CN108021063B - 压力稳态与状态反馈结合的植保机精准施药控制方法 - Google Patents

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CN108021063B CN201711234457.9A CN201711234457A CN108021063B CN 108021063 B CN108021063 B CN 108021063B CN 201711234457 A CN201711234457 A CN 201711234457A CN 108021063 B CN108021063 B CN 108021063B
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Abstract

压力稳态与状态反馈结合的植保机精准施药控制方法,考虑施药压力系统的非线性因素和植保机药液泵与施药管道之间的压力模型，建立植保机药液泵与施药管道之间的压力系统的状态方程；设计压力稳态与状态反馈结合控制的施药压力控制器，基于压力系统状态方程，使施药压力克服复杂工况扰动跟踪参考压力。本发明建立基于植保机药液泵与施药管道之间的压力系统状态方程；设计压力稳态与状态反馈结合的植保机精准施药控制；易于使植保机施药压力克服复杂工况扰动跟踪期望压力，该控制方法能精确控制植保机施药压力，提高植保机的喷施效率，减少农药浪费。

Description

压力稳态与状态反馈结合的植保机精准施药控制方法
技术领域：
本发明涉及农业智能机械自动化领域，尤其是关于植保机作业状态参数的智能控制方法。
背景技术：
随着科学农业的高速发展与机械农业的发展需求，种植农业对植保机械的要求也越来越高。现今我国的农药年产量近百万吨，但是对于农药的有效使用率不足40％，其原因正是因为植保机械能力的落后与不足，开发与研制适合现代农业的植保机械已经成为当今发展科学农业的当务之急。
喷药效果作为衡量植保机械优劣的有效指标，良好的喷药效果需要对植保机喷药压力、流量、机械行走速度等达到有效的控制，这其中对植保机械喷药压力的控制成为重中之重。到目前为止，还没有将完整的植保机施药压力系统模型与高级智能控制相结合使植保机施药压力快速准确地克服复杂工况扰动跟踪期望压力的控制方法。因此研究使植保机施药压力快速准确地克服工况扰动跟踪期望压力的控制方法具有重要意义。
发明内容：
发明目的：
为了解决上述问题，本发明提供了一种压力稳态与状态反馈结合的植保机精准施药控制方法。
技术方案：
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种压力稳态与状态反馈结合的植保机精准施药控制方法，其特征在于：
考虑施药压力系统的非线性因素和植保机药液泵与施药管道之间的压力模型，建立植保机药液泵与施药管道之间的压力系统的状态方程；设计压力稳态与状态反馈结合控制的施药压力控制器，基于压力系统状态方程，使施药压力克服复杂工况扰动跟踪参考压力。具体步骤如下：
1)基于植保机药液泵与施药管道之间的压力模型，施药压力系统的非线性因素，建立植保机药液泵与施药管道之间的压力系统的状态方程；
2)设计基于压力系统状态方程的压力稳态与状态反馈结合控制的施药压力控制器，使施药压力克服复杂工况扰动跟踪参考压力；
3)基于STM32系列微控制器和CAN总线通信方式设计基于CAN总线植保机压力稳态控制器，使施药压力信号能快速跟踪参考压力信号。
步骤如下：
步骤1)基于植保机药液泵与施药管道之间的压力模型，施药压力系统的非线性因素，建立植保机药液泵与施药管道之间的压力系统的状态方程，施药压力系统的数学模型描述如下
喷药压力系统的药液泵是指具有由轮轴驱动的径向活塞的柱塞泵，当药液从药液箱流入药液泵室，然后被施加到高压后输送到药液管道。施药压力系统的数学模型：
Figure BDA0001488740960000021
药液泵内药液体积变化
Figure BDA0001488740960000022
根据驱动轴的运动而改变：
Figure BDA0001488740960000023
pp为药液泵压力，Kf为体积模量，Vp为药液泵体积，qi是药液的入口流量，可以由压力控制阀调节，q0是药液的泄漏量，通常被认为是恒定值。qpr为药液泵到管道的流量即出口流量，Ap药液泵出口面积，ωr为轴转速，具体表达为：
Figure BDA0001488740960000024
cpr为药液泵出口的药液流量系数，Apr为药液泵出口的截面积，ρ为药液密度，pr为药液管道压力。在喷药压力系统中，药液管道可以认为是具有一定体积的连接药液泵和喷嘴组的药液载体。药液管道的压力动态方程可以表示为：
Figure BDA0001488740960000025
其中Vr是管道药液的体积，qri是管道的药液出口流量也等于喷嘴组喷射量总和。确定qri和pr之间的关系。结合式(1)、(2)，喷药压力系统模型为：
Figure BDA0001488740960000026
Figure BDA0001488740960000027
其中，
Figure BDA0001488740960000028
η为泄漏系数。
步骤2)基于植保机药液泵与施药管道之间的压力模型，施药压力系统的非线性因素，建立植保机药液泵与施药管道之间的压力系统的状态方程，施药压力系统状态方程描述如下：
定义状态变量x1＝pr，
Figure BDA0001488740960000029
u＝qi作为控制量输入；由式(1)、(2)、(5)喷药压力系统状态方程为:
Figure BDA0001488740960000031
其中，c＝[1,0]，c为输出矩阵。y为输出压力。
Figure BDA0001488740960000032
Figure BDA0001488740960000033
Figure BDA0001488740960000034
Figure BDA0001488740960000035
a1,a2,b1,b2为压力系统状态方程的状态矩阵。
步骤3)设计基于压力系统状态方程的压力稳态与状态反馈结合控制的施药压力控制器，使施药压力克服复杂工况扰动跟踪参考压力，具体描述如下
稳态性能控制：根据式(6)，设计稳态控制，
Figure BDA0001488740960000036
即
Figure BDA0001488740960000038
为输出压力变化率等于状态变量
Figure BDA0001488740960000039
的变化率。对式(8)求导，得出
Figure BDA00014887409600000310
Figure BDA00014887409600000311
为输出压力变化率的导数，
Figure BDA00014887409600000312
为状态变量x2的变化率。为a1对于x1的偏导值，
Figure BDA00014887409600000314
为b1对于x1的偏导值，将式(9)代入
Figure BDA00014887409600000315
稳态控制中，使参考压力y平稳变化，无激烈变化，令
Figure BDA0001488740960000041
和
Figure BDA0001488740960000042
Figure BDA0001488740960000043
fs(x)为稳态控制律。引入压力稳态后，控制律为：
u为现阶段总体控制律，
Figure BDA0001488740960000045
为引入控制律。代入式(11)
Figure BDA0001488740960000046
其中，y*为输出压力参考值，
Figure BDA0001488740960000047
为输出压力参考值变化率，
Figure BDA0001488740960000048
为输出压力参考值变化率的导数，
Figure BDA0001488740960000049
B(x)＝b1(x1)b2(x)。
引入压力状态反馈控制，控制律为：
u2为状态反馈控制律。同理，代入式(11)中，推出
Figure BDA00014887409600000411
控制律：
Figure BDA00014887409600000412
定义压力误差为：e1＝y*-y；
Figure BDA00014887409600000413
e2为e1的变化率；
Figure BDA00014887409600000414
e3为e2的误差值。k0,k1,k2为控制律系数。
状态反馈控制的控制律：
Figure BDA00014887409600000415
其中，∫e1dt为误差e1的积分值。联立式(12)(14)(18)，总体的控制律为：
Figure BDA0001488740960000051
其中：
Figure BDA0001488740960000052
Figure BDA0001488740960000053
Figure BDA0001488740960000054
Figure BDA0001488740960000055
Figure BDA0001488740960000056
步骤4)基于STM32系列微控制器和CAN总线通信方式设计基于CAN总线植保机压力稳态控制器，使施药压力信号能快速跟踪参考压力信号。其特征在于：以STM32系列微控制器为主控制器，以CAN2.0B为总线通信规范，硬件上两路达林顿0.5A输出,两路5A继电器输出，扩展输出可实现,4-20mA模拟量输出，两路交流20A信号输出。
优点及效果：
本发明为一种压力稳态与状态反馈结合的植保机精准施药控制方法，具有如下优点：本发明建立基于植保机药液泵与施药管道之间的压力系统状态方程；设计压力稳态与状态反馈结合的植保机精准施药控制；易于使植保机施药压力克服复杂工况扰动跟踪期望压力，该控制方法能精确控制植保机施药压力，提高植保机的喷施效率，减少农药浪费。
附图说明：
图1为本发明控制器工作框图；
图2为本发明主控制器最小系统；
图3-1，3-2为本发明CAN总线模块原理电路；
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的说明，但本发明保护范围不受实施例的限制。
一种压力稳态与状态反馈结合的植保机精准施药控制方法，其特征在于：
1)基于植保机药液泵与施药管道之间的压力模型，施药压力系统的非线性因素，建立植保机药液泵与施药管道之间的压力系统的状态方程；
2)设计基于压力系统状态方程的压力稳态与状态反馈结合控制的施药压力控制器，使施药压力克服复杂工况扰动跟踪参考压力；
3)基于STM32系列微控制器和CAN总线通信方式设计基于CAN总线植保机压力稳态控制器，使施药压力信号能快速跟踪参考压力信号。
步骤如下：
步骤1)基于植保机药液泵与施药管道之间的压力模型，施药压力系统的非线性因素，建立植保机药液泵与施药管道之间的压力系统的状态方程，施药压力系统的数学模型描述如下：
Figure BDA0001488740960000061
药液泵内药液体积变化根据驱动轴的运动而改变：
Figure BDA0001488740960000069
pp为药液泵压力，Kf为体积模量，Vp为药液泵体积，qi是药液的入口流量，可以由压力控制阀调节，q0是药液的泄漏量，通常被认为是恒定值。qpr为药液泵到管道的流量即出口流量，Ap药液泵出口面积，ωr为轴转速，具体表达为：
Figure BDA0001488740960000063
cpr为药液泵出口的药液流量系数，Apr为药液泵出口的截面积，ρ为药液密度,pr为药液管道压力。在喷药压力系统中，药液管道可以认为是具有一定体积的连接药液泵和喷嘴组的药液载体。药液管道的压力动态方程可以表示为：
Figure BDA0001488740960000064
其中Vr是管道药液的体积，qri是管道的药液出口流量也等于喷嘴组喷射量总和。确定qri和pr之间的关系。结合式(1)、(2)，喷药压力系统模型为：
Figure BDA0001488740960000065
Figure BDA0001488740960000066
其中，η为泄漏系数。
步骤2)基于植保机药液泵与施药管道之间的压力模型，施药压力系统的非线性因素，建立植保机药液泵与施药管道之间的压力系统的状态方程，施药压力系统状态方程描述如下
定义状态变量x1＝pr，
Figure BDA0001488740960000068
u＝qi作为控制量输入；由式(1)、(2)、(5)喷药压力系统状态方程为:
其中，c＝[1,0]，c为输出矩阵。y为输出压力。
Figure BDA0001488740960000072
Figure BDA0001488740960000073
Figure BDA0001488740960000074
Figure BDA0001488740960000075
a1,a2,b1,b2为压力系统状态方程的状态矩阵。
步骤3)设计基于压力系统状态方程的压力稳态与状态反馈结合控制的施药压力控制器，使施药压力克服复杂工况扰动跟踪参考压力，具体描述如下
稳态性能控制：根据式(6)，设计稳态控制，
即
Figure BDA0001488740960000077
Figure BDA0001488740960000078
为输出压力变化率等于状态变量的变化率。对式(8)求导，得出
Figure BDA00014887409600000710
Figure BDA00014887409600000711
为输出压力变化率的导数，
Figure BDA00014887409600000712
为状态变量x2的变化率。
Figure BDA00014887409600000713
为a1对于x1的偏导值，
Figure BDA00014887409600000714
为b1对于x1的偏导值，将式(9)代入
Figure BDA00014887409600000715
稳态控制中，使参考压力y平稳变化，无激烈变化，令
Figure BDA0001488740960000081
和
Figure BDA0001488740960000083
fs(x)为稳态控制律。引入压力稳态控制后，控制律为：
Figure BDA0001488740960000084
u为现阶段总体控制律，为引入控制律。代入式(11)
Figure BDA0001488740960000086
其中，y*为输出压力参考值，
Figure BDA0001488740960000087
为输出压力参考值变化率，
Figure BDA0001488740960000088
为输出压力参考值变化率的导数，
Figure BDA0001488740960000089
B(x)＝b1(x1)b2(x)。
引入压差状态反馈控制，控制律为：
Figure BDA00014887409600000810
u2为状态反馈控制律。同理，代入式(11)中，推出
Figure BDA00014887409600000811
控制律：
Figure BDA00014887409600000812
定义压力误差为：e1＝y*-y；e2为e1的变化率；e3为e2的误差值。k0,k1,k2为控制律系数。
状态反馈控制的控制律：
Figure BDA00014887409600000815
其中，∫e1dt为误差e1的积分值。联立式(12)(14)(18)，总体的控制律为：
Figure BDA00014887409600000816
其中：
Figure BDA0001488740960000091
Figure BDA0001488740960000092
Figure BDA0001488740960000093
Figure BDA0001488740960000095
步骤4)基于STM32系列微控制器和CAN总线通信方式设计基于CAN总线植保机压力稳态控制器，使施药压力信号能快速跟踪参考压力信号。其特征在于：以STM32系列微控制器为主控制器，以CAN2.0B为总线通信规范，硬件上两路达林顿0.5A输出,两路5A继电器输出，扩展输出可实现,4-20mA模拟量输出，两路交流20A信号输出。
综上所述：
本发明解决了植保机施药压力快速克服复杂扰动达到稳定的问题，发明一种压力稳态与状态反馈结合的植保机精准施药控制方法，建立基于植保机药液泵与施药管道之间的压力系统状态方程；设计压力稳态与状态反馈结合的植保机精准施药控制；使植保机施药压力克服复杂工况扰动跟踪期望压力，该控制方法能精确控制植保机施药压力，提高植保机的喷施效率，减少农药浪费。

Claims (2)

1.一种压力稳态与状态反馈结合的植保机精准施药控制方法，其特征在于：考虑施药压力系统的非线性因素和植保机药液泵与施药管道之间的压力模型，建立植保机药液泵与施药管道之间的压力系统的状态方程；设计压力稳态与状态反馈结合控制的施药压力控制器，基于压力系统状态方程，使施药压力克服复杂工况扰动跟踪参考压力，具体步骤如下：
1)基于植保机药液泵与施药管道之间的压力模型，施药压力系统的非线性因素，建立植保机药液泵与施药管道之间的压力系统的状态方程；
2)设计基于压力系统状态方程的压力稳态与状态反馈结合控制的施药压力控制器，使施药压力克服复杂工况扰动跟踪参考压力；
3)基于STM32系列微控制器和CAN总线通信方式设计基于CAN总线植保机压力稳态控制器，使施药压力信号能快速跟踪参考压力信号；
1)步骤中，基于植保机药液泵与施药管道之间的压力模型，施药压力系统的非线性因素，建立植保机药液泵与施药管道之间的压力系统的状态方程，施药压力系统的数学模型描述如下：
喷药压力系统的药液泵是指具有由轮轴驱动的径向活塞的柱塞泵，当药液从药液箱流入药液泵室，然后被施加到高压后输送到药液管道；施药压力系统的数学模型：
Figure FDA0002302092620000011
药液体积变化
Figure FDA0002302092620000012
根据驱动轴的运动而改变：
Figure FDA0002302092620000013
pp为药液泵压力，Kf为体积模量，Vp为药液泵体积，qi是药液的入口流量，由压力控制阀调节，q0是药液的泄漏量，是恒定值；qpr为药液泵到管道的流量即出口流量，Ap为药液泵出口面积，ωr为轴转速，
Figure FDA0002302092620000014
为药液体积变化，具体表达为：
Figure FDA0002302092620000015
cpr为药液泵出口的药液流量系数，Apr为药液泵出口的截面积，ρ为药液密度；pr为药液管道压力；在喷药压力系统中，药液管道是具有一定体积的连接药液泵和喷嘴组的药液载体；药液管道的压力动态方程表示为：
其中Vr是管道药液的体积，qri是管道的药液出口流量也等于喷嘴组喷射量总和；确定qri和pr之间的关系；结合式(1)、(2)，喷药压力系统模型为：
Figure FDA0002302092620000021
Figure FDA0002302092620000022
其中，
Figure FDA0002302092620000023
η为泄漏系数；
基于植保机药液泵与施药管道之间的压力模型，施药压力系统的非线性因素，建立植保机药液泵与施药管道之间的压力系统的状态方程，施药压力系统的状态方程描述如下：
定义状态变量x1＝pr，
Figure FDA0002302092620000024
u＝qi作为控制量输入；由式(1)、(2)、(5)喷药压力系统状态方程为:
Figure FDA0002302092620000025
y＝cx
其中，c＝[1,0]，c为输出矩阵；y为输出压力；
Figure FDA0002302092620000026
Figure FDA0002302092620000027
Figure FDA0002302092620000028
Figure FDA0002302092620000029
a1,a2,b1,b2为压力系统状态方程的状态矩阵；
设计基于压力系统状态方程的压力稳态与状态反馈结合控制的施药压力控制器，使施药压力克服复杂工况扰动跟踪参考压力，具体描述如下：
稳态性能控制：根据式(6)，设计稳态控制，
Figure FDA00023020926200000210
即
Figure FDA0002302092620000031
为输出压力变化率等于状态变量
Figure FDA0002302092620000033
的变化率；对式(8)求导，得出
Figure FDA0002302092620000034
Figure FDA0002302092620000035
为输出压力变化率的导数，
Figure FDA0002302092620000036
为状态变量x2的变化率；
Figure FDA0002302092620000037
为a1对于x1的偏导值，
Figure FDA0002302092620000038
为b1对于x1的偏导值，将式(9)代入
Figure FDA0002302092620000039
稳态控制中，使参考压力y平稳变化，无激烈变化，令
Figure FDA00023020926200000310
和
Figure FDA00023020926200000311
Figure FDA00023020926200000312
fs(x)为稳态控制律；引入压力稳态控制后，控制律为：
Figure FDA00023020926200000313
u为现阶段总体控制律，为引入控制律；代入式(11)
Figure FDA00023020926200000315
其中，y*为输出压力参考值，为输出压力参考值变化率，
Figure FDA00023020926200000317
为输出压力参考值变化率的导数，
Figure FDA00023020926200000318
B(x)＝b1(x1)b2(x)；
引入压力状态反馈控制，控制律为：
Figure FDA00023020926200000319
u2为状态反馈控制律；同理，代入式(11)中，推出
Figure FDA0002302092620000041
控制律：
定义压力误差为：e1＝y*-y；
Figure FDA0002302092620000043
e2为e1的变化率；
Figure FDA0002302092620000044
e3为e2的误差值；k0,k1,k2为控制律系数；
状态反馈控制的控制律：
Figure FDA0002302092620000045
其中，∫e1dt为误差e1的积分值；联立式(12)(14)(18)，总体的控制律为：
Figure FDA0002302092620000046
其中：
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2.根据权利要求1所述的压力稳态与状态反馈结合的植保机精准施药控制方法，其特征在于：基于STM32系列微控制器和CAN总线通信方式设计基于CAN总线植保机压力稳态控制器，使施药压力信号能快速跟踪参考压力信号，以STM32系列微控制器为主控制器，以CAN2.0B为总线通信规范，硬件上两路达林顿0.5A输出,两路5A继电器输出，扩展输出可实现,4-20mA模拟量输出，两路交流20A信号输出。
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