CN103657923A - Pwm间歇喷雾式变量喷施系统喷施流量分组调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了PWM间歇喷雾式变量喷施系统喷施流量分组调控方法，所述系统由药液箱、隔膜泵、流量传感器、电磁阀、喷头、变量喷施控制器和喷雾机行驶速度传感器等组成。喷杆分成多个喷杆分区，每个分区中设置一定数量的喷头，每个喷头的前端管路中都串置有一个电磁阀，在喷杆主管路和各个喷杆分区的支管路上都串置有流量传感器。变量喷施控制器中设有各喷杆分区的喷施流量计算模型，可根据作业速度和各喷头的设定施药量确定各喷头的目标喷施流量及各电磁阀PWM控制信号的频率和占空比，通过比例控制器对PWM控制信号占空比进行微调，并通过PID控制器和流量传感器对各喷杆分区的总喷施流量进行闭环调控。本发明可应用于农药的变量喷施控制。

Description

PWM间歇喷雾式变量喷施系统喷施流量分组调控方法

技术领域

本发明涉及PWM间歇喷雾式变量喷施系统喷施流量分组调控方法，属于植保机械领域，尤其是变量施药机工作过程智能调控领域。

背景技术

为提高农药的有效利用率、减少农药流失、提高防治效果，农药喷施设备应根据农田内各个小区域中作物病虫草害的具体情况，向受害区域均匀准确地喷施所需用量的农药，即变量对靶喷施。变量对靶喷施可实现农药的低污染高效利用，是植保机械和施药技术的重要发展方向。现有的变量喷施控制方式主要有压力调节式、浓度调节式和流量调节式三种，流量调节式又有流量调节阀控制连续喷雾和脉宽调制（PWM）电磁阀控制间歇喷雾两种实现方式。其中，PWM电磁阀控制间歇喷雾式变量喷施系统流量调节范围大、响应速度快、横向空间分辨率高、雾化特性较好，是目前变量喷施控制的主要方式。

PWM间歇喷雾式变量喷施系统在每个喷头前都安装有一个高速开关电磁阀，通过控制电磁阀的通断实现喷头的间歇喷雾，调节电磁阀的通断时间比（PWM信号占空比）即可改变喷头的实际喷雾流量。但在实际作业时，电磁阀的频繁快速启闭会在管路中形成液压冲击。而且机动喷雾机一般都采用隔膜泵等容积泵供液，其间歇性吸排液特性也会在管路中形成周期性的压力脉动。液压冲击和压力脉动综合作用导致管路中出现较大的压力波动。且由于系统中各喷头的喷施流量可以相互独立调节，致使各喷头前端管路中的压力损失存在较大差异且时刻变化。再加之制造误差和磨损程度等因素的影响，导致各喷头的实际喷施流量与其设定喷施流量之间会出现较大误差，对施药量控制精度造成较大影响。所以，对喷头的实际喷施流量进行闭环调控对实现药液的精确变量喷施非要必要。

文献“PWM间歇喷雾式变量喷施控制器设计与测试”（魏新华等，农业机械学报，2012年第12期，第87-93页）中公开了一种PWM间歇喷雾式变量喷施系统各喷杆分区实际喷施流量监测系统，但没有给出具体的调控方法，尚无法实现各喷头实际喷施流量的闭环调控。

发明内容

本发明的目的在于提供PWM间歇喷雾式变量喷施系统喷施流量分组调控方法，以实现各喷头实际喷施流量的分组监测和闭环调控。

为了解决以上技术问题，本发明采用具体技术方案如下：

PWM间歇喷雾式变量喷施系统喷施流量分组调控方法，其特征在于对各个喷杆分区的总喷施流量进行循环调控的步骤如下：

第一步，读取各喷头的最新设定施药量和最新的作业速度；

第二步，根据作业速度、各喷头的设定施药量以及各喷头所在喷杆分区的喷施流量计算模型，计算各喷头的目标喷施流量以及各个电磁阀的PWM控制信号的频率和初始占空比；

第三步，通过比例控制器(24)对各个PWM控制信号的初始占空比进行微调，并输出各个PWM控制信号；

第四步，检测作业速度和各个喷杆分区的实际喷施流量，如果实际喷施流量与该喷杆分区所有喷头的目标喷施流量累加和的相对误差超过了±5%，则给出报警信号，提示停机检查；

第五步，通过PID控制器(25)对各个PWM控制信号的占空比进行二次调节，并输出调节后的PWM控制信号；

第六步，转回到第一步，进入下一个调控循环。

所述的电磁阀和喷头都经过了选配，同一喷杆分区内的各个“电磁阀+喷头”组合的电液特性都基本一致，同一喷杆分区内的所有喷头都使用相同的喷施流量计算模型。

所述比例控制器(24)的控制模型为

其中，

为PWM控制信号的原占空比，k_p为比例调节系数，

为调节后的PWM控制信号的新占空比，各个电磁阀的k_p值分别独立整定，并存储在变量喷施控制器(21)中。

各个电磁阀的k_p值的整定方法如下：

第一步，将被测试电磁阀的PWM控制信号的频率固定在某一频率值，占空比固定为50%，其他电磁阀全开，测试其实际喷施流量，并根据其所在喷杆分区的喷施流量计算模型计算其目标喷施流量；

第二步，被测试电磁阀的PWM控制信号的频率和占空比不变，其他电磁阀全关，测试其实际喷施流量；

第三步，取两次测得的实际喷施流量的平均值，除以第一步计算所得的目标喷施流量，然后再取倒数，即为被测试电磁阀在该频率值下的k_p值；

第四步，改变PWM控制信号的频率值，继续整定。

所述PID控制器(25)的控制模型为：

其中，e₁为本次调控循环中的喷施流量相对误差，e₂为上一次调控循环中的喷施流量相对误差，e₃为再上一次调控循环中的喷施流量相对误差，A、B、C为调节系数，各个喷杆分区的A、B、C值分别独立整定，

为PWM控制信号的原占空比，

为调节后的PWM控制信号的新占空比。

本发明具有有益效果。本发明通过对各个喷杆分区总喷施流量的监测以及对喷杆分区内各个喷头的电磁阀PWM控制信号占空比的比例和PID调节，可实现各个喷杆分区内所有喷头总喷施流量的实时监测和在线调控；由于同一喷杆分区内的各个“电磁阀+喷头”组合的电液特性都基本一致，且其使用的比例控制器和PID控制器中的各个调节系数是对各喷头相互独立整定的，所以可以实现喷头实际喷施流量的分组监控和独立调节，即节省了成本，又可达到较高的调控精度。

附图说明

图1为PWM间歇喷雾式变量喷施系统的结构框图；

图2为PWM间歇喷雾式变量喷施系统喷施流量分组调控方法的流程图。

图中：1.电磁阀A，2.电磁阀B，3.电磁阀C，4.电磁阀E，5.电磁阀F，6.电磁阀G，7.上位机，8.流量传感器A，9.流量传感器B，10.喷头A，11.喷头B，12.喷头C，13.喷头E，14.喷头F，15.喷头G，16.药液箱，17.过滤器，18.隔膜泵，19.比例溢流阀，20.喷雾机行驶速度传感器，21.变量喷施控制器，22.键盘及显示器，23.流量传感器C，24.比例控制器，25.PID控制器。

具体实施方式

如图1所示，PWM间歇喷雾式变量喷施系统由管路子系统和控制子系统组成。管路子系统由隔膜泵18供液，喷杆分成了多个相同的喷杆分区。药液箱16、过滤器17、隔膜泵18、比例溢流阀19通过管路依次连接，比例溢流阀19的出液口连接喷杆主管路，比例溢流阀19的溢流口通过管路接回药液箱16。喷头A10、喷头B11和喷头C12处于同一喷杆分区，其前端管路中分别串置有电磁阀A1、电磁阀B2和电磁阀C3，电磁阀A1、电磁阀B2和电磁阀C3的另一端通过管路汇接到该喷杆分区的支管路。喷头E13、喷头F14和喷头G15处于同一喷杆分区，其前端管路中分别串置有电磁阀E4、电磁阀F5和电磁阀G6，电磁阀E4、电磁阀F5和电磁阀G6的另一端通过管路汇接到该喷杆分区的支管路。各个喷杆分区的支管路都汇接到喷杆主管路上。控制子系统包含变量喷施控制器21。变量喷施控制器21可输出多路相互独立的PWM控制信号，并分别连接至各个电磁阀。变量喷施控制器21可输出模拟量控制信号，并连接至比例溢流阀19，以调节系统喷雾压力。喷雾机行驶速度传感器20的输出信号连接至变量喷施控制器21，以进行作业速度的检测。键盘及显示器22与变量喷施控制器21连接，可人工设置各喷头的设定施药量，并显示系统信息。变量喷施控制器21与上位机7通过数据线连接，可由上位机通讯设置各喷头的设定施药量。喷杆主管路上串置有流量传感器C23，各个喷杆分区的支管路上也都串置有测试该喷杆分区总喷施流量的流量传感器，流量传感器A8串置在喷头A10所在喷杆分区的支管路上，流量传感器B9串置在喷头E13所在喷杆分区的支管路上，所有流量传感器的输出信号都连接至变量喷施控制器21，以进行各点流量的检测。变量喷施控制器21中设置有各喷杆分区的喷施流量计算模型，可根据作业速度和各喷头的设定施药量计算确定各个喷头的目标喷施流量以及各个电磁阀的PWM控制信号的频率和占空比。电磁阀和喷头都经过了选配，同一喷杆分区内的各个“电磁阀+喷头”组合的电液特性都基本一致，同一喷杆分区内的所有喷头都使用相同的喷施流量计算模型。在变量喷施控制器21中还设置有喷施流量分组闭环调控程序，对各个喷杆分区的总喷施流量进行循环调控。

如图2所示，PWM间歇喷雾式变量喷施系统喷施流量分组闭环调控程序按以下流程工作：首先进行系统初始化；然后通过键盘或上位机7设置各个喷头的设定施药量；将键盘接口或上位机通讯设置为中断操作模式，以便随时响应键盘操作或上位机通讯，为各喷头设置新的设定施药量；检测一次作业速度，然后进入调控循环。在各个调控循环周期内，首先读取各喷头的最新设定施药量和最新的作业速度；根据作业速度、各喷头的设定施药量以及各喷头所在喷杆分区的喷施流量计算模型，计算各喷头的目标喷施流量以及各个电磁阀的PWM控制信号的频率和初始占空比；通过各喷头的比例控制器24对各个PWM控制信号的初始占空比进行微调；输出各个PWM控制信号；检测作业速度和各个喷杆分区的实际喷施流量；分别计算各喷杆分区内所有喷头的目标喷施流量累加和，以及各喷杆分区实际喷施流量与其目标喷施流量累加和之间的相对误差，并存储；如果相对误差超过了±5%，则给出报警信号，提示停机检查；如果相对误差在±5%范围内，则通过各喷头的PID控制器25对各个PWM控制信号的占空比进行二次调节；重新输出调节后的各个PWM控制信号，本次调控循环结束；进入下一个调控循环。

比例控制器(24)的控制模型为

其中，为PWM控制信号的原占空比，k_p为比例调节系数，

为调节后的PWM控制信号的新占空比，各个电磁阀的k_p值分别独立整定，并存储在变量喷施控制器21中。各个电磁阀的k_p值的整定方法如下：

第一步：将被测试电磁阀的PWM控制信号的频率固定为3Hz，占空比固定为50%，系统内的其它电磁阀全开，测试被测试电磁阀所控喷头的实际喷施流量，并根据其所在喷杆分区的喷施流量计算模型计算其目标喷施流量；

第二步：被测试电磁阀的PWM控制信号的频率和占空比不变，系统内的其他电磁阀全关，测试被测试电磁阀所控喷头的实际喷施流量；

第三步：取两次测得的实际喷施流量的平均值，除以第一步计算所得的目标喷施流量，然后再取倒数，即为被测试电磁阀在该频率值下的k_p值；

第四步：将PWM控制信号的频率值增加1Hz，继续整定，直至整定到10Hz。

PID控制器25的控制模型为：

其中，e₁为本次调控循环中的喷施流量相对误差，e₂为上一次调控循环中的喷施流量相对误差，e₃为再上一次调控循环中的喷施流量相对误差，A、B、C为调节系数，各个喷杆分区的A、B、C值分别独立整定，

为PWM控制信号的原占空比，

为调节后的PWM控制信号的新占空比。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.PWM间歇喷雾式变量喷施系统喷施流量分组调控方法，其特征在于对各个喷杆分区的总喷施流量进行循环调控的步骤如下：

第一步，读取各喷头的最新设定施药量和最新的作业速度；

第二步，根据作业速度、各喷头的设定施药量以及各喷头所在喷杆分区的喷施流量计算模型，计算各喷头的目标喷施流量以及各个电磁阀的PWM控制信号的频率和初始占空比；

第三步，通过比例控制器(24)对各个PWM控制信号的初始占空比进行微调，并输出各个PWM控制信号；

第四步，检测作业速度和各个喷杆分区的实际喷施流量，如果实际喷施流量与该喷杆分区所有喷头的目标喷施流量累加和的相对误差超过了±5%，则给出报警信号，提示停机检查；

第五步，通过PID控制器(25)对各个PWM控制信号的占空比进行二次调节，并输出调节后的PWM控制信号；

第六步，转回到第一步，进入下一个调控循环。

2.根据权利要求1所述的PWM间歇喷雾式变量喷施系统喷施流量分组调控方法，其特征在于：所述的电磁阀和喷头都经过了选配，同一喷杆分区内的各个“电磁阀+喷头”组合的电液特性都基本一致，同一喷杆分区内的所有喷头都使用相同的喷施流量计算模型。

3.根据权利要求1所述的PWM间歇喷雾式变量喷施系统喷施流量分组调控方法，其特征在于：所述比例控制器(24)的控制模型为

其中，

为PWM控制信号的原占空比，k_p为比例调节系数，

为调节后的PWM控制信号的新占空比，各个电磁阀的k_p值分别独立整定，并存储在变量喷施控制器(21)中。

4.根据权利要求1-3所述的PWM间歇喷雾式变量喷施系统喷施流量分组调控方法，其特征在于：各个电磁阀的k_p值的整定方法如下：

第一步，将被测试电磁阀的PWM控制信号的频率固定在某一频率值，占空比固定为50%，其他电磁阀全开，测试其实际喷施流量，并根据其所在喷杆分区的喷施流量计算模型计算其目标喷施流量；

第二步，被测试电磁阀的PWM控制信号的频率和占空比不变，其他电磁阀全关，测试其实际喷施流量；

第三步，取两次测得的实际喷施流量的平均值，除以第一步计算所得的目标喷施流量，然后再取倒数，即为被测试电磁阀在该频率值下的k_p值；

第四步，改变PWM控制信号的频率值，继续整定。

5.根据权利要求1所述的PWM间歇喷雾式变量喷施系统喷施流量分组调控方法，其特征在于：所述PID控制器(25)的控制模型为：其中，e₁为本次调控循环中的喷施流量相对误差，e₂为上一次调控循环中的喷施流量相对误差，e₃为再上一次调控循环中的喷施流量相对误差，A、B、C为调节系数，各个喷杆分区的A、B、C值分别独立整定，

为PWM控制信号的原占空比，

为调节后的PWM控制信号的新占空比。

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