CN106070156A - 基于plc的变量喷雾系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于PLC的变量喷雾系统及其控制方法，首先测量最佳雾化效果时的雾粒粒径，将此时喷雾管道的流量值和压力值大小作为系统控制的目标值，PLC控制模块根据流量传感器和压力变送器获取的喷雾管道中的流量值和压力值，根据模糊PID控制原理控制流量电动调节阀的开度，进行喷雾工作，除此之外，对喷雾沉积量进行测量，即在选定好的喷雾效果后，喷洒在农作物上，测量农作物叶片上单位面积上有多少的药物，本发明使得喷雾系统能够均匀喷雾，在作物表面达到合理的药物沉积量，在保证有效防治病虫害的前提下，符合无公害农产品要求低量、超低量高效施药的要求，减少了用水量和用药量，降低了成本，减少了药物残留。

Description

基于PLC的变量喷雾系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，具体涉及一种基于PLC的变量喷雾系统及其控制方法。

背景技术

众所周知，长久以来大面积的作物病虫害防治大多采用化学防治的方法。长期的喷洒农药，会给环境带来深刻的影响，据统计，目前我国作物单位面积的施药量约为11Kg/hm²,是美国单位面积施药量的3.5倍，是欧洲单位面积施药量的2倍。这是由于喷雾施药技术落后，且药效低造成的。目前，我国年施药量有增无减，这不仅对自然环境造成了严重危害，增加了农业生产的成本，而且还给农产品带来了更多的药物残留，给消费者带来了极大的食品安全隐患。

农业喷雾流量控制对作物精准施药极其重要，在农业生产中能够起到降低成本，保护环境，提高产量的作用。目前有许多关于流量的控制方法，例如史岩等提出了一种压力式变量喷雾系统，通过控制管道压力来控制喷雾流量，该系统比较简单，容易搭建，但因为是间接控制流量，所以导致流量的响应速度变慢，流量控制不够精准及时；史万苹等提出PWM变量控制方法，通过改变电磁阀驱动线圈的PWM信号的占空比进行控制，该方法能够较为及时精准的控制流量，但是系统在带宽、增益等配合参数的设计和调试等方面比较复杂。

发明内容

本申请通过提供一种基于PLC的变量喷雾系统及其控制方法，以解决现有技术中农药喷雾不均匀而造成的一系列问题。

为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：

一种基于PLC的变量喷雾系统，包括数据采集模块、数据接收与处理模块、PLC控制模块以及喷洒模块，所述数据接收与处理模块将所述数据采集模块采集到的电信号转化为所述PLC控制模块能够直接接收和处理的信号，所述PLC控制模块根据所述数据采集模块采集到的信息控制所述喷洒模块对作物进行喷雾，其关键在于，

该系统还包括雷达探测模块和无线接收模块，其中，所述雷达探测模块包括用以探测前方障碍物的前视雷达和用以检测作物高度的下视雷达，所述雷达探测模块的信息通过所述数据接收与处理模块传输给所述PLC控制模块，所述喷洒模块包括喷雾小车、安装在该喷雾小车上的药箱以及将药液雾化的喷头，在所述药箱和所述喷头之间依次通过水泵、回流电动调节阀、压力变送器、流量电动调节阀、过滤器和流量传感器连接形成一喷雾管道，所述喷雾小车在动力装置的驱动下沿铺设的行驶轨道运行，所述喷雾小车上还设置有根据所述下视雷达检测的作物高度而自动调节喷头高度的升降装置，所述无线接收模块安装在所述喷雾小车上，用以接收操作命令。

进一步地，所述数据采集模块包括检测所述药箱中药液高度的液位传感器，检测所述喷雾小车启动或停止时加速度的加速度传感器，检测所述喷雾小车瞬时速度的速度传感器，检测所述喷雾小车剩余电量及充电速度的电量检测仪，检测喷雾管道压力的压力变送器以及检测喷雾管道流量的流量传感器。

进一步地，所述喷雾小车的动力装置包括位于行驶轨道正上方的驱动轮，以及位于行驶轨道侧面，且沿行驶轨道上外沿运动的导向轮和位于行驶轨道侧面，且沿行驶轨道下外沿运动的稳定轮，所述驱动轮、导向轮以及稳定轮通过所述底盘支架装配在一起，所述驱动轮采用轮毂电机，该驱动轮的两侧外沿向下延伸卡接在行驶轨道两侧。

进一步地，所述行驶轨道由直线轨道和半圆轨道组成，相邻两条直线轨道之间通过半圆轨道相切连接，在直线轨道与半圆轨道的切点处轨道的外侧面设置有支板，半圆轨道的上表面与半圆圆心所在平面成夹角。

进一步地，在行驶轨道两侧各安装一个升降装置，所述升降装置包括水管接头、外螺纹水管、固定平台、齿轮以及角编码器，其中，竖直设置的外螺纹水管的顶端连接所述水管接头，所述外螺纹水管的底端垂直设置了连接杆，在所述连接杆上设置有若干个喷头，所述水管接头的另一端连接水管，所述外螺纹水管垂直穿过所述固定平台，在所述固定平台上设置有升降变频电机，在所述固定平台的底面设置有检测作物高度的下视雷达器，由升降变频电机驱动的齿轮与所述外螺纹水管齿合，所述齿轮旋转带动所述外螺纹水管纵向移动，所述角编码器的齿轮与所述外螺纹水管齿合，所述角编码器的初始位置设为0位，由所述外螺纹水管的纵向移动带动所述角编码器的齿轮转动。

作为一种优选的技术方案，所述固定平台与地面之间距离为2m，所述外螺纹水管的长度为150cm-180cm，所述喷头与地面的最小距离为50cm，所述喷头与地面的最大距离为200cm。

进一步地，该系统还包括设置在喷雾小车上的显示模块，用以显示所述喷雾小车的启停、所述喷雾小车所述喷雾小车的速度、所述水泵的启停、所述药箱液位以及障碍物报警。

一种基于PLC的变量喷雾系统的控制方法，包括如下步骤：

S1：将所述喷雾小车放置于行驶轨道上，所述PLC控制模块初始化；

S2：打开所述水泵，向所述药箱中注入药液，并通过所述液位传感器检测药箱中药液高度，若药液高度小于最低水位线，发出警报，若药液高度达到最高水位线，则所述水泵停止工作，并发出警报；

S3：所述喷雾小车在所述PLC控制模块的控制下开始行走并喷雾：

(1)在行走过程中所述前视雷达探测行驶轨道是否有障碍物，如果有，则向所述PLC控制模块发出信号，所述喷雾小车紧急停车，所述下视雷达实时检测作物的高度，由所述PLC控制模块控制所述升降装置的高度，从而根据作物的高度调整喷头的高度；

(2)在所述喷雾小车前进过程中，所述PLC控制模块根据所述流量传感器和压力变送器获取的喷雾管道中的流量值和压力值，根据模糊PID控制原理控制所述流量电动调节阀的开度，进行喷雾工作；

(3)当所述喷雾小车的行程开关通过直线轨道与半圆轨道的切点处轨道的外侧面的支板时，产生一个脉冲信号发送给所述PLC控制模块，所述PLC控制模块结合所述喷雾小车的瞬时速度发出加速或者减速的指令，即从直线轨道进入半圆轨道时，所述喷雾小车停止喷洒并减速，在从半圆轨道进入直线轨道时，所述喷雾小车做加速运动并开始喷洒药物；

S4：完成喷洒任务后，将所述外螺纹水管上升到最高位置，所述喷雾小车倒行返回操作台。

进一步地，所述PLC控制模块根据模糊PID控制原理控制所述流量电动调节阀的开度，进行喷雾工作的具体步骤包括：

A1：测量喷雾粒径的大小，找到最佳喷雾效果，将此时压力变送器测得的压力值和流量传感器测得的流量值作为模糊控制的目标值；

A2：模糊推理：

A21：步骤A1得到的最佳喷雾效果时流量传感器测得的流量值作为设定值R(t)，所述流量传感器实际测得的流量值作为测量值Y(t)，将设定值R(t)与测量值Y(t)进行比较，得到误差e以及误差e经微分运算得到的误差变化率ec；

A22：误差e乘以量化因子Ke得到E的模糊语言变量值{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}，误差变化率ec乘以量化因子Kec得到EC的模糊语言变量值{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}；

A23：根据E、EC结合PID控制规则，经模糊推理输出U，其中，输出U包含了U_Kp、U_Ki和U_Kd三个PID参数，每个参数均设有7个模糊语言变量值{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}；

A24：输出U乘以比例因子Ku，进行逆模糊化处理，得到参数Kp、Ki及Kd；

A3：PID控制：

将设定值R(t)与测量值Y(t)之间的误差传送给PID控制器，根据误差情况，在模糊规则表中选取相适应的Kp、Ki、Kd参数，进行PID运算得到输出U，即控制量U，将控制量U经D/A转换后的信号输送给所述流量电动调节阀，所述流量电动调节阀根据控制量信号的大小，调节其开度，从而达到控制流量的目的，其中，利用离散增量式模糊PID控制算法计算出流量电动调节阀的调节阀门位置的变化量：

ΔU(k)＝U(k)-U(k-1)＝Kp*[e(k)-e(k-1)]+Ki*e(k)+Kd*[e(k-1)+e(k-2)]，式中，e(k)、e(k-1)、e(k-2)分别是第k次、第k-1次、第k-2次的误差，Kp为比例参数，Ki为积分参数，Kd为微分参数。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：该喷雾系统能够均匀喷雾，在作物表面达到合理的药物沉积量，在保证有效防治病虫害的前提下，符合无公害农产品要求低量、超低量高效施药的要求，减少了用水量和用药量，降低了成本，减少了药物残留，提高了作物产量。

附图说明

图1为本发明的控制原理图；

图2为喷洒模块硬件连接示意图；

图3为动力装置结构示意图；

图4为行驶轨道规划图；

图5为升降装置结构示意图；

图6为模糊推理原理图；

图7为PID控制原理图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种基于PLC的变量喷雾系统及其控制方法，以解决现有技术中农药喷雾不均匀而造成的一系列问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例

一种基于PLC的变量喷雾系统，如图1所示，包括数据采集模块1、数据接收与处理模块2、PLC控制模块3以及喷洒模块4，所述数据接收与处理模块2将所述数据采集模块1采集到的电信号转化为所述PLC控制模块3能够直接接收和处理的信号，所述PLC控制模块3根据所述数据采集模块1采集到的信息控制所述喷洒模块4对作物进行喷雾，该系统还包括雷达探测模块5和无线接收模块6，所述无线接收模块6安装在所述喷雾小车401上，用以接收操作命令。

其中，所述数据采集模块1包括检测所述药箱中药液高度的液位传感器101，检测所述喷雾小车启动或停止时加速度的加速度传感器102，以保证喷雾小车平稳运行，检测所述喷雾小车瞬时速度的速度传感器103，将此瞬时速度传送给PLC控制模块3，使得喷雾小车的速度控制在一个安全的范围内，检测所述喷雾小车剩余电量及充电速度的电量检测仪104，检测喷雾管道压力的压力变送器105以及检测喷雾管道流量的流量传感器106。

所述雷达探测模块5包括用以探测前方障碍物的前视雷达501和用以检测作物高度的下视雷达502，前视雷达501向前发射超声波信号，当前视雷达501探测到前方有障碍物时，所述PLC控制模块3控制喷雾小车401紧急停车；用以检测作物高度的下视雷达502向下发射超声波信号，该超声波信号在接触作物时，向上反射声波信号，计算出发射和反射信号的时间t，从而计算出固定平台411c与作物间的距离s＝vt/2，超声波的速度v是已知的，所述PLC控制模块3根据测得的距离s来控制喷头403的高度，所述雷达探测模块5的信息通过所述数据接收与处理模块1传输给所述PLC控制模块3。

所述喷洒模块4包括喷雾小车401、安装在该喷雾小车401上的药箱402以及将药液雾化的喷头403，如图2所示，在所述药箱402和所述喷头403之间依次通过水泵404、回流电动调节阀405、压力变送器105、流量电动调节阀407、过滤器408和流量传感器106连接形成一喷雾管道，其中，当喷雾管道中的压力不在系统工作压力范围内时，PLC控制模块3控制回流电动调节阀405的开度，改变回流量，使得喷雾管道压力达到正常工作压力值，所述过滤器408过滤掉药液中微小杂质，防止杂质堵塞流量传感器106。

所述喷雾小车401在动力装置410的驱动下沿铺设的行驶轨道运行，在本实施例中，如图3所示，行驶轨道是由立柱支撑的，立柱的规划和假设是根据耕种面积及喷雾单向喷洒的宽度而设定的，各立柱的安装高度尽可能保持一致，行驶轨道的各面应平整，这种立柱支撑的设计可以在运行轨道的下方种植作物，最大限度的利用了耕地。另一方面，喷雾小车401是在轨运行，这使得喷雾小车401运行更加平稳，不用过多考虑循迹问题。所述喷雾小车401的动力装置410包括位于行驶轨道正上方的驱动轮410a，以及位于行驶轨道侧面，且沿行驶轨道上外沿运动的导向轮410b和位于行驶轨道侧面，且沿行驶轨道下外沿运动的稳定轮410c，每侧两个导向轮410b为喷雾小车401的驱动轮410a寻找方向，每侧一个稳定轮410c在横向上提供支撑，克服风力、向心力等横向作用力，所述驱动轮410a、导向轮410b以及稳定轮410c通过所述底盘支架410d装配在一起，所述驱动轮410a采用轮毂电机，该驱动轮410a的两侧外沿向下延伸卡接在行驶轨道两侧。

喷雾小车的行驶轨道的合理设计对喷雾效率与建设成本至关重要，所述行驶轨道由直线轨道和半圆轨道组成，相邻两条直线轨道之间通过半圆轨道相切连接，在直线轨道与半圆轨道的切点处轨道的外侧面设置有支板，半圆轨道的上表面与半圆圆心所在平面成夹角。

本实施例以1公顷的正方形土地为待喷洒的对象，假设喷雾小车401每一侧可以喷洒5m的宽度，那么喷雾小车401单个方向上就可以喷洒10m的宽度，1公顷行走10次5个来回，总共需要铺设10条100m长的长直轨道，为了使喷雾小车401在过弯是能够平顺的进行，相邻两条轨道用半径为5m的半圆形轨道相连接。直线轨道与半圆形轨道相切，半圆轨道面微微上仰，与圆心所在平面成1°夹角，这样做的目的是让喷雾小车401转向时，喷雾小车401重力提供部分向心力，有助于喷雾小车401导向轮410b的转向。在直线轨道与半圆形轨道的切点处轨道侧面做一小支板，喷雾小车401底盘上的行程开关通过小支板时，产生一个脉冲信号给PLC控制模块3，PLC控制模块3结合目前喷雾小车401的速度大小做出减速或加运动，一般在进入弯道时，喷雾停止，并做减速运动，在将要进入直线轨道时做加速运动，在进入直线轨道时刚好达到喷雾速度，开始喷雾。喷雾小车401行驶轨道规划图如图4所示。

由于轨道立柱的影响，在行驶轨道两侧各安装一个升降装置411，如图5所示，所述升降装置411包括水管接头411a、外螺纹水管411b、固定平台411c、齿轮411d以及角编码器411e，其中，竖直设置的外螺纹水管411b的顶端连接所述水管接头411a，所述外螺纹水管411b的底端垂直设置了连接杆411f，在所述连接杆411f上设置有若干个喷头403，所述水管接头411a的另一端连接水管，所述外螺纹水管411b垂直穿过所述固定平台411c，在所述固定平台411c上设置有升降变频电机411g，在所述固定平台411c的底面设置有检测作物高度的下视雷达器502，由升降变频电机411g驱动的齿轮411d与所述外螺纹水管411b齿合，所述齿轮411d旋转带动所述外螺纹水管411b纵向移动，所述外螺纹水管411b升降最大值在30s内完成，则每秒移动50mm,设外螺纹管螺纹间距为d,则每秒应移动50/d个螺纹，设齿轮齿数为a,则电机转速为3000/(a*d)，若电机磁极对数为b,则变频调速的频率应为(50*b)/(a*d)。

所述角编码器411e的齿轮与所述外螺纹水管411b齿合，所述角编码器411e的初始位置设为0位，在本实施例中，将喷头403上升到最高位置时，角码器411e的位置设为0位，由所述外螺纹水管411b的纵向移动带动所述角编码器411e的齿轮转动。设编码器齿轮有k个齿，则每个齿对应角度为360°/k，若外螺纹水管下降距离为h，则编码器对应旋转角度为(360°*h)/(k*d),此时PLC控制模块3断掉驱动电机电源，电机电磁刹车抱死，停止外螺纹水管纵向移动。

作为一种优选的技术方案，所述固定平台411c与地面之间距离为2m，可以满足行驶轨道下方的作物能够正常生长，不受空间、光照及施药的影响，为了满足不同作物在各个生长周期的喷雾距离要求，所述外螺纹水管411b的长度为150cm-180cm，所述喷头403与地面的最小距离为50cm，所述喷头403与地面的最大距离为200cm。

进一步地，该系统还包括设置在喷雾小车上的显示模块7，用以显示所述喷雾小车401的启停、所述喷雾小车所述喷雾小车401的速度、所述水泵404的启停、所述药箱402液位以及障碍物报警。

在本实施例中，所述PLC控制模块3采用西门子公司的S7-200型PLC，所述数据接收与处理模块1采用EM235模拟量输入输出模块，所述流量传感器106采用LWGYC-4型涡轮流量计，所述压力变送器105采用FY211型压力变送器，所述流量电动调节阀407采用SR13G21520A1-E型电磁阀。

一种基于PLC的变量喷雾系统的控制方法，包括如下步骤：

S1：将所述喷雾小车401放置于行驶轨道上，所述PLC控制模块3初始化；

S2：打开所述水泵404，向所述药箱402中注入药液，并通过所述液位传感器101检测药箱中药液高度，若药液高度小于最低水位线，发出警报，若药液高度达到最高水位线，则所述水泵404停止工作，并发出警报；

S3：所述喷雾小车401在所述PLC控制模块3的控制下开始行走并喷雾：

(1)在行走过程中所述前视雷达501探测行驶轨道是否有障碍物，如果有，则向所述PLC控制模块3发出信号，所述喷雾小车401紧急停车，所述下视雷达502实时检测作物的高度，由所述PLC控制模块3控制所述升降装置411的高度，从而根据作物的高度调整喷头403的高度；

(2)在所述喷雾小车401前进过程中，所述PLC控制模块3根据所述流量传感器106和压力变送器105获取的喷雾管道中的流量值和压力值，根据模糊PID控制原理控制所述流量电动调节阀407的开度，进行喷雾工作；

A1：测量喷雾粒径的大小，找到最佳喷雾效果，将此时压力变送器105测得的压力值和流量传感器106测得的流量值作为模糊控制的目标值；

喷雾飘移一方面会造成喷雾不均匀，浪费农药，提高喷雾成本，另一方面还会给生态环境造成严重的破坏。在喷雾过程中，细小的喷雾会很好的覆盖到植株表面，但是由于风力的作用，常常会造成较大的飘散；喷雾雾滴过大，风力作用效果减弱，不易飘散，但是它的覆盖性却下降。因此，需要首先研究喷雾粒径的大小，找到合适的喷雾效果，使其既能满足喷洒时有良好的覆盖效果，又能抵抗风力作用，减少飘散。

本实施中采用多谱勒粒子分析测试设备测试喷雾系统在不同的压力，流量下，喷雾粒径的大小。根据系统配置，分别设置了压力在0.5MPa、0.4MPa、0.3MPa、0.2MPa、0.1MPa，以及流量在0.1m³/h、0.08m³/h、0.07m³/h、0.06m³/h、0.05m³/h、0.04m³/h的测量条件，结果显示,像素点在1-3之间，即喷雾粒径大约在66.3μm-198.9μm之间，认为是喷雾效果最好,此时,压力为0.3MPa左右，流量在0.08m³/h左右。在粒径在200μm以上(像素点在3以上)的喷雾效果差。因此，压力0.3MPa、流量0.08m³/h作为系统控制的目标值。

随后需要对喷雾沉积量进行测量，即在选定好的喷雾效果后，喷洒在农作物上，测量农作物叶片上单位面积上有多少的药物，沉积量的大小，直接决定了农药对作物病虫害的杀灭效果。

A2：如图6所示，模糊推理：

A21：步骤A1得到的最佳喷雾效果时流量传感器106测得的流量值作为设定值R(t)，所述流量传感器106实际测得的流量值作为测量值Y(t)，将设定值R(t)与测量值Y(t)进行比较，得到误差e以及误差e经微分运算得到的误差变化率ec；

A22：误差e乘以量化因子Ke得到E的模糊语言变量值{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}，误差变化率ec乘以量化因子Kec得到EC的模糊语言变量值{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}；

A23：根据E、EC结合PID控制规则，经模糊推理输出U，其中，输出U包含了U_Kp、U_Ki和U_Kd三个PID参数，每个参数均设有7个模糊语言变量值{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}；

A24：输出U乘以比例因子Ku，进行逆模糊化处理，得到参数Kp、Ki及Kd；

A3：PID控制，如图7所示：

将设定值R(t)与测量值Y(t)之间的误差传送给PID控制器，根据误差情况，在模糊控制规则表中选取相适应的Kp、Ki、Kd参数，表1所示为Kp、Ki、Kd的模糊控制规则表。

表1Kp、Ki、Kd的模糊控制规则表

在表1中，每格包含了Kp、Ki、Kd三个参数的模糊语言变量值，当知道误差，误差的变化率就可以自动的根据此表，来找出相应的PID参数，而不用像传统的PID，参数需要人工手动调节。

接着，进行PID运算得到输出U，即控制量U，将控制量U经D/A转换后的信号输送给所述流量电动调节阀407，所述流量电动调节阀407根据控制量信号的大小，调节其开度，从而达到控制流量的目的，其中，利用离散增量式模糊PID控制算法计算出流量电动调节阀407的调节阀门位置的变化量：ΔU(k)＝U(k)-U(k-1)＝Kp*[e(k)-e(k-1)]+Ki*e(k)+Kd*[e(k-1)+e(k-2)]，式中，e(k)、e(k-1)、e(k-2)分别是第k次、第k-1次、第k-2次的误差，Kp为比例参数，Ki为积分参数，Kd为微分参数。

流量电动调节阀407的阀门动力来源为电动机，电动机带动减速机构，控制阀门的开度，从而达到控制流量的目的。设电动机的转速为ω₁，经过减速后的转速为ω₂，忽略电磁惯性和机械惯性的影响，初始状态设为0，电动机的转速ω₁＝K₁*U_r，减速后的转速ω₂＝K₂*U_r，可得公式1：ω₂＝K₁*K₂*U_r(1)式中，K₁为转换系数，K₂为减速比系数，U_r为电动机的额定工作电压。

在一定的液压条件下，流量值与流量电动调节阀的阀门开度有关，流量与流量电动调节阀的阀门开度成一Г型曲线关系。ω₂＝dθ/dt，令K＝K₁*K₂，公式1可表示为公式2：dθ＝K*U_r*dt (2)

由于U_r是一个常数，对公式2进行积分运算得到公式3：

θ＝K*U_r*(t-t₀) (3)

式中，t₀为电磁惯性和机械惯性，对公式3进行拉氏变化，得到控制器的运算关系式4：

经查询相关资料可知，K*U_r的值可以取1.738，电动机的启动延时时间在0.005s到0.01s之间，本实施例仿真t₀取0.01s,所以，上述的传递函数可以转化为公式5：

(3)当所述喷雾小车401的行程开关通过直线轨道与半圆轨道的切点处轨道的外侧面的支板时，产生一个脉冲信号发送给所述PLC控制模块3，所述PLC控制模块3结合所述喷雾小车401的瞬时速度发出加速或者减速的指令，即从直线轨道进入半圆轨道时，所述喷雾小车401停止喷洒并减速，在从半圆轨道进入直线轨道时，所述喷雾小车401做加速运动并开始喷洒药物；

S4：完成喷洒任务后，将所述外螺纹水管411b上升到最高位置，所述喷雾小车401倒行返回操作台。

本申请的上述实施例中，通过提供一种基于PLC的变量喷雾系统及其控制方法，首先测量最佳雾化效果时的雾粒粒径，将此时喷雾管道的流量值和压力值大小作为系统控制的目标值，PLC控制模块根据流量传感器和压力变送器获取的喷雾管道中的流量值和压力值，根据模糊PID控制原理控制流量电动调节阀的开度，进行喷雾工作，除此之外，对喷雾沉积量进行测量，即在选定好的喷雾效果后，喷洒在农作物上，测量农作物叶片上单位面积上有多少的药物，本发明使得喷雾系统能够均匀喷雾，在作物表面达到合理的药物沉积量，在保证有效防治病虫害的前提下，符合无公害农产品要求低量、超低量高效施药的要求，减少了用水量和用药量，降低了成本，减少了药物残留。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于PLC的变量喷雾系统，包括数据采集模块(1)、数据接收与处理模块(2)、PLC控制模块(3)以及喷洒模块(4)，所述数据接收与处理模块(2)将所述数据采集模块(1)采集到的电信号转化为所述PLC控制模块(3)能够直接接收和处理的信号，所述PLC控制模块(3)根据所述数据采集模块(1)采集到的信息控制所述喷洒模块(4)对作物进行喷雾，其特征在于，

该系统还包括雷达探测模块(5)和无线接收模块(6)，其中，所述雷达探测模块(5)包括用以探测前方障碍物的前视雷达(501)和用以检测作物高度的下视雷达(502)，所述雷达探测模块(5)的信息通过所述数据接收与处理模块(1)传输给所述PLC控制模块(3)，所述喷洒模块(4)包括喷雾小车(401)、安装在该喷雾小车(401)上的药箱(402)以及将药液雾化的喷头(403)，在所述药箱(402)和所述喷头(403)之间依次通过水泵(404)、回流电动调节阀(405)、压力变送器(105)、流量电动调节阀(407)、过滤器(408)和流量传感器(106)连接形成一喷雾管道，所述喷雾小车(401)在动力装置(410)的驱动下沿铺设的行驶轨道运行，所述喷雾小车(401)上还设置有根据所述下视雷达(502)检测的作物高度而自动调节喷头高度的升降装置(411)，所述无线接收模块(6)安装在所述喷雾小车(401)上，用以接收操作命令。

2.根据权利要求1所述的基于PLC的变量喷雾系统，其特征在于，所述数据采集模块(1)包括检测所述药箱中药液高度的液位传感器(101)，检测所述喷雾小车启动或停止时加速度的加速度传感器(102)，检测所述喷雾小车瞬时速度的速度传感器(103)，检测所述喷雾小车剩余电量及充电速度的电量检测仪(104)，检测喷雾管道压力的压力变送器(105)以及检测喷雾管道流量的流量传感器(106)。

3.根据权利要求1所述的基于PLC的变量喷雾系统，其特征在于，所述喷雾小车(401)的动力装置(410)包括位于行驶轨道正上方的驱动轮(410a)，以及位于行驶轨道侧面，且沿行驶轨道上外沿运动的导向轮(410b)和位于行驶轨道侧面，且沿行驶轨道下外沿运动的稳定轮(410c)，所述驱动轮(410a)、导向轮(410b)以及稳定轮(410c)通过所述底盘支架(410d)装配在一起，所述驱动轮(410a)采用轮毂电机，该驱动轮(410a)的两侧外沿向下延伸卡接在行驶轨道两侧。

4.根据权利要求1所述的基于PLC的变量喷雾系统，其特征在于，所述行驶轨道由直线轨道和半圆轨道组成，相邻两条直线轨道之间通过半圆轨道相切连接，在直线轨道与半圆轨道的切点处轨道的外侧面设置有支板，半圆轨道的上表面与半圆圆心所在平面成夹角。

5.根据权利要求1所述的基于PLC的变量喷雾系统，其特征在于，在行驶轨道两侧各安装一个升降装置(411)，所述升降装置(411)包括水管接头(411a)、外螺纹水管(411b)、固定平台(411c)、齿轮(411d)以及角编码器(411e)，其中，竖直设置的外螺纹水管(411b)的顶端连接所述水管接头(411a)，所述外螺纹水管(411b)的底端垂直设置了连接杆(411f)，在所述连接杆(411f)上设置有若干个喷头(403)，所述水管接头(411a)的另一端连接水管，所述外螺纹水管(411b)垂直穿过所述固定平台(411c)，在所述固定平台(411c)上设置有升降变频电机(411g)，在所述固定平台(411c)的底面设置有检测作物高度的下视雷达器(502)，由升降变频电机(411g)驱动的齿轮(411d)与所述外螺纹水管(411b)齿合，所述齿轮(411d)旋转带动所述外螺纹水管(411b)纵向移动，所述角编码器(411e)的齿轮与所述外螺纹水管(411b)齿合，所述角编码器(411e)的初始位置设为0位，由所述外螺纹水管(411b)的纵向移动带动所述角编码器(411e)的齿轮转动。

6.根据权利要求5所述的基于PLC的变量喷雾系统，其特征在于，所述固定平台(411c)与地面之间距离为2m，所述外螺纹水管(411b)的长度为150cm-180cm，所述喷头(403)与地面的最小距离为50cm，所述喷头(403)与地面的最大距离为200cm。

7.根据权利要求1所述的基于PLC的变量喷雾系统，其特征在于，该系统还包括设置在喷雾小车上的显示模块(7)，用以显示所述喷雾小车(401)的启停、所述喷雾小车所述喷雾小车(401)的速度、所述水泵(404)的启停、所述药箱(402)液位以及障碍物报警。

8.如权利要求1所述的基于PLC的变量喷雾系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将所述喷雾小车(401)放置于行驶轨道上，所述PLC控制模块(3)初始化；

S2：打开所述水泵(404)，向所述药箱(402)中注入药液，并通过所述液位传感器(101)检测药箱中药液高度，若药液高度小于最低水位线，发出警报，若药液高度达到最高水位线，则所述水泵(404)停止工作，并发出警报；

S3：所述喷雾小车(401)在所述PLC控制模块(3)的控制下开始行走并喷雾：

(1)在行走过程中所述前视雷达(501)探测行驶轨道是否有障碍物，如果有，则向所述PLC控制模块(3)发出信号，所述喷雾小车(401)紧急停车，所述下视雷达(502)实时检测作物的高度，由所述PLC控制模块(3)控制所述升降装置(411)的高度，从而根据作物的高度调整喷头(403)的高度；

(2)在所述喷雾小车(401)前进过程中，所述PLC控制模块(3)根据所述流量传感器(106)和压力变送器(105)获取的喷雾管道中的流量值和压力值，根据模糊PID控制原理控制所述流量电动调节阀(407)的开度，进行喷雾工作；

(3)当所述喷雾小车(401)的行程开关通过直线轨道与半圆轨道的切点处轨道的外侧面的支板时，产生一个脉冲信号发送给所述PLC控制模块(3)，所述PLC控制模块(3)结合所述喷雾小车(401)的瞬时速度发出加速或者减速的指令，即从直线轨道进入半圆轨道时，所述喷雾小车(401)停止喷洒并减速，在从半圆轨道进入直线轨道时，所述喷雾小车(401)做加速运动并开始喷洒药物；

S4：完成喷洒任务后，将所述外螺纹水管(411b)上升到最高位置，所述喷雾小车(401)倒行返回操作台。

9.根据权利要求8所述的基于PLC的变量喷雾系统的控制方法，其特征在于，所述PLC控制模块(3)根据模糊PID控制原理控制所述流量电动调节阀(407)的开度，进行喷雾工作的具体步骤包括：

A1：测量喷雾粒径的大小，找到最佳喷雾效果，将此时压力变送器(105)测得的压力值和流量传感器(106)测得的流量值作为模糊控制的目标值；

A2：模糊推理：

A21：步骤A1得到的最佳喷雾效果时流量传感器(106)测得的流量值作为设定值R(t)，所述流量传感器(106)实际测得的流量值作为测量值Y(t)，将设定值R(t)与测量值Y(t)进行比较，得到误差e以及误差e经微分运算得到的误差变化率ec；

A22：误差e乘以量化因子Ke得到E的模糊语言变量值{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}，误差变化率ec乘以量化因子Kec得到EC的模糊语言变量值{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}；

A23：根据E、EC结合PID控制规则，经模糊推理输出U，其中，输出U包含了U_Kp、U_Ki和U_Kd三个PID参数，每个参数均设有7个模糊语言变量值{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}；

A24：输出U乘以比例因子Ku，进行逆模糊化处理，得到参数Kp、Ki及Kd；

A3：PID控制：

将设定值R(t)与测量值Y(t)之间的误差传送给PID控制器，根据误差情况，在模糊规则表中选取相适应的Kp、Ki、Kd参数，进行PID运算得到输出U，即控制量U，将控制量U经D/A转换后的信号输送给所述流量电动调节阀(407)，所述流量电动调节阀(407)根据控制量信号的大小，调节其开度，从而达到控制流量的目的，其中，利用离散增量式模糊PID控制算法计算出流量电动调节阀(407)的调节阀门位置的变化量：

ΔU(k)＝U(k)-U(k-1)＝Kp*[e(k)-e(k-1)]+Ki*e(k)+Kd*[e(k-1)+e(k-2)]，式中，e(k)、e(k-1)、e(k-2)分别是第k次、第k-1次、第k-2次的误差，Kp为比例参数，Ki为积分参数，Kd为微分参数。