CN105580800B - 电动喷雾壶系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动喷雾壶系统及其控制方法，包括壶体、壶盖，壶盖内固定有水泵，壶盖底部设有连通壶体的进气孔，壶盖底部下端面贴合有橡胶垫，橡胶垫封住进气孔下端，橡胶垫开设有进气缝，进气缝一端延伸至进气孔下端；壶内和壶外气压平衡时，橡胶垫由于自身弹性扩张作用使得进气缝两侧壁贴合，实现防水目的；壶内气压变低时，外界气体通过进气孔挤压进气缝，进气缝受力变形并撑开，使得外界气体进入壶体。该方案提供了一种手持式电动喷雾壶进气结构，利用橡胶变形进气，进气更可靠。

Description

电动喷雾壶系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种雾化设备，更具体的说，涉及电动喷雾壶系统及其控制方法。

背景技术

市场上的电动喷雾壶主要由壶体、微型自吸泵、电源、喷嘴结构组成，通过电源为微型自吸泵提供电源，并且微型自吸泵的吸管伸入到存有药液的壶体中，喷嘴结构将壶体的内部空间密封，通过微型自吸泵的工作使得药液从喷嘴结构中喷出，并将药液进行雾化。现有技术习惯采用大雾滴、大容量喷雾技术，有效利用率低，更造成严重环境污染。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。对于电动喷雾壶系统的控制尤其重要，因为电动喷雾壶的壶体中的药液在使用的过程中是不断变化的，壶体内的空间是密闭的，由此可知在药液喷出的时候造成药液体积减少，从而使得喷壶中的气压降低，进而影响喷嘴喷雾效果，而对于壶体内部的恒压控制是解决此技术难题的关键。

目前，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进气结构和恒压的控制问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种手持式电动喷雾壶进气结构，进气更可靠，同时采用PID控制，使得气压稳定，提高雾化效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种电动喷雾壶系统，包括壶体、壶盖，壶盖内固定有水泵，壶盖底部设有连通壶体的进气孔，还包括为水泵提供电力的电池、设置于壶体内部用以检测壶体内气压变化并输出模拟信号的气压传感器、连接于气压传感器与水泵之间用以接收传感器的模拟信号并经过数据处理输出控制信号给水泵的PID控制装置，所述PID控制装置包括用以将模拟信号转换成数字信号的A/D转换器、用以进行PID算法数据运算处理的单片机单元、将模拟信号转换成数字信号并输出的D/A转换器。

优选的，壶盖底部下端面贴合有橡胶垫，橡胶垫封住进气孔下端，橡胶垫开设有进气缝，进气缝一端延伸至进气孔下端；壶内和壶外气压平衡时，橡胶垫由于自身弹性扩张作用使得进气缝两侧壁贴合，实现防水目的；壶内气压变低时，外界气体通过进气孔挤压进气缝，进气缝受力变形并撑开，使得外界气体进入壶体。

通过采用上述方案，橡胶垫密封效果好，而且进气缝能迅速扩张，进气反应速度快，同时橡胶垫更换起来也十分方便。

优选的，所述橡胶垫上设有与进气缝垂直交叉的辅助槽。

通过采用上述方案，辅助槽让进气缝受力时更易张开，而且形成较大的开口，更利于快速进气。

优选的，所述水泵头部设有出水端和吸水端，出水端外壁设有密封圈槽。

通过采用上述方案，传统的喷嘴通常螺纹连接在壶盖上，喷嘴的进水口与水泵的出水端之间通常需要配合一个连接头实现密封连接，结构复杂；通过在出水端外壁设置密封圈槽，喷嘴的进水口与出水端可以在喷嘴螺纹拧紧在壶盖上时，实现滑移插接进行配合，并通过在密封圈槽上安装密封圈实现密封，结构更简单紧凑。

优选的，所述壶盖底部设有吸水管孔，水泵吸水端连接有软管，软管穿过吸水管孔进入到壶体内，所述橡胶垫上设有对应的通孔。

通过采用上述方案，橡胶垫可以包裹住软管，避免了壶体内液体通过吸水管孔进入到壶盖内。

优选的，所述软管下端设有过滤组件。所述过滤组件包括过滤座和过滤网，过滤座插接在软管下端开口，过滤网卡扣连接在过滤座内。所述过滤座端面设有插头，所述插头由若干具有通孔的圆台体堆叠而成，每个圆台体底部设有一圈密封环。

一种电动喷雾壶系统的控制方法，包括以下步骤：

A1：采集某一时刻壶体内的气压变量c（t）和单片机单元输出的控制变量r（t）；

A2：将变量函数构成偏差e（k）=r（k）-c（k）；

A3：设定参数a₀、a₁、a₂形成控制增量，Δu（k）=a₀e（k）+a₁e（k-1）a₂e（k-2）；并将Δu（k）存入输出单元并输出；

A4：将偏差函数时移，为下一时刻做准备，即将e（k-1）变为e（k-2），将e（k）变为e（k-1），最后返回。

通过采用上述方案，通过采用增量式PID控制，由于此增量只与最近几次的偏差采样值有关，不需要进行累加，因此不容易产生积累误差，同时误动作小，对气压系统内的气压大小不会造成太大的影响，在启动过程中容易迅速响应。

优选的，还包括对偏差函数的优化处理步骤：

B1：计算偏差函数e（k），比例项和微分项；

B2：判断前一时刻的控制输出函数u（k-1）与最大控制量umax、以及偏差量e（k）的正负情况，

（1）、如果u（k-1）≥umax且e（k）>0,或u（k-1）≤umin且e（k）<0，则不计算积分项或积分项为0；

（2）、如果umin<u（k-1）<umax ,则计算积分项；

最后将比例项、积分项、微分项相加给控制变量，形成此时刻的控制输出。

通过采用上述方案，可以有效抑制水泵调节壶体内部气压过程中的饱和现象，因为在实际操作过程中，由于水泵器件自身具有最大转速等参数的限制或称为饱和，因此由于其控制量及其变化率往往被限制在一个最大和最小的范围之内，容易增加系统的超调量和调节时间，而通过判断系统是否进入饱和状态，从而在进入饱和区间后，不计算积分项也可以说是削弱积分项的累加，从而有效克服积分饱和问题。

优选的，还包括：将控制参数进行Z变换，形成Z传递函数：D（z）=ΔU（z）/E(z)=K_P(a₀+a₁z^-1+a₂z^-2)/(1-z^-1),其中，a₀=2.45，a₁=3.5，a₂=1.25；即控制偏量为:

Δu（kT）=K_P{2.45e(kT)-3.5e[(k-1)T]+1.25e[(k-2)T]}。

通过采用上述方案，可以优化数据处理速度，将多个需要整定的参数，如：K_P、K_I、K_D通过此近似处理之后，可以简化为对一个K_P参数的调节即可，便于控制和调试。

附图说明

图1为本发明的爆炸图；

图2为本发明的壶盖与橡胶垫的配合图；

图3为本发明壶盖内部结构图；

图4为本发明壶盖底部视图；

图5为本发明图3中A部的放大图；

图6为本发明水泵与喷嘴的配合图；

图7为本发明橡胶垫的零件图；

图8为本发明过滤组件的结构图；

图9为本发明控制系统的模型图；

图10为本发明控制方法的步骤框图；

图11为本发明控制方法数据优化处理的步骤框图。

附图说明：1、壶体；2、壶盖；3、橡胶垫；4、水泵；4a、出水端；4a1、密封圈槽；4b、吸水端；5、盖板；6、喷嘴；6a、进水口；7、安装柱；8、吸水管孔；9、进气孔；10、进气缝；11、辅助槽；12、螺丝孔；13、通孔；14、过滤组件；14a、过滤座；14b、过滤网；15、软管；16、插头；16a、圆台体；16b、密封环。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

电动喷雾壶通过水泵4连接抽水管对壶内液体进行抽液工作，电动喷雾壶的壶体1中的药液在使用的过程中是不断变化的，壶体1内的空间是密闭的，由此可知在药液喷出的时候造成药液体积减少，从而使得喷壶中的气压降低，进而影响喷嘴6喷雾效果。

结合图1和图9，电动喷雾壶系统包括壶体1、壶盖2，壶盖2内固定有水泵4，壶盖2底部设有连通壶体1的进气孔9，还包括为水泵4提供电力的电池、设置于壶体1内部用以检测壶体1内气压变化并输出模拟信号的气压传感器、连接于气压传感器与水泵4之间用以接收传感器的模拟信号并经过数据处理输出控制信号给水泵4的PID控制装置，所述PID控制装置包括用以将模拟信号转换成数字信号的A/D转换器、用以进行PID算法数据运算处理的单片机单元、将模拟信号转换成数字信号并输出的D/A转换器。水泵4采用的微型直流自吸泵，同时气压传感器采用的是微型的市场上有型号为MS5611或CPS130均可使用。单片机单元主要起到调节和控制水泵4的输出，水泵4在抽水的过程中改变了壶体1内的气压，从而为了提高喷雾效果，其系统达到稳定状态需要更加快速和气压恒定。所以对于进气结构也是非常重要的设计。

以下结合对图1-8对其进气结构做进一步阐述。

如图1所示，壶盖2底部下端面贴合有橡胶垫3，橡胶垫3封住进气孔9下端，橡胶垫3开设有进气缝10，进气缝10一端延伸至进气孔9下端；壶内和壶外气压平衡时，橡胶垫3由于自身弹性扩张作用使得进气缝10两侧壁贴合，实现防水目的；壶内气压变低时，外界气体通过进气孔9挤压进气缝10，进气缝10受力变形并撑开，使得外界气体进入壶体1。橡胶垫3密封效果好，而且进气缝10能迅速扩张，进气反应速度快，同时橡胶垫3更换起来也十分方便。这种电动喷雾器一般使用的都是垂直下置式水泵4，橡胶垫3可以做成环状套在下端凸出的圆柱上。

如图3、4、5所示，为了便于水泵4安装，壶盖2上方一般可拆卸配合一个盖板5，壶盖2上设置安装柱7供打螺丝，螺丝从壶盖2底部下端面往上拧紧，实现隐藏式配合。

如图6所示，水泵4头部设有出水端4a和吸水端4b，出水端4a外壁设有密封圈槽4a1。传统的喷嘴6通常螺纹连接在壶盖2上，喷嘴6的进水口6a与水泵4的出水端4a之间通常需要配合一个连接头实现密封连接，结构复杂；通过在出水端4a外壁设置密封圈槽4a1，喷嘴6的进水口6a与出水端4a可以在喷嘴6螺纹拧紧在壶盖2上时，实现滑移插接进行配合，并通过在密封圈槽4a1上安装密封圈实现密封，结构更简单紧凑。壶盖2底部设有吸水管控，水泵4吸水端4b连接有软管15，软管15穿过吸水管控进入到壶体1内，所述橡胶垫3上设有对应的通孔13。橡胶垫3可以包裹住软管15，避免了壶体1内液体通过吸水管控进入到壶盖2内。

如图7所示，橡胶垫3上设有与进气缝10垂直交叉的辅助槽11。辅助槽11让进气缝10受力时更易张开，而且形成较大的开口，更利于快速进气。辅助槽11做成一字形，长度应短于进气缝10，保证有效复位。进气缝10合辅助槽11的宽度都不宜开设的太宽，避免影响密封效果。

如图8所示，其中，软管15下端设有过滤组件14。过滤组件14包括过滤座14a和过滤网14b，过滤座14a插接在软管15下端开口，过滤网14b卡扣连接在过滤座14a内。过滤座14a端面设有插头16，插头16由若干具有通孔13的圆台体16a堆叠而成，每个圆台体16a底部设有一圈密封环16b。过滤组件14避免了砂砾进入软管15，影响齿轮泵工作。

如图9所示，采用单片机单元作为信号处理单元，控制系统形成一个闭环的反馈调节，本发明所采用的方法是基于现有的PID控制调节方法的优化方法，首先构建系统模型，数据信号的采集和处理整理成控制数据，形成控制变量，从而可以有效调节气泵的控制，控制器件为水泵，控制变量为气压，控制单元输出的原控制量r（t），通过PID调节之后的控制量将壶体内的气压改变，通过传感器将信号采集回来，进行下时刻的控制，最基础的PID控制就是简单的将偏差信号进行一个比例项、积分项、微分项的叠加补偿给偏差信号，从而实现控制量的输出。在此基础上，通过以下步骤：

A1：采集某一时刻壶体内的气压变量c（t）和单片机单元输出的控制变量r（t）；

A2：将变量函数构成偏差e（k）=r（k）-c（k）；

A3：设定参数a₀、a₁、a₂形成控制增量，Δu（k）=a₀e（k）+a₁e（k-1）a₂e（k-2）；并将Δu（k）存入输出单元并输出；

A4：将偏差函数时移，为下一时刻做准备，即将e（k-1）变为e（k-2），将e（k）变为e（k-1），最后返回。

通过采用上述方案，通过采用增量式PID控制，由于此增量只与最近几次的偏差采样值有关，不需要进行累加，因此不容易产生积累误差，同时误动作小，对气压系统内的气压大小不会造成太大的影响，在启动过程中容易迅速响应。a₀=K_P（1+T/T_I+T_D/T）、a₁=K_P（1+2T_D/T）、a₂=K_PT_D/T。

优选的，还包括对偏差函数的优化处理步骤：

B1：计算偏差函数e（k），比例项和微分项；

B2：判断前一时刻的控制输出函数u（k-1）与最大控制量umax、以及偏差量e（k）的正负情况，

（1）、如果u（k-1）≥umax且e（k）>0,或u（k-1）≤umin且e（k）<0，则不计算积分项或积分项为0；

（2）、如果umin<u（k-1）<umax ,则计算积分项；

最后将比例项、积分项、微分项相加给控制变量，形成此时刻的控制输出。

通过采用上述方案，可以有效抑制水泵调节壶体内部气压过程中的饱和现象，因为在实际操作过程中，由于水泵器件自身具有最大转速等参数的限制或称为饱和，因此由于其控制量及其变化率往往被限制在一个最大和最小的范围之内，容易增加系统的超调量和调节时间，而通过判断系统是否进入饱和状态，从而在进入饱和区间后，不计算积分项也可以说是削弱积分项的累加，从而有效克服积分饱和问题。其中对于偏差在传递过程中存在一些随机干扰，所以可以采用一阶惯性滤波方式进行软件滤波处理。

优选的，还包括：将控制参数进行Z变换，形成Z传递函数：D（z）=ΔU（z）/E(z)=K_P(a₀+a₁z^-1+a₂z^-2)/(1-z^-1),其中，a₀=2.45，a₁=3.5，a₂=1.25；即控制偏量为:

Δu（kT）=K_P{2.45e(kT)-3.5e[(k-1)T]+1.25e[(k-2)T]}。

通过采用上述方案，可以优化数据处理速度，将多个需要整定的参数，如：K_P、K_I、K_D通过此近似处理之后，可以简化为对一个K_P参数的调节即可，便于控制和调试。PID控制中，比例系数K_P、积分系数K_I、微分系数K_D可以直接通过控制单个比例系数K_P进行调节和试验整定，K_P增大，系统的灵敏度提高，并且响应速度提高，K_P偏大，调节时间会增长，所以可以在系统稳定的情况下可以加大K_P,特别适用于稳定喷雾的过程中，在开机喷雾的过程中需要将K_P调小。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电动喷雾壶系统，包括壶体(1)、壶盖(2)，壶盖(2)内固定有水泵(4)，壶盖(2)底部设有连通壶体(1)的进气孔(9)，其特征是：还包括为水泵(4)提供电力的电池、设置于壶体(1)内部用以检测壶体(1)内气压变化并输出模拟信号的气压传感器、连接于气压传感器与水泵(4)之间用以接收传感器的模拟信号并经过数据处理输出控制信号给水泵(4)的PID控制装置，所述PID控制装置包括用以将模拟信号转换成数字信号的A/D转换器、用以进行PID算法数据运算处理的单片机单元、将模拟信号转换成数字信号并输出的D/A转换器；壶盖(2)底部下端面贴合有橡胶垫(3)，橡胶垫(3)封住进气孔(9)下端，橡胶垫(3)开设有进气缝(10)，进气缝(10)一端延伸至进气孔(9)下端；壶内和壶外气压平衡时，橡胶垫(3)由于自身弹性扩张作用使得进气缝(10)两侧壁贴合；所述橡胶垫(3)上设有与进气缝(10)垂直交叉的辅助槽(11)。

2.根据权利要求1所述的电动喷雾壶系统，其特征是：所述水泵(4)头部设有出水端(4a)和吸水端(4b)，出水端(4a)外壁设有密封圈槽(4a1)。

3.根据权利要求2所述的电动喷雾壶系统，其特征是：所述壶盖(2)底部设有吸水管孔(8)，水泵(4)吸水端(4b)连接有软管(15)，软管(15)穿过吸水管孔(8)进入到壶体(1)内，所述橡胶垫(3)上设有对应的通孔(13)。

4.根据权利要求3所述的电动喷雾壶系统，其特征是：所述软管(15)下端设有过滤组件(14)。

5.根据权利要求4所述的电动喷雾壶系统，其特征是：所述过滤组件(14)包括过滤座(14a)和过滤网(14b)，过滤座(14a)插接在软管(15)下端开口，过滤网(14b)卡扣连接在过滤座(14a)内。

6.根据权利要求5所述的电动喷雾壶系统，其特征是：所述过滤座(14a)端面设有插头(16)，所述插头(16)由若干具有通孔(13)的圆台体(16a)堆叠而成，每个圆台体(16a)底部设有一圈密封环(16b)。

7.根据权利要求1所述的电动喷雾壶系统的控制方法，其特征是：包括以下步骤：

A1：采集某一时刻壶体内的气压变量c（t）和单片机单元输出的控制变量r（t）；

A2：将变量函数构成偏差e（k）=r（k）-c（k）；

A3：设定参数a₀、a₁、a₂形成控制增量，Δu（k）=a₀e（k）+a₁e（k-1）a₂e（k-2）；并将Δu（k）存入输出单元并输出；

A4：将偏差函数时移，为下一时刻做准备，即将e（k-1）变为e（k-2），将e（k）变为e（k-1），最后返回。

8.根据权利要求7所述的电动喷雾壶系统的控制方法，其特征是：还包括对偏差函数的优化处理步骤：

B1：计算偏差函数e（k），比例项和微分项；

B2：判断前一时刻的控制输出函数u（k-1）与最大控制量u_max、以及偏差量e（k）的正负情况，

（1）、如果u（k-1）≥u_max且e（k）>0,或u（k-1）≤u_min且e（k）<0，则不计算积分项或积分项为0；

（2）、如果u_min<u（k-1）<u_max ,则计算积分项；

最后将比例项、积分项、微分项相加给控制变量，形成此时刻的控制输出。

9.根据权利要求7所述的电动喷雾壶系统的控制方法，其特征是：

将控制参数进行Z变换，形成Z传递函数：D（z）=ΔU（z）/E(z)=K_P(a₀+a₁z^-1+a₂z^-2)/(1-z^-1),其中，a₀=2.45，a₁=3.5，a₂=1.25；即控制偏量为:

Δu（kT）=K_P{2.45e(kT)-3.5e[(k-1)T]+1.25e[(k-2)T]}。