CN104082267A - 自动变量喷药系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动变量喷药系统及其控制方法，包括行动小车以及安装在行动小车上的药箱和变频泵，所述药箱通过送药管道与变频泵的进口相连，变频泵的出口通过送药主管与N条送药支管相连，在每条送药支管的端头安装有喷头，所述变频泵输出的药液还通过回流管送回所述药箱中，该回流管上设置有第一流量阀，在回流管与送药支管之间的送药主管上还设置有流量传感器和压力传感器，在每条送药支管上设置有第二流量阀。其显著效果是：能够根据获取的农田害虫的小面积差异信息,采用变量施药技术按需喷药，对喷药量进行精准控制，不会造成农药的浪费，避免污染环境，且本系统喷药均匀、雾化效果好。

Description

自动变量喷药系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及到精准农业技术领域，具体地说，是一种自动变量喷药系统及其控制方法。 

背景技术

在我国，农业一直都是国民经济、国家自立和社会安定的根基，人们的切身利益和社会的安定都时刻受到农业发展的影响。近年来，精准农业已成为国际农业领域的一个热门话题。精准农业的定义为：在微观层次上按照田间每一操作单元的具体条件，精细准确地调整土壤和作物的各项管理措施，最大限度地优化各项农业投入，在保护自然生态环境、保护土地等自然资源的前提下，以获取最大经济、生态和环境效益。 

目前，国外在精准农业领域已经取得了一系列技术成果。然而，我国还没有实现精准变量喷药的成型的机械，传统的喷雾作业方法是将一整片土地上的农作物看做病虫害程度一致的对象来进行施药。对农作物实施统一的喷药，虽然可以防治害虫，但是容易造成农药浪费，导致污染环境，不利于生态发展。 

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种自动变量喷药系统，该系统能够根据获取的农田害虫的小面积差异信息,采用变量施 药技术按需喷药，且喷药均匀、雾化效果好。 

为达到上述目的，本发明表述一种自动变量喷药系统，包括行动小车以及安装在行动小车上的药箱和变频泵，所述药箱通过送药管道与变频泵的进口相连，变频泵的出口通过送药主管与N条送药支管相连，在每条送药支管的端头安装有喷头，其关键在于：所述变频泵输出的药液还通过回流管送回所述药箱中，该回流管上设置有第一流量阀，在回流管与送药支管之间的送药主管上还设置有流量传感器和压力传感器，在每条送药支管上设置有第二流量阀，所述流量传感器与压力传感器分别与控制模块的信号输入端相连，该控制模块的控制输出端分别用于控制所述变频泵、第一流量阀以及N个所述第二流量阀。 

控制模块计算出喷药系统所在地块的具体位置后，提取该地块位置对应处方图中的喷药量等信息，再结合系统行进速度和喷药幅宽得出喷药流量值。系统运行时，控制模块控制变频泵的驱动模块运行使变频泵达到一个固定的转速，控制模块调节第一流量阀的开度从而使管道液压维持在系统要求范围内。控制模块根据实际喷药量与喷药处方量进行对比，运算得出控制量并且把控制量传给第二流量阀驱动模块控制第二流量阀的打开和关闭时间长短来控制喷头喷出的药量，实现自动变量喷药。回流管的作用是调节管道液压，回流到药箱的药液还起到搅拌的作用。本系统能够根据获取的农田害虫的小面积差异信息,采用变量施药技术按需喷药，对喷药量进行精准控制，不会造成农药的浪费，避免污染环境，有利于农田的生态发展，且本系统喷药均匀、雾化效果好，可以更好地发挥农药的杀虫作用。 

为了获取系统行进速度，以便于对喷药量进行控制，在所述行动小车上还设置有速度传感器。 

为了提高控制精度，所述控制模块采用PLC控制器，该PLC控制器分别设置有输入模块与输出模块，所述输入模块用于接收所述速度传感器、流量传感器以及压力传感器所采集的信号，所述输出模块用于控制所述变频泵、第一流量阀以及N个所述第二流量阀。 

为了便于对送药管道的流量进行控制，所述第一流量阀为电动阀，该电动阀上连接有电动阀驱动模块，所述第二流量阀为电磁阀，该电磁阀上连接有电磁阀驱动模块，所述变频泵上连接有变频泵驱动模块。 

为了增加系统的有效幅宽，减少喷药的工作量，所述送药支管的条数为4-10条，且在所述送药主管的端头并排设置。 

结合上述喷药装置的结构，本发明提出一种自动变量喷药系统的控制方法，具体方案如下： 

步骤1：参数设置，设置单位面积的处方量q，喷药系统的有效幅宽d，喷药管道压力的期望值P₀； 

步骤2：获取系统瞬时行走速度v，控制模块(9)按照Q₀＝q×v×d计算出瞬时喷药量的期望值Q₀； 

步骤3：获取系统的实际流量值Q与实际压力值P，根据模糊PID控制算法，控制模块(9)按照e₁＝Q₀-Q与计算得出流量的误差e₁与误差变化率ec₁,控制模块(9)按照e₂＝P₀-P与计算得出压力的误差e₂与误差变化率ec₂； 

步骤4：将步骤3所得的流量的误差e₁与误差变化率ec₁进行模糊 化处理，得到适于模糊运算的流量的模糊量误差E₁与模糊量误差变化率EC₁，将压力误差e₂与误差变化率ec₂进行模糊化处理，得到压力的模糊量误差E₂与模糊量误差变化率EC₂； 

步骤5：确立模糊控制规则表，并根据模糊控制规则表对流量的模糊量误差E₁与模糊量误差变化率EC₁进行模糊推理，查表得到流量调整参数的增量ΔK_P1、ΔK_I1、ΔK_D1，根据模糊控制规则表对压力的模糊量误差E₂与模糊量误差变化率EC₂进行模糊推理，查表得到压力调整参数的增量ΔK_P2、ΔK_I2、ΔK_D2； 

步骤6：对步骤5所得结果分别进行逆模糊化处理，得到流量调整参数K_P1、K_I1、K_D1，以及压力调整参数K_P2、K_I2、K_D2； 

步骤7：控制模块(9)将步骤3所获得的流量的误差e₁与误差变化率ec₁和步骤6所得的流量调整参数K_P1、K_I1、K_D1采用PID控制法，按照u₁(t)＝0.5e₁+0.7K_P1e₁+6∫e₁dt+0.1K_I1e₁∫e₁dt+0.05K_D1ec₁+0.01ec₁进行线性组合构成控制量u₁(t)，其中，然后传输至电磁阀驱动模块(71)对第二流量阀(7)进行控制，调节实际输出的流量；控制模块(9)将步骤3所得压力的误差e₂与误差变化率ec₂与步骤6所得压力调整参数K_P2、K_I2、K_D2采用PID控制法，按照u₂(t)＝0.45e₂+0.6K_P2e₂+4.5∫e₂dt+0.15K_I2e₂∫e₂dt+0.15K_D2ec₂+0.02ec₂进行线性组合构成控制量u₂(t)，然后传输至电动阀驱动模块(41)对第一流量阀(4)进行控制，调节喷药管道中的压力； 

步骤8：返回步骤2循环控制，直至喷药完成。 

作为进一步描述，所述步骤2中系统瞬时行走速度v通过速度传 感器获取，步骤3中所述系统的实际流量值Q与实际压力值P分别通过流量传感器与压力传感器获取。 

利用该方法可以准确的获取流量调节参数以及压力调节参数，控制模块根据这些参数即可计算出针对流量与压力的控制量，然后将控制量传输至执行机构，对送药管道中的流量和压力进行调节，达到自动变量喷药的目的。 

本发明的显著效果是：能够根据获取的农田害虫的小面积差异信息,采用变量施药技术按需喷药，对喷药量进行精准控制，不会造成农药的浪费，避免了污染环境，有利于农田的生态发展，且本系统喷药均匀、雾化效果好，可以更好地发挥农药的杀虫作用。 

附图说明

图1是本发明的结构示意图； 

图2是图1的侧视图； 

图3是本发明的控制原理框图； 

图4是本发明中模糊PID控制算法的原理框图； 

图5是本发明与现有技术的控制效果对比图。 

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3所示，一种自动变量喷药系统，包括行动小车1以及安装在行动小车1上的药箱2和变频泵3，所述药箱2通过送药管道与变频泵3的进口相连，变频泵3的出口通过送药主管与6条并排 设置的送药支管相连，在每条送药支管的端头安装有喷头8，所述变频泵3输出的药液还通过回流管2a送回所述药箱2中，该回流管2a上设置有第一流量阀4，在回流管2a与送药支管之间的送药主管上还设置有流量传感器5和压力传感器6，在每条送药支管上设置有第二流量阀7，在所述行动小车1上还设置有速度传感器1a，所述速度传感器1a、流量传感器5与压力传感器6分别与控制模块9的信号输入端相连，该控制模块9的控制输出端分别用于控制所述变频泵3、第一流量阀4以及6个所述第二流量阀7。 

在具体实施时，所述控制模块9采用PLC控制器，该PLC控制器分别设置有输入模块9a与输出模块9b，所述输入模块9a用于接收所述速度传感器1a、流量传感器5以及压力传感器6所采集的信号，所述输出模块9b用于控制所述变频泵3、第一流量阀4以及6个所述第二流量阀7。 

作为一种实施方式，所述第一流量阀4为电动阀，该电动阀上连接有电动阀驱动模块41，所述第二流量阀7为电磁阀，该电磁阀上连接有电磁阀驱动模块71，所述变频泵3上连接有变频泵驱动模块31。为了便于管理，变频泵3与控制模块9均由电源模块10供电。 

如图4所示，根据上述设备，对这种基于模糊PID控制算法的自动变量喷药系统的处理方法进行具体描述，其处理步骤如下： 

首先进入步骤1：参数设置，设置单位面积的处方量q，喷药系统的有效幅宽d，喷药管道压力的期望值P₀； 

然后进入步骤2：通过速度传感器1a获取系统瞬时行走速度v， 控制模块9按照Q₀＝q×v×d计算出瞬时喷药量的期望值Q₀； 

步骤3：分别通过流量传感器5与压力传感器6获取系统的实际流量值Q与实际压力值P，根据模糊PID控制算法，控制模块9按照e₁＝Q₀-Q与计算得出流量的误差e₁与误差变化率ec₁,控制模块9按照e₂＝P₀-P与计算得出压力的误差e₂与误差变化率ec₂； 

步骤4：将误差与误差变化率变化范围定义为模糊集上的论域，且均设为{-6，-4，-2，0，2，4，6}7档，而其模糊子集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB},即代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大，由此可以得到各模糊子集的隶属函数，然后将步骤3所得的流量的误差e₁与误差变化率ec₁的进行模糊化处理，得到适于模糊运算的流量的模糊量误差E₁与模糊量误差变化率EC₁，将压力的误差e₂与误差变化率ec₂进行模糊化处理，得到压力的模糊量误差E₂与模糊量误差变化率EC₂； 

步骤5：对参数K_P、K_I、K_D分别进行整定，得到三者的模糊控制规则表，如表1，2，3所示，并根据模糊控制规则表对流量的模糊量误差E₁与模糊量误差变化率EC₁进行模糊推理，查表得到流量调整参数的增量ΔK_P1、ΔK_I1、ΔK_D1，根据模糊控制规则表对压力的模糊量误差E₂与模糊量误差变化率EC₂进行模糊推理，查表得到压力调整参数的增量ΔK_P2、ΔK_I2、ΔK_D2； 

其中，模糊规则确立的原则是，当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要控制目的；当误差较大时，选择 控制量要避免误差过大，以尽快消除误差为主要控制目的； 

步骤6：对步骤5所得结果分别进行逆模糊化处理，得到流量调整参数K_P1、K_I1、K_D1，以及压力调整参数K_P2、K_I2、K_D2； 

步骤7：将步骤3所获得的流量的误差e₁与误差变化率ec₁和步骤6所得的流量调整参数K_P1、K_I1、K_D1进行线性组合构成控制量u₁(t)，其中u₁(t)＝0.5e₁+0.7K_P1e₁+6∫e₁dt+0.1K_I1e₁∫e₁dt+0.05K_D1ec₁+0.01ec₁，然后传输至电磁阀驱动模块71对第二流量阀7进行控制，调节实际输出的流量；将步骤3所得压力的误差e₂与误差变化率ec₂和步骤6所得压力调整参数K_P2、K_I2、K_D2进行线性组合构成控制量u2₍t)，其中u₂(t)＝0.45e₂+0.6K_P2e₂+4.5∫e₂dt+0.15K_I2e₂∫e₂dt+0.15K_D2ec₂+0.02ec₂，然后传输至电动阀驱动模块41对第一流量阀4进行控制，调节喷药管道中的压力； 

最后进入步骤8：返回步骤2循环控制，直至喷药完成。 

从附图5中可以看出，常规PID控制下的系统的上升时间为4.43s，调节时间为6.81s。模糊PID控制下的系统的上升时间为2.65s，调节时间为3.78s(图中左侧为模糊PID控制效果曲线，右侧为常规PID控制效果曲线)。对比传统喷药技术中采用的常规PID控制，采用模糊PID控制法下系统的响应速度更快、调节精度更高、稳态性能更好，而且没有超调和振荡，可以更好的对喷药变量进行精准控制。 表1 ΔK_P的模糊控制规则表 

表2 ΔK_I的模糊控制规则表 

表3 ΔK_D的模糊控制规则表 

。

Claims (7)

1.一种自动变量喷药系统，包括行动小车(1)以及安装在行动小车(1)上的药箱(2)和变频泵(3)，所述药箱(2)通过送药管道与变频泵(3)的进口相连，变频泵(3)的出口通过送药主管与N条送药支管相连，在每条送药支管的端头安装有喷头(8)，其特征在于：所述变频泵(3)输出的药液还通过回流管(2a)送回所述药箱(2)中，该回流管(2a)上设置有第一流量阀(4)，在回流管(2a)与送药支管之间的送药主管上还设置有流量传感器(5)和压力传感器(6)，在每条送药支管上设置有第二流量阀(7)，所述流量传感器(5)与压力传感器(6)分别与控制模块(9)的信号输入端相连，该控制模块(9)的控制输出端分别用于控制所述变频泵(3)、第一流量阀(4)以及N个所述第二流量阀(7)。

2.根据权利要求1所述的自动变量喷药系统，其特征在于：在所述行动小车(1)上还设置有速度传感器(1a)。

3.根据权利要求2所述的自动变量喷药系统，其特征在于：所述控制模块(9)采用PLC控制器，该PLC控制器分别设置有输入模块(9a)与输出模块(9b)，所述输入模块(9a)用于接收所述速度传感器(1a)、流量传感器(5)以及压力传感器(6)所采集的信号，所述输出模块(9b)用于控制所述变频泵(3)、第一流量阀(4)以及N个所述第二流量阀(7)。

4.根据权利要求1所述的自动变量喷药系统，其特征在于：所述第一流量阀(4)为电动阀，该电动阀上连接有电动阀驱动模块(41)，所述第二流量阀(7)为电磁阀，该电磁阀上连接有电磁阀驱动模块(71)，所述变频泵(3)上连接有变频泵驱动模块(31)。

5.根据权利要求1所述的自动变量喷药系统，其特征在于：所述送药支管的条数为4-10条，且在所述送药主管的端头并排设置。

6.一种如权利要求1-5所述的自动变量喷药系统的控制方法，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤1：参数设置，设置某地块单位面积的处方量q，喷药系统的有效幅宽d，喷药管道压力的期望值P₀；

步骤2：获取系统瞬时行走速度v，控制模块(9)按照Q₀＝q×v×d计算出瞬时喷药量的期望值Q₀；

步骤3：获取系统的实际流量值Q与实际压力值P，根据模糊PID控制算法，控制模块(9)按照e₁＝Q₀-Q与计算得出流量的误差e₁与误差变化率ec₁,控制模块(9)按照e₂＝P₀-P与计算得出压力的误差e₂与误差变化率ec₂；

步骤4：将步骤3所得的流量的误差e₁与误差变化率ec₁进行模糊化处理，得到适于模糊运算的流量的模糊量误差E₁与模糊量误差变化率EC₁，将压力的误差e₂与误差变化率ec₂进行模糊化处理，得到压力的模糊量误差E₂与模糊量误差变化率EC₂；

步骤5：确立模糊控制规则表，并根据模糊控制规则表对流量的模糊量误差E₁与模糊量误差变化率EC₁进行模糊推理，查表得到流量调整参数的增量ΔK_P1、ΔK_I1、ΔK_D1，根据模糊控制规则表对压力的模糊量误差E₂与模糊量误差变化率EC₂进行模糊推理，查表得到压力调整参数的增量ΔK_P2、ΔK_I2、ΔK_D2；

步骤6：对步骤5所得结果分别进行逆模糊化处理，得到流量调整参数K_P1、K_I1、K_D1，以及压力调整参数K_P2、K_I2、K_D2；

步骤7：控制模块(9)将步骤3所获得的流量的误差e₁与误差变化率ec₁和步骤6所得的流量调整参数K_P1、K_I1、K_D1采用PID控制法，按照u₁(t)＝0.5e₁+0.7K_P1e₁+6∫e₁dt+0.1K_I1e₁∫e₁dt+0.05K_D1ec₁+0.01ec₁进行线性组合构成控制量u₁(t),然后传输至电磁阀驱动模块(71)对第二流量阀(7)进行控制，调节实际输出的流量；控制模块(9)将步骤3所得压力的误差e₂与误差变化率ec₂和步骤6所得的压力调整参数K_P2、K_I2、K_D2采用PID控制算法，按照u₂(t)＝0.45e₂+0.6K_P2e₂+4.5∫e₂dt+0.15K_I2e₂∫e₂dt+0.15K_D2ec₂+0.02ec₂进行线性组合构成控制量u₂(t)，然后传输至电动阀驱动模块(41)对第一流量阀(4)进行控制，调节喷药管道中的压力；

步骤8：返回步骤2循环控制，直至喷药完成。

7.根据权利要求6所述的自动变量喷药系统的控制方法，其特征在于：所述步骤2中系统瞬时行走速度v通过速度传感器(1a)获取，步骤3中所述系统的实际流量值Q与实际压力值P分别通过流量传感器(5)与压力传感器(6)获取。