CN108770824B - 基于植保机柱塞泵压力的变喷雾系统流量跟踪控制方法 - Google Patents
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Abstract
基于植保机柱塞泵压力的变喷雾系统流量跟踪控制方法，基于植保机变喷雾系统的动力学模型和流量特性模型，考虑喷雾系统的非线性因素，建立植保机变喷雾系统输出压力与流量之间的状态方程；基于该状态方程，以实际输出流量和参考流量之差作为跟踪误差，设计植保机变喷雾系统的输出流量控制器，使喷雾流量实现对参考流量的渐近跟踪；采用CAN总线串行通讯协议传输数据，利用STM32单片机将输出电流信号提供给柱塞泵，通过控制柱塞泵的输出压力从而控制比例减压阀的输出流量。该控制方法能精确控制植保机喷雾输出流量，提高植保机喷雾效率，能有效地减少农药浪费。
Description
技术领域：
本发明涉及农业智能机械自动化领域，尤其是关于植保机变喷雾系统的智能控制方法。
背景技术：
目前，控制病虫草害最常见的方法是化学治理，然而在防治过程中，大部分药液飘散在空气中、沉积在土壤中，不仅浪费了大量的药剂，而且这些残留的药液成分很可能会进入到生物的体内，严重威胁了人类的生命安全，同时也对环境造成了污染。因此，变喷雾植保机械的研究具有一定的理论意义和非常强的实用价值。
植保机在现代的农作物中具有广泛的应用，关于植保机变喷雾系统流量跟踪控制方法已经有了许多研究成果，然而这些控制方法在考虑流量跟踪控制时都忽略了控制系统中柱塞泵的输出压力问题。如果不考虑柱塞泵的输出压力，会导致植保机变喷雾系统的喷雾流量不连续、不精准、容易造成浪费。因此，基于植保机柱塞泵压力的变喷雾系统流量跟踪控制方法的研究具有重要的意义。本发明所研究的植保机变喷雾系统是强非线性系统，到目前为止，还没有将柱塞泵的模型和比例减压阀的模型相结合控制的流量跟踪控制方法。因此研究植保机柱塞泵压力的变喷雾系统流量跟踪具有重要意义。
发明内容：
发明目的：
为了解决上述问题，本发明提供了基于植保机柱塞泵压力的变喷雾系统流量跟踪控制方法。
技术方案：
本发明是通过以下技术方案来实现的：
基于植保机柱塞泵压力的变喷雾系统流量跟踪控制方法，其特征在于：
1)基于植保机变喷雾系统的特征，结合动力学模型和流量特性模型，考虑喷雾系统的非线性因素，建立植保机变喷雾系统输出压力与流量之间的系统状态方程；
2)设计植保机变喷雾系统流量控制器，基于状态方程和动力学及流量特性，使植保机喷雾流量实现渐近跟踪；
3)采用CAN总线串行通讯协议传输数据，利用STM32单片机对植保机喷雾流量进行控制，实现了对植保机喷雾流量的渐近跟踪。
步骤如下：
步骤1)基于植保机变喷雾系统的特征，结合动力学模型和流量特性模型，考虑变喷雾系统的非线性因素，建立植保机变喷雾系统输出压力与流量之间的系统状态方程，其特征在于：变喷雾系统的动力学模型描述如下
在假设磁路未饱和，而且忽略铁损和磁路中材料的磁阻的条件下，通电后电磁阀的电磁力方程可以表示为
Fm为电磁阀的电磁力，δ为线圈与衔铁之间的气隙，N为线圈匝数，Sa为有效作用面积，μ0为真空磁导率，i为线圈中的电流。
建立模型时忽略流体动量变化产生的稳态液动力和瞬态液动力以及液体静压力，因此得到阀芯的运动平衡方程可以表示为
其中，
为弹簧刚度，m为阀芯的等效质量，c为阀芯的等效阻尼，x为阀芯的位移，x0为预先弹簧压缩量，k为弹簧刚度，kF为比例系数，i为线圈中的电流。
电磁阀的流量方程可以表示为
Qf为通过阀口的输出流量，Cf为流量系数，Sa为有效作用面积，x为阀芯的位移，P为出口压力，ρ为药液密度。
步骤2)变喷雾系统的柱塞泵控制模型描述如下
为了控制柱塞泵的输出压力，对柱塞泵的压力控制系统进行数学建模，直接驱动阀阀芯动力学方程具体表达为
Kv是线性电动机的力常数，v是线性电动机的输入电压，xv是直接驱动阀阀芯的位移，C1是阻尼力的系数，C2是弹簧的系数。
对于有泄露的线性方程可以表示为
Qc＝Kqxv-(Kc+CL1)Pc (5)
Qc是泵的输出流量，Kq是阀的流量增益系数，Kc是阀的流量压力系数，xv是直接驱动阀阀芯的位移，CL1是阀芯的泄露系数，Pc是泵的输出压力。
将连续性方程应用到柱塞泵中，可以表示为
Qc是泵的输出流量，Pc是泵的输出压力，Ac是活塞的截面积，xc是活塞的位移，CL2是泵的泄露系数，Vc是泵的容积，βe是药液的弹性模量。
泵的活塞位移和阀芯位移相关具体表示为
Ac是活塞的截面积，xc是活塞的位移，xv是直接驱动阀阀芯的位移，Keq为等效流量增益。
综上推导可得出
结合式(2)、(3)、(8)、(9)，变量喷药系统模型为
其中，
步骤3)变喷雾系统状态方程描述如下
定义状态变量x1＝a(P)x，
x3＝xv，x4＝Pc，u＝(i2 v)T作为控制量输入；由式(10)、(11)、(12)、(13)变喷雾系统状态方程为
假设Δx＝x-x0，其中x0是系统处在工作点时的状态变量。所以得到：
并且依据线性化理论，得到控制系统线性化模型，将上述方程表述为：
其中
其中，L＝-A2x0+l2，y为输出压力和输出流量。
步骤4)设计植保机变喷雾系统流量控制器，基于状态方程和动力学及流量特性，使植保机喷雾流量实现渐近跟踪，其特征在于：设计最佳的控制器，变喷雾系统的状态空间方程可表示为
其中，不确定矩阵ΔA主要依赖于不确定向量r，其在一定的范围内发生变化。系统的不确定性ΔA能满足下述特征
ΔA＝EθF (18)
其中，矩阵E和F为适维常数矩阵，矩阵θ为适维时变矩阵，受不确定向量r的影响，且满足θθT≤I。
为了能够让系统的输出误差向量e(t)＝y(t)-yr收敛到0，需要对误差向量进行积分处理，这样便可消除向量的误差，从而使误差为0，用公式可以表示为：
将公式(17)与本文控制系统中的状态方程(19)联立，得到増广系统为
将上述方程重新整理为一个増广状态方程的形式，如下所示
并且这里满足
为了能够达到控制器使系统稳定这一标准，所设计的性能指标只要满足线性系统是可控的，那么最优鲁棒输出跟踪控制不仅可以使输出流量值跟踪到目标设定的流量值，还能使性能指标达到最小值。系统的性能指标描述如下
由于系统具有不确定性，因此推导出最佳的控制输入为
u*(t)＝-Kz(t)＝-(1+α)kz(t) (23)
在这里α是调节因子，其中满足
那么所提出的控制率是能使线性控制系统具有指定收敛率的鲁棒输出跟踪控制器。
步骤5)采用CAN总线串行通讯协议传输数据，利用STM32单片机对植保机喷雾流量进行控制。其特征在于：以STM32单片机为主控制器，主控制器的输入接高度检测模块、输出接电机驱动模块；CAN总线通讯模块；以及电源供电模块。
步骤6)基于STM32单片机将输出信号提供驱动单元，实现了对变喷雾系统输出流量的实时控制。其特征在于：主控制器控制方法为读取高度检测单元的反馈信号与主控制器给定的控制命令信号y和yr，计算得出误差信号。根据误差信号，主控制器按照预定的控制算法计算出的喷雾的流量以及驱动比例减压阀的电流信号的控制量，送给比例减压阀驱动单元，控制植保机喷雾系统的输出流量追踪到参考流量。
优点及效果：
本发明是基于植保机柱塞泵压力的变喷雾系统流量跟踪控制方法，具有如下优点：本发明基于植保机变喷雾系统的特征，结合动力学模型和流量特性模型，考虑喷雾系统的非线性因素，建立植保机变喷雾系统输出压力与流量之间的系统状态方程；设计植保机变喷雾系统的输出流量控制器，使植保机喷雾流量实现渐近跟踪；该控制方法能精确控制植保机喷雾输出流量，提高植保机喷雾效率，能有效地减少农药浪费。
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。
.基于植保机柱塞泵压力的变喷雾系统流量跟踪控制方法，其特征在于：
1)基于植保机变喷雾系统的特征，结合动力学模型和流量特性模型，考虑喷雾系统的非线性因素，建立植保机变喷雾系统输出压力与流量之间的系统状态方程；
2)设计植保机变喷雾系统流量控制器，基于状态方程和动力学及流量特性，使植保机喷雾流量实现渐近跟踪；
3)采用CAN总线串行通讯协议传输数据，利用STM32单片机对植保机喷雾流量进行控制，实现了对植保机喷雾流量的渐近跟踪。
步骤如下：
步骤1)基于植保机变喷雾系统的特征，结合动力学模型和流量特性模型，考虑变喷雾系统的非线性因素，建立植保机变喷雾系统输出压力与流量之间的系统状态方程，其特征在于：变喷雾系统的动力学模型描述如下
在假设磁路未饱和，而且忽略铁损和磁路中材料的磁阻的条件下，通电后电磁阀的电磁力方程可以表示为
Fm为电磁阀的电磁力，δ为线圈与衔铁之间的气隙，N为线圈匝数，Sa为有效作用面积，μ0为真空磁导率，i为线圈中的电流。
建立模型时忽略流体动量变化产生的稳态液动力和瞬态液动力以及液体静压力，因此得到阀芯的运动平衡方程可以表示为
其中，
为弹簧刚度，m为阀芯的等效质量，c为阀芯的等效阻尼，x为阀芯的位移，x0为预先弹簧压缩量，k为弹簧刚度，kF为比例系数，i为线圈中的电流。
电磁阀的流量方程可以表示为
Qf为通过阀口的输出流量，Cf为流量系数，Sa为有效作用面积，x为阀芯的位移，P为出口压力，ρ为药液密度。
步骤2)变喷雾系统的柱塞泵控制模型描述如下
为了控制柱塞泵的输出压力，对柱塞泵的压力控制系统进行数学建模，直接驱动阀阀芯动力学方程具体表达为
Kv是线性电动机的力常数，v是线性电动机的输入电压，xv是直接驱动阀阀芯的位移，C1是阻尼力的系数，C2是弹簧的系数。
对于有泄露的线性方程可以表示为
Qc＝Kqxv-(Kc+CL1)Pc (5)
Qc是泵的输出流量，Kq是阀的流量增益系数，Kc是阀的流量压力系数，xv是直接驱动阀阀芯的位移，CL1是阀芯的泄露系数，Pc是泵的输出压力。
将连续性方程应用到柱塞泵中，可以表示为
Qc是泵的输出流量，Pc是泵的输出压力，Ac是活塞的截面积，xc是活塞的位移，CL2是泵的泄露系数，Vc是泵的容积，βe是药液的弹性模量。
泵的活塞位移和阀芯位移相关具体表示为
Ac是活塞的截面积，xc是活塞的位移，xv是直接驱动阀阀芯的位移，Keq为等效流量增益。
综上推导可得出
结合式(2)、(3)、(8)、(9)，变量喷药系统模型为
其中，
步骤3)变喷雾系统状态方程描述如下
定义状态变量x1＝a(P)x，
x3＝xv，x4＝Pc，u＝(i2 v)T作为控制量输入；由式(10)、(11)、(12)、(13)变喷雾系统状态方程为
假设Δx＝x-x0，其中x0是系统处在工作点时的状态变量。所以得到：
并且依据线性化理论，得到控制系统线性化模型，将上述方程表述为：
其中
其中，L＝-A2x0+l2，y为输出压力和输出流量。
步骤4)设计植保机变喷雾系统流量控制器，基于状态方程和动力学及流量特性，使植保机喷雾流量实现渐近跟踪，其特征在于：设计最佳的控制器，变喷雾系统的状态空间方程可表示为
其中，不确定矩阵ΔA主要依赖于不确定向量r，其在一定的范围内发生变化。系统的不确定性ΔA能满足下述特征
ΔA＝EθF (18)
其中，矩阵E和F为适维常数矩阵，矩阵θ为适维时变矩阵，受不确定向量r的影响，且满足θθT≤I。
为了能够让系统的输出误差向量e(t)＝y(t)-yr收敛到0，需要对误差向量进行积分处理，这样便可消除向量的误差，从而使误差为0，用公式可以表示为：
将公式(17)与本文控制系统中的状态方程(19)联立，得到増广系统为
将上述方程重新整理为一个増广状态方程的形式，如下所示
并且这里满足ΔAz＝EzθFz，
Fz＝(F 0)。
为了能够达到控制器使系统稳定这一标准，所设计的性能指标只要满足线性系统是可控的，那么最优鲁棒输出跟踪控制不仅可以使输出流量值跟踪到目标设定的流量值，还能使性能指标达到最小值。系统的性能指标描述如下
由于系统具有不确定性，因此推导出最佳的控制输入为
u*(t)＝-Kz(t)＝-(1+α)kz(t) (23)
在这里α是调节因子，其中满足
那么所提出的控制率是能使线性控制系统具有指定收敛率的鲁棒输出跟踪控制器。
步骤5)采用CAN总线串行通讯协议传输数据，利用STM32单片机对植保机喷雾流量进行控制。其特征在于：以STM32单片机为主控制器，主控制器的输入接高度检测模块、输出接电机驱动模块；CAN总线通讯模块；以及电源供电模块。
步骤6)基于STM32单片机将输出信号提供驱动单元，实现了对变喷雾系统输出流量的实时控制。其特征在于：主控制器控制方法为读取高度检测单元的反馈信号与主控制器给定的控制命令信号y和yr，计算得出误差信号。根据误差信号，主控制器按照预定的控制算法计算出的喷雾的流量以及驱动比例减压阀的电流信号的控制量，送给比例减压阀驱动单元，控制植保机喷雾系统的输出流量追踪到参考流量。
结论：
本发明解决了植保机喷雾流量快速跟踪达到稳定的问题，基于植保机变喷雾系统的特征，结合动力学模型和流量特性模型，考虑喷雾系统的非线性因素，建立植保机变喷雾系统输出压力与流量之间的系统状态方程，使植保机喷雾流量实现渐近跟踪，提高了植保机的喷雾效率，能有效地减少农药浪费。
Claims (4)
1.基于植保机柱塞泵压力的变喷雾系统流量跟踪控制方法，其特征在于：该植保机变喷雾系统是一种具有非线性特性的系统，基于这一特征，建立植保机变喷雾系统输出压力与流量之间的状态方程；通过直接驱动阀控制柱塞泵的输出压力，进而控制比例减压阀的输出流量；设计输出流量控制器，使植保机喷雾流量实现对参考流量的渐近跟踪；
该方法具体步骤如下：
1)基于植保机变喷雾系统的特征，结合动力学模型和流量特性模型，考虑喷雾系统的非线性因素，建立植保机变喷雾系统输出压力与流量之间的系统状态方程；通过直接驱动阀控制柱塞泵的输出压力，进而控制比例减压阀的输出流量；
2)设计植保机变喷雾系统流量控制器，基于状态方程和动力学及流量特性，使植保机喷雾流量实现渐近跟踪；
3)采用CAN总线串行通讯协议传输数据，利用STM32单片机对植保机喷雾流量进行控制，实现了对植保机喷雾流量的渐近跟踪；
步骤1)中变喷雾系统的动力学模型描述如下：
在假设磁路未饱和，而且忽略铁损和磁路中材料的磁阻的条件下，通电后电磁阀的电磁力方程表示为
Fm为电磁阀的电磁力，δ为线圈与衔铁之间的气隙，N为线圈匝数，Sa为有效作用面积，μ0为真空磁导率，i为线圈中的电流；
建立模型时忽略流体动量变化产生的稳态液动力和瞬态液动力以及液体静压力，因此得到阀芯的运动平衡方程表示为
其中，
为弹簧刚度，m为阀芯的等效质量，c为阀芯的等效阻尼，x为阀芯的位移，x0为预先弹簧压缩量，k为弹簧刚度，kF为比例系数，i为线圈中的电流；
电磁阀的流量方程表示为
Qf为通过阀口的输出流量，Cf为流量系数，Sa为有效作用面积，x为阀芯的位移，P为出口压力，ρ为药液密度；
步骤1)中通过直接驱动阀控制柱塞泵的输出压力，其中变喷雾系统的柱塞泵控制模型描述如下
对柱塞泵的压力控制系统进行数学建模，直接驱动阀阀芯动力学方程具体表达为
Kv是线性电动机的力常数，v是线性电动机的输入电压，xv是直接驱动阀阀芯的位移，C1是阻尼力的系数，C2是弹簧的系数；
对于有泄露的线性方程表示为
Qc＝Kqxv-(Kc+CL1)Pc (5)
Qc是泵的输出流量，Kq是阀的流量增益系数，Kc是阀的流量压力系数，xv是直接驱动阀阀芯的位移，CL1是阀芯的泄露系数，Pc是泵的输出压力；
将连续性方程应用到柱塞泵中，表示为
Qc是泵的输出流量，Pc是泵的输出压力，Ac是活塞的截面积，xc是活塞的位移，CL2是泵的泄露系数，Vc是泵的容积，βe是药液的弹性模量；
泵的活塞位移和阀芯位移相关具体表示为
Ac是活塞的截面积，xc是活塞的位移，xv是直接驱动阀阀芯的位移，Keq为等效流量增益；
综上推导得出
结合式(2)、(3)、(8)、(9)，变量喷药系统模型为
其中，
步骤1)中的变喷雾系统状态方程描述如下：
定义状态变量x1＝a(P)x，
x3＝xv，x4＝Pc，u＝(i2 v)T作为控制量输入；由上述泵和阀状态方程并列得变喷雾系统状态方程为：
y＝C2x (14)
假设Δx＝x-x0，其中x0是系统处在工作点时的状态变量；所以得到：
并且依据线性化理论，得到控制系统线性化模型，将上述方程表述为：
其中
其中，L＝-A2x0+l2，y为输出压力和输出流量。
2.根据权利要求1所述的基于植保机柱塞泵压力的变喷雾系统流量跟踪控制方法，其特征在于：步骤2)设计植保机变喷雾系统流量控制器，设计最佳的控制器，变喷雾系统的状态空间方程表示为
其中，不确定矩阵ΔA主要依赖于不确定向量r，其在一定的范围内发生变化；系统的不确定性ΔA能满足下述特征
ΔA＝EθF (18)
其中，矩阵E和F为适维常数矩阵，矩阵θ为适维时变矩阵，受不确定向量r的影响，且满足θθT≤I；
让系统的输出误差向量e(t)＝y(t)-yr收敛到0，需要对误差向量进行积分处理，这样便可消除向量的误差，从而使误差为0，用公式表示为：
将公式(17)与控制系统中的状态方程(19)联立，得到増广系统为
将上述方程重新整理为一个増广状态方程的形式，如下所示
并且这里满足ΔAz＝EzθFz，
Fz＝(F 0)；
所设计的性能指标只要满足线性系统是可控的，那么最优鲁棒输出跟踪控制不仅能使输出流量值跟踪到目标设定的流量值，还能使性能指标达到最小值；系统的性能指标描述如下
由于系统具有不确定性，因此推导出最佳的控制输入为
u*(t)＝-Kz(t)＝-(1+α)kz(t) (23)
在这里α是调节因子，其中满足
那么所求控制率能使系统收敛到指定误差，即完成鲁棒输出跟踪控制器设计。
3.根据权利要求1所述的基于植保机柱塞泵压力的变喷雾系统流量跟踪控制方法，其特征在于：步骤3)中采用CAN总线串行通讯协议传输数据，利用STM32单片机对植保机喷雾流量进行控制，其中以STM32单片机为主控制器，主控制器的输入接高度检测模块、输出接电机驱动模块、CAN总线通讯模块以及电源供电模块；基于STM32单片机将输出信号提供驱动单元，实现了对变喷雾系统输出流量的实时控制。
4.根据权利要求3所述的基于植保机柱塞泵压力的变喷雾系统流量跟踪控制方法，其特征在于：主控制器控制方法为读取高度检测单元的反馈信号与主控制器给定的控制命令信号y和yr，计算得出误差信号；根据误差信号，主控制器按照预定的控制算法计算出的喷雾的流量以及驱动比例减压阀的电流信号的控制量，送给比例减压阀驱动单元，控制植保机喷雾系统的输出流量追踪到参考流量。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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