞬时压力，依据喷头喷雾瞬时压力与喷头喷雾瞬时流量关系经卡尔曼滤波及梯形积分后得到喷头喷雾平均流量，由PWM占空比及对应喷头平均流量经自动分段线性拟合方法建立PWM喷雾流量模型。

当采用传统喷头喷施，药液流量是和压力的平方根、药液流体性质及喷头的几何形状参数成比例的，而在一般喷雾作业过程中喷雾药液及所用喷头是固定不变的，因此可以得到以下关系：

$q/\sqrt{p}=C$

其中q为喷头喷雾瞬时流量，p为喷头喷雾瞬时压力，C为喷头决定系数。

要获得更加准确的流量则必须获得准确的压力数据，虽然压力数据采集过程中有防干扰措施但是仍避免不了数据噪声的产生，通过卡尔曼滤波方法可以进一步提高压力数据获取精度。

建立的喷雾流量模型为：

$q_{k+1}=C(\sqrt{p_k}+\sqrt{p_{k+1}})\mathrm{dt}/2\left(1\right)$

其中pk为k时刻的喷头喷雾瞬时压力，qk为k时刻的喷头喷雾瞬时流量，dt为采样间隔时间。

其中pk＝4(uk-1)代入(1)式得到：

$q_{k+1}=C(\sqrt{u_k-1}+\sqrt{u_{k+1}-1})\mathrm{dt}---\left(2\right)$

u_k为k时刻数字示波器通道1采集的采样电阻两端电压。采样电压u_k与压力p_k之间关系如下：

p_k＝p_m(u_k-V_min)/(V_max-V_min)

其中p_m为压力传感器测试量程值，取p_m=1.5MPa，V_min为压力传感器的量程最小值时采样电阻输出电压值，取V_min=1V，V_max为压力传感器的量程最大值时采样电阻输出电压值，取V_max=5V。

获取系统状态变量：

X=[u]

状态方程为：

X_k+1=AX_k+W_k

在此可以认为电压保持不变A=1，W_k为协方差为Q的系统噪声。

系统测量方程为：

Z_k=HX_k+V_k

其中H=1，V_k为协方差为R的测量噪声。

（1）滤波初始化：

假设系统初始压力为p₀，估计值方差为P₀。

（2）预测：

X_k+1,k=X_k,k

X_k+1,k为由k时刻预测k+1时刻的值。

X_k,k为k时刻的最优估计值。

P_k+1,k=P_k+Q

P_k+1,k为k+1时刻预测值方差。

P_k为k时刻估计值方差。

（3）更新：

K_k+1=P_k+1,k/(P_k+1,k+R)

K_k+1为k+1时刻的卡尔曼增益。

X_k+1,k+1=X_k+1,k+K_k+1(Z_k+1-X_k+1,k)

X_k+1,k+1为k+1时刻系统的估计值。

系统的k+1时刻估计值方差为：

P_k+1,k+1=P_k+1,k(1-K_k)

喷头流量随电磁阀动作发生周期性变化，即由一个周期内的喷头喷雾瞬时流量数据通过梯形积分平均后得到喷头喷雾平均流量q_m。

q_m＝∫qdt/T

其中T为脉冲周期。

所述的自动分段线性拟合方法是依据电磁阀与喷头组合后具有的流量特性而设计的：

设PWM占空比d为d_min时电磁阀响应动作，PWM占空比以t为步长进行采样实验获得对应的喷头喷雾平均流量q_m，直至PWM占空比到100%时停止实验采样，将采样PWM占空比及其对应喷头喷雾平均流量作为数据点集合M，存在二个数据点集合M1、M2，其中M1作为第一段函数拟合数据点集合，M2作为第二段函数拟合数据点集合，实现数据的自动分段拟合过程的步骤如下：

1）初始时令数据点集合M1=M，数据点集合M2为空集，设置数据点集合M1对应拟合第一段函数q_m=kd+b，k、b为第一段拟合函数参数，设置数据点集合M2对应拟合第二段函数q_m=c，c为第二段拟合函数参数；

2）通过最小二乘法，由数据点集合M1拟合确定第一段函数参数，数据点集合M1空集时无需计算，由数据点集合M2拟合确定第二段函数参数数据点集合，数据点集合M2空集时无需计算，计算该方案下分段模型的判定系数R²值；

3）将数据点集合M1中最大占空比及其对应的喷头喷雾平均流量数据移入数据点集合M2中，重复步骤2）直至数据点集合M1为空集时停止，输出所有方案中模型的判定系数R²最大的模型作为最佳拟合方案。

在0.3MPa条件下，喷头选择型号为H-VV9515（美国喷雾公司），高速电磁阀选择为（ZCB，重庆柯思阀门有限公司），在占空比为30%时数字示波器采集、处理得到的PWM控制信号电压及喷头瞬时流量数据如图3所示，图4为经过卡尔曼滤波处理的喷头瞬时流量数据及PWM控制信号电压，图5为占空比与喷头平均流量的采样数据点及进行分段自动拟合后的模型分布关系，d_min取4%，模型的判定系数R²为0.995，满足流量控制精度要求，流量模型如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{q}_m=0.003936d+0.1565& (4<=d<=66)\\ q_m=0.4168& (66<d<=100)\end{array}\right..$

Claims (1)

1.一种建立PWM喷雾流量模型的装置，该装置的方法是，在预先设定的喷雾条件下采集喷头喷雾瞬时压力，依据喷头喷雾瞬时压力与喷头喷雾瞬时流量关系经卡尔曼滤波及梯形积分后得到喷头喷雾平均流量，由PWM占空比及对应喷头平均流量经自动分段线性拟合方法建立PWM喷雾流量模型；

所述的自动分段线性拟合方法是依据电磁阀与喷头组合后具有的流量特性而设计的：

设PWM占空比d为d_min时电磁阀响应动作，PWM占空比以t为步长进行采样实验获得对应的喷头喷雾平均流量q_m，直至PWM占空比到100%时停止实验采样，将采样PWM占空比及其对应喷头喷雾平均流量作为数据点集合M，存在二个数据点集合M1、M2，其中M1作为第一段函数拟合数据点集合，M2作为第二段函数拟合数据点集合，实现数据的自动分段拟合过程的步骤如下：

1）初始时令数据点集合M1=M，数据点集合M2为空集，设置数据点集合M1对应拟合第一段函数q_m=kd+b，k、b为第一段拟合函数参数，设置数据点集合M2对应拟合第二段函数q_m=c，c为第二段拟合函数参数；

2）通过最小二乘法，由数据点集合M1拟合确定第一段函数参数，数据点集合M1空集时无需计算，由数据点集合M2拟合确定第二段函数参数数据点集合，数据点集合M2空集时无需计算，计算该方案下分段模型的判定系数R²值；

3）将数据点集合M1中最大占空比及其对应的喷头喷雾平均流量数据移入数据点集合M2中，重复步骤2）直至数据点集合M1为空集时停止，输出所有方案中模型的判定系数R²最大的模型作为最佳拟合方案；

其特征在于：该方法的装置，包括供压稳压单元、喷雾流量调节单元和信号采集处理单元，其中：

1）供压稳压单元：包括药箱（1）、过滤器（2）、三缸柱塞泵（3）、三相电机（4）、蓄能器（5）、安全阀（6）、调压溢流阀（7）、排气阀（8）、精细过滤器（9）、第一球阀（10）、数显涡轮流量计（11）和数显压力计（12）；与三相电机（4）连接的三缸柱塞泵（3）的进油口经过滤器（2）接入药箱（1）内，三缸柱塞泵（3）的出油口经蓄能器（5）、排气阀（8）、精细过滤器（9）、第一球阀（10）、数显涡轮流量计（11）和数显压力计（12）后，与喷雾流量调节单元中的单向阀（16）进水口连接，蓄能器（5）和药箱（1）回路中分别设有的调压溢流阀（7）和安全阀（6），调压溢流阀（7）和安全阀（6）并联连接；

2）喷雾流量调节单元：均包括单向阀（16）、第二球阀（17）、压力变送器（18）、喷头（19）和高速电磁阀（20）；单向阀（16）一路的出水口经高速电磁阀（20）和压力变送器（18）后接压力喷头（19），单向阀（16）另一路的出水口经第二球阀（17）和压力变送器（18）后接喷头（19）；

3）信号采集处理单元：包括计算机（13）、数字示波器（14）和PWM信号控制器（15）；计算机（13）与数字示波器（14）电连接，PWM控制器（15）与高速电磁阀（20）电连接，数字示波器（14）的一组采集探针采集PWM控制器（15）输出电压，数字示波器（14）的另一组采集探针采集压力变送器（18）输出电压。