CN103583500B - 高精度农用变量喷雾装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高精度农用变量喷雾装置及其控制方法，其装置包括行走平台和药箱，行走平台上通过支架支撑有喷管，在药箱和喷管之间依次通过水泵、电动调节阀、流量传感器和压力传感器连接形成一喷雾管道，在行走平台上还安装有PLC控制柜和电源箱，PLC控制柜通过流量传感器和压力传感器获取喷雾管道中的流量值和压力值，从而控制水泵的转速和电动调节阀的开度。其显著效果是：通过PLC控制柜控制水泵的转速和电动调节阀的开度，保证喷管喷头按照恒流恒压向外喷射药物，控制算法中利用了PID调节思想，结合行走平台的匀速运行，保证了农作物喷药的均匀，降低了农药残留，实现了农药喷雾高精度变量控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种喷雾装置，具体地讲，是一种高精度农用变量喷雾装置及其控制方法。
背景技术
目前，农田药物喷洒的主要装置主要有手摇式喷雾器和大型的喷雾装置，在面积较小的农田喷雾过程中，大型喷雾装置成本高，药量浪费严重，容易造成环境污染甚至农药残留超标。而手摇式喷雾器因为结构过于简单，容易因为人为因素造成药物漏喷或者喷雾不均匀的情况，难以实现精确调节。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种高精度农用变量喷雾装置，通过自动化控制实现高精度喷雾作业，保证药物喷撒均匀，降低药物残留，从而满足环保型农业标准。
为达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种高精度农用变量喷雾装置，其关键在于：包括行走平台和安装在该行走平台上的药箱，所述行走平台上通过支架支撑有喷管，在药箱和喷管之间依次通过水泵、电动调节阀、流量传感器和压力传感器连接形成一喷雾管道，在行走平台上还安装有PLC控制柜和电源箱，所述PLC控制柜通过所述流量传感器和压力传感器获取喷雾管道中的流量值和压力值，从而控制所述水泵的转速和电动调节阀的开度，所述电源箱用于所述行走平台上的用电设备供电。
行走平台可匀速运动，PLC控制柜通过流量传感器和压力传感器监测喷雾管道中的喷雾参数来控制水泵的转速和电动调节阀的开度，从而实现喷管向外喷射的药物均匀分布，避免了漏喷或者过喷现象，减少农药残留，降低了环境污染。
作为进一步描述，所述行走平台设置有4个行走轮和一块安装基板，通过电机带动行走轮匀速移动，也可以通过其他推拉设备保证行走平台匀速移动。
结合具体的田间结构，所述喷管从行走平台上的支架向左、右两端水平延伸，在喷管左、右两端的延伸段上均匀分布有多个喷嘴。
为了便于控制，所述电动调节阀为电动PI调节阀。
结合上述系统结构的描述，为了使喷射药物的变量控制，本发明还提供了一种高精度农用变量喷雾装置的控制方法，主要按照以下步骤进行：
步骤1：开始运行，在PLC控制柜中设定流量期望值Ls、压力期望值Ps、比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd以及计算器i=0；
步骤2：PLC控制柜按照占空比d=d0和电压u=u(0)分别控制所述水泵和电动调节阀的电机工作,d0为占空比初始值，u(0)为电压初值；
步骤3：PLC控制柜通过所述压力传感器和流量传感器分别采集喷雾管道中的压力P(i)和流量L(i)；
步骤4：判断是否满足|Ps-P(i)|≤0.05；如果满足，则认为压力调节已经达到预设的期望值，进入步骤5；如果不满足，则认为喷雾管道中的液压过低，通过设置占空比d=d+Δd来增加水泵的转速，然后更新计数器i=i+1，返回步骤3继续采样，Δd为占空比增量；
步骤5：判断是否满足计数器i>3，如果满足，则进入步骤6；如果不满足，则更新计数器i=i+1，返回步骤3继续采样；
步骤6：PLC控制柜按照u(k)=Kp*e(k)-Ki*e(k-1)+Kd*e(k-2)控制电动调节阀的电机工作，其中e(k)=Ls-L(i),e(k-1)=Ls-L(i-1),e(k-2)=Ls-L(i-2),L(i)为当前时刻的流量值，L(i-1)为上一时刻的流量值，L(i-2)为上上时刻的流量值；
步骤7：判断是否满足|Ls-L(i)|≤0.05，如果满足，则认为流量调节已经达到预设的期望值，结束控制流程；如果不满足，则认为喷雾管道中的流量过少，通过更新计数器i=i+1，返回步骤3继续采样循环进行。
结合具体的一种应用场景，所述步骤1中，设定流量期望值Ls=2.2L/min、压力期望值Ps=0.3Mpa、比例系数Kp=10、积分系数Ki=0.1、微分系数Kd=0.2；
所述步骤2中，占空比初始值d0=10%，电压初值u(0)=1.2V；
所述步骤4中，占空比增量Δd=5%。
本发明的显著效果是：通过PLC控制柜控制水泵的转速和电动调节阀的开度，保证喷管喷头按照恒流恒压向外喷射药物，控制算法中利用了PID调节思想，结合行走平台的匀速运行，保证了农作物喷药的均匀，降低了农药残留，实现了农药喷雾高精度变量控制。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为图1中各个设备在行走平台上的布局图；
图3为本发明的控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
如图1-图2所示，一种高精度农用变量喷雾装置，包括行走平台1和安装在该行走平台1上的药箱4，所述行走平台1上通过支架2支撑有喷管3，在药箱4和喷管3之间依次通过水泵5、电动调节阀6、流量传感器7和压力传感器8连接形成一喷雾管道，在行走平台1上还安装有PLC控制柜9和电源箱10，所述PLC控制柜9通过所述流量传感器7和压力传感器8获取喷雾管道中的流量值和压力值，从而控制所述水泵5的转速和电动调节阀6的开度，所述电源箱10用于所述行走平台1上的用电设备供电。
在具体实施过程中，所述行走平台1设置有4个行走轮和一块安装基板，通过电机带动行走轮匀速移动，支架2、药箱4、水泵5、电动调节阀6、PLC控制柜9以及电源箱10均安装在所述安装基板上，喷管3从行走平台1上的支架2向左、右两端水平延伸，在喷管3左、右两端的延伸段上均匀分布有多个喷嘴，所述电动调节阀6为电动PI调节阀，流量传感器7为霍尔水流传感器，压力传感器8采用陶瓷膜片，电源箱10采用蓄电池供电，PLC控制柜9中嵌入有PID的调节模块。
如图3所示，基于PLC控制柜9实现的一种高精度农用变量喷雾装置的控制方法，按照以下步骤进行：
步骤1：开始运行，在PLC控制柜9中设定流量期望值Ls、压力期望值Ps、比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd以及计算器i=0；
步骤2：PLC控制柜9按照占空比d=d0和电压u=u(0)分别控制所述水泵5和电动调节阀6的电机工作,d0为占空比初始值，u(0)为电压初值；
步骤3：PLC控制柜9通过所述压力传感器8和流量传感器7分别采集喷雾管道中的压力P(i)和流量L(i)；
步骤4：判断是否满足|Ps-P(i)|≤0.05；如果满足，则认为压力调节已经达到预设的期望值，进入步骤5；如果不满足，则认为喷雾管道中的液压过低，通过设置占空比d=d+Δd来增加水泵5的转速，然后更新计数器i=i+1，返回步骤3继续采样，Δd为占空比增量；
步骤5：判断是否满足计数器i>3，如果满足，则进入步骤6；如果不满足，则更新计数器i=i+1，返回步骤3继续采样；
步骤6：PLC控制柜9按照u(k)=Kp*e(k)-Ki*e(k-1)+Kd*e(k-2)控制电动调节阀6的电机工作，其中e(k)=Ls-L(i),e(k-1)=Ls-L(i-1),e(k-2)=Ls-L(i-2),L(i)为当前时刻的流量值，L(i-1)为上一时刻的流量值，L(i-2)为上上时刻的流量值；
步骤7：判断是否满足|Ls-L(i)|≤0.05，如果满足，则认为流量调节已经达到预设的期望值，结束控制流程；如果不满足，则认为喷雾管道中的流量过少，通过更新计数器i=i+1，返回步骤3继续采样循环进行。
在具体实施过程中，所述步骤1中，设定流量期望值Ls=2.2L/min、压力期望值Ps=0.3Mpa、比例系数Kp=10、积分系数Ki=0.1、微分系数Kd=0.2；步骤2中，占空比初始值d0=10%，电压初值u(0)=1.2V；步骤4中，占空比增量Δd=5%。
通过上述系统结构及其相应的控制方法可以发现，PLC控制柜9先通过调整PWM控制信号的占空比对水泵5的电机转速进行控制，喷雾管道中液体保持在预设的期望水压范围内，接着利用PID调节算法对电动调节阀6的阀门开度进行调整，使得喷雾管道中液体流量达到预设的范围，通过两重循环调整，保证了喷管3所喷出的药物匀速稳定。
最后应说明的是：本实施例仅是本发明的最佳加工、组装与使用方法，并非对本发明做任何形式上的限制；凡依据本发明的组装、结构作任何形式的简单修改，均属于本发明的技术范围之内。
Claims (2)
1.一种高精度农用变量喷雾装置的控制方法，其装置包括行走平台(1)和安装在该行走平台(1)上的药箱(4)，所述行走平台(1)上通过支架(2)支撑有喷管(3)，在药箱(4)和喷管(3)之间依次通过水泵(5)、电动调节阀(6)、流量传感器(7)和压力传感器(8)连接形成一喷雾管道，在行走平台(1)上还安装有PLC控制柜(9)和电源箱(10)，所述PLC控制柜(9)通过所述流量传感器(7)和压力传感器(8)获取喷雾管道中的流量值和压力值，从而控制所述水泵(5)的转速和电动调节阀(6)的开度，所述电源箱(10)用于所述行走平台(1)上的用电设备供电，特征在于，该装置按照以下步骤进行控制：
步骤1：开始运行，在PLC控制柜(9)中设定流量期望值Ls、压力期望值Ps、比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd以及计算器i＝0；
步骤2：PLC控制柜(9)按照占空比d＝d0和电压u＝u(0)分别控制所述水泵(5)和电动调节阀(6)的电机工作,d0为占空比初始值，u(0)为电压初值；
步骤3：PLC控制柜(9)通过所述压力传感器(8)和流量传感器(7)分别采集喷雾管道中的压力P(i)和流量L(i)；
步骤4：判断是否满足|Ps-P(i)|≤0.05；如果满足，则认为压力调节已经达到预设的期望值，进入步骤5；如果不满足，则认为喷雾管道中的液压过低，通过设置占空比d＝d+Δd来增加水泵(5)的转速，然后更新计数器i＝i+1，返回步骤3继续采样，Δd为占空比增量；
步骤5：判断是否满足计数器i>3，如果满足，则进入步骤6；如果不满足，则更新计数器i＝i+1，返回步骤3继续采样；
步骤6：PLC控制柜(9)按照u(k)＝Kp*e(k)-Ki*e(k-1)+Kd*e(k-2)控制电动调节阀(6)的电机工作，其中e(k)＝Ls-L(i),e(k-1)＝Ls-L(i-1),e(k-2)＝Ls-L(i-2),L(i)为当前时刻的流量值，L(i-1)为上一时刻的流量值，L(i-2)为上上时刻的流量值；
步骤7：判断是否满足|Ls-L(i)|≤0.05，如果满足，则认为流量调节已经达到预设的期望值，结束控制流程；如果不满足，则认为喷雾管道中的流量过少，通过更新计数器i＝i+1，返回步骤3继续采样循环进行。
2.根据权利要求1所述的高精度农用变量喷雾装置的控制方法，其特征在于：
所述步骤1中，设定流量期望值Ls＝2.2L/min、压力期望值Ps＝0.3Mpa、比例系数Kp＝10、积分系数Ki＝0.1、微分系数Kd＝0.2；
所述步骤2中，占空比初始值d0＝10％，电压初值u(0)＝1.2V；
所述步骤4中，占空比增量Δd＝5％。
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