CN111838108A - 注入式在线实时混药控制装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种注入式在线实时混药控制装置及控制方法，该装置包括混药喷洒系统和与其分别通过管路连接的水溶剂调节系统、药液注入系统和混药控制电路，混药控制电路分别与水溶剂调节系统、药液注入系统混药喷洒系统电性连接。水溶剂调节系统中采用旁路回流式，通过控制电动调节阀的开度对水溶剂流量进行调节，药液注入系统中通过控制电磁计量泵的脉冲信号频率对药液流量进行调节。方法为采用DMC动态矩阵控制算法按照获取的混药比信息在线实时调节水溶剂流量、药液流量。DMC动态矩阵控制算法适用于具有非线性和滞后的实时混药喷雾控制。本发明可以实现喷雾幅宽控制和药液浓度在线实时调节，能够做到按需配药，精准施药，提高农药利用率。

Description

注入式在线实时混药控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及植保农业机械的在线混药技术领域，尤其是涉及一种注入式实时改变浓度的在线混药喷雾控制装置及控制方法。
背景技术
变量喷雾技术是精准农业的重要组成部分，是精准农业中与食品安全和环境污染最密切相关的环节之一，是实现农业低耗、高效、优质、安全的重要途径。变量喷雾混药方式包括预先混药和在线混药两大类。目前，国内变量喷雾主要为预混式，在药液浓度不变的情况下通过改变施药量实现喷雾量变化，作业时操作人员需与农药接触，对操作人员危害较大，存在农药用量大和污染环境的弊端。
在线混药技术能够解决预混式混药存在的弊端，其通过分别设置药箱和水箱，采用外部能源或者动量交换的形式完成农药和水的在线混合。在线混药技术可以做到按需配药，具有保证农药精确使用、避免农药浪费、提高农药利用率、避免操作者与农药接触和改善生态环境的优势。
影响注入式在线混药性能的主要因素包括喷头浓度变化的传输时间延迟和药液与水溶剂混合的均匀性，国内外学者大都采用增加混药器或者设计合理管路来改善，从控制理论的角度改善系统性能的研究比较少。变量喷雾的控制算法以传统的PID和模糊控制为主，对于药液注入量大都采用开环控制，控制精度不高。大多数在线混药喷雾控制系统的中央处理器多采用51单片机，中央处理器存在系统资源缺乏和处理数据能力差等不足，影响了在线混药喷雾控制系统的控制精度和响应速度。
发明内容
为了解决传统变量喷雾中喷雾浓度无法实时改变的问题以及改善在线混药系统的非线性大延时的特性，本发明提出了一种采用DMC动态矩阵控制注入药液的注入式在线混药控制系统。本发明专利以STM32芯片为处理器设计了在线混药控制器，设计用于变量喷雾和幅宽控制的注入式在线实时混药控制系统，采用喷雾泵出口端分多路注入药液的方式，安装SK静态混药器增强混药均匀性，控制独立分组电磁阀的启停实现作业幅宽控制。喷雾作业时，在线实时混药控制系统根据处方图提供的混药比及时调整当前喷雾机系统回路中的水溶剂流量和药液流量，控制喷头处的浓度，从而实现喷雾作业的变量调节。
实现本发明所采用的技术方案是：
注入式在线实时混药控制装置，包括混药喷洒系统和与其分别通过管路连接的水溶剂调节系统、药液注入系统和混药控制电路；所述水溶剂调节系统包括水箱、水泵、压力表、压力传感器、电动调节阀、水溶剂流量计；水箱底部设有出口连接水溶剂输出主管路，水溶剂输出主管路连接水泵后分为两路，一路经过电动调节阀连接水箱上部的回流口，一路经压力传感器、水溶剂流量计连接至混药喷洒系统；压力传感器、电动调节阀、水溶剂流量计还连接混药控制电路；所述药液注入系统包括药箱、电磁计量泵、脉动阻尼器、药液流量计、压力表；药箱底部设有出口连接药液管路，药液管路经依次设置的电磁计量泵、脉动阻尼器、药液流量计、压力表后连接至混药喷洒系统；电磁计量泵、药液流量计、压力表还连接混药控制电路；所述混药喷洒系统包括注射阀、静态混药器、电磁阀、喷头；药液注入系统输出的药液经注射阀连接至水溶剂输出管路与水溶剂一同输入静态混药器，混药后输出管路经电磁阀后连接至喷头；电磁阀还连接混药控制电路，用于打开或关闭喷头。
所述水溶剂调节系统还包括安装在水箱底部出口与水泵之间管路上的过滤阀、水箱内的液位传感器，液位传感器连接混药控制电路板。
所述药液注入系统还包括安装在药箱底部出口与电磁计量泵之间管路上的过滤器、药箱内的液位计，液位计连接混药控制电路板。
所述混药喷洒系统还包括分水器、分药器，所述分水器输出若干路水溶剂支路至若干个静态混药器，所述分药器输出若干路药液支路至若干个静态混药器，静态混药器可连接若干个并列成排的喷头。
所述混药控制电路包括处理器和与其分别连接的电源转换单元、通信单元、信号采集单元、执行驱动单元；处理器采用ARM芯片；电源转换单元通过内部的电源芯片转换出3.3V、5V和12V的工作电压并输出；通信单元采用RS232/RS245串口通信和CAN总线通信，用于与上位机之间的数据通讯；信号采集单元包括电压测量接口电路、压力测量接口电路、流量测量接口电路和液位测量接口电路，用于药液与水溶剂流量、压力、液位的测量；执行驱动单元包括电压输出接口电路、计量泵控制接口电路、电磁阀控制接口电路，用于对电动调节阀、电磁计量泵和电磁阀的驱动控制。
所述流量测量接口电路，采用光电隔离芯片将水溶剂流量计、药液流量计输出的水溶剂流量和药液流量的脉冲信号进行隔离后输入到处理器；所述压力测量接口电路，分别连接压力传感器、压力表采集水溶剂输出管路压力信号、药液输出管路压力信号，经过运算放大器放大后输入到处理器；所述液位测量接口电路，采用导线直接连接液位传感器和液位计，采集水箱和药箱的液位信号输出至处理器；所述电压测量接口电路，采用2个电压表分别接连接电动调节阀和电磁计量泵，采集水溶剂控制信号的电压和药液控制信号的电压的反馈值至处理器；
所述电压输出接口电路，采用运算放大器将处理器输出的电压线性放大输出给电动调节阀；所述计量泵控制接口电路，采用导线直接连接处理器将药液脉冲信号输出给电磁计量泵；所述电磁阀控制接口电路，采用常开继电器连接电磁阀。
注入式在线实时混药控制方法，包括以下步骤：
混药控制电路的处理器输出信号实时检测水箱和药箱的液位信息，并当液位异常时报警，否则执行混药流程；混药流程包括处理器获取喷雾混药比信息，计算水溶剂量和药剂量的给定信号并输出至电动调节阀和电磁计量泵，通过水溶剂流量计、药液流量计实时监测进入静态混药器内的水溶剂流量、药液流量是否达到混药比，待混药完成后控制电磁阀打开或关闭并排布置的喷头，实现对田间作物的喷雾幅宽控制和药液浓度在线实时调节。
处理器获取喷雾混药比信息为人为输入或自动获取；所述人为输入为通过外设触摸屏输入混药比信息；所述自动获取为处理器通过与田间计算机通讯，实时获取当前农药喷雾车的位置信息，并通过查找预先存档的地理位置混药比存储表自动获取混药比信息。
所述处理器是采用DMC动态矩阵控制算法实时调节混药喷雾控制的。
所述处理器还根据当前喷雾车行驶速度按比例调节混药比。
本发明的有益效果是：所提出的注入式在线实时混药控制系统可实现幅宽控制和药液浓度在线实时调节，能够做到按需配药，精准施药，提高农药利用率。系统采用ARM系列芯片作为处理器，具有高精度运算，功耗低，运行速度快，抗干扰性能强等多种优势。系统具有CAN总线接口，易于接入常见的农机车载电子系统。以DMC动态矩阵控制方法为核心的注入式在线混药控制方法，对具有大延迟的注入式变量作业控制系统具有很好的适用性，系统超调小，响应速度快，提高了系统的控制精度。
附图说明
图1为本发明的注入式在线实时混药控制系统及装置连接示意图；
图2为本发明的控制器结构及连接示意图；
图3为本发明的在线实时混药控制程序流程图；
1-水箱；2-过滤阀；3-水泵；4-压力表；5-压力传感器；6-电动调节阀；7-液位传感器；8-水溶剂流量计；9-分水器；10-药箱；11-过滤器；12-电磁计量泵；13-脉动阻尼器；14-药液流量计；15-液位计；16-压力表；17-分药器；18-注射阀；19-静态混药器；20-电磁阀；21-喷头；22-混药控制电路；23处理器；24-电源转换单元；25-通信单元；26-信号采集单元；27-执行驱动单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明的目的，但不用来限定本发明的范围。
如图1所示，本发明的在线实时混药控制系统包括由水溶剂调节系统和药液注入系统、混药喷洒系统，以及混药控制电路22四部分组成。混药控制电路22处理器23、电源转换单元24、通信单元25、信号采集单元26、执行驱动单元27组成。喷雾机杆长4米，共4个喷头，水溶剂调节系统采用外径12mm内径8mm的管路，药液注入系统采用外径6mm内径4mm的管路，采用2个电磁阀控制4个喷头(XR TT11001)启停，在0.2Mpa压力下单个喷头喷雾量约为320ml/min，单个喷头幅宽范围为85cm-140cm。
水溶剂调节系统具体包括水箱1、过滤阀2、水泵3、压力表4、压力传感器5、电动调节阀6、液位传感器7、水溶剂流量计8。水箱1为用于盛放水溶剂的器皿，材质为塑料，包括箱本体和上盖，箱本体底部设有出口连接主管路，上部设有回流口连接回流管路，打开上盖可以注入水溶剂。过滤阀2设在主管路上且靠近箱本体底部出口，用于过滤水溶剂中的杂质。水溶剂调节系统采用旁路回流式对主管路水流量进行调节，水溶剂通过水泵3在水箱1中抽取，通过水溶剂管路(内径8mm，外径12mm)在水泵3出口分为两路，一路为回流管路，通过调节电动调节阀6的阀门开度实现水流量调节；一路为主管路，水溶剂流量检测采用水溶剂流量计8，安装主管路上实时检测主管路溶剂流量，作为反馈信号给在线实时混药控制器22实现闭环控制。压力传感器5安装主管路上实时检测主管路溶剂压力，作为反馈信号给在线实时混药控制器22实现闭环控制。液位传感器7安装在水箱1的内壁上，实时检测水箱1剩余液位，当低于工作液位时发出报警提醒工作人员增加水溶剂。液位传感器7型号为SC-SR04。电动调节阀6型号为Q911F-16P。水溶剂流量计8采用美国Omega公司生产的涡流流量计，型号为OMEGA FLR1011ST。过滤阀2内带滤网。
药液注入系统包括药箱10、过滤器11、电磁计量泵12、脉动阻尼器13、药液流量计14、液位计15、压力表16。药箱10为用于盛放药液的器皿，材质可根据，包括箱本体和上盖，箱本体底部设有出口连接药液管路(内径4mm，外径6mm)，打开上盖可以注入药液。通过控制电磁计量泵12的脉冲信号频率来实现药液管路中药液注入量调节。液位计15安装在药箱10的内壁上，实时检测药箱剩余液位，当低于工作液位时发出报警提醒工作人员增加药液。药液流量计14实时检测药液管路中药液注入量，作为反馈信号给在线实时混药控制器22实现闭环控制。压力表16实时检测药液管路的药剂压力，作为反馈信号给在线实时混药控制器22实现闭环控制。通过在电磁计量泵12与药箱10之间安装过滤器11可以防止杂物进入计量泵而损坏，安装脉动阻尼器13来平滑电磁计量泵12引起的流量脉动。液位计15型号为SC-SR04。电磁计量泵12采用意大利赛高公司生产的计量泵，型号为SEKO TPG603。药液流量计14采用美国Omega公司生产的涡流流量计，型号为OMEGA FLR1007ST。过滤器11内带有多层滤网。
混药系统包括：分水器9、分药器17、注射阀18、静态混药器19、电磁阀20、喷头21。采用分水器9将水流分成两个混药输入管路后连接静态混药器19，来降低管路多口出流压力损失。分药器17将药液流分成两路分别通过注射阀18将药液注入到混药输入管路中，注射阀18是背压阀，可以产生0.5mpa的背压，采用注射阀可在注入药液管路压力低于水溶剂管路时防止水流进入药液。静态混药器利用流体运动和混合单元的特殊性结构来对不同流体进行分割、合并、旋转等运动，可以使流体混合均匀。可以根据情况适当增加多个SK静态混合器19来增强混药均匀性。药液注入点在SK静态混合器之前，在水流量稳定的情况下，注入药液与水流混合后经过静态混合器19混合均匀性增加。静态混合器19的喷药出口管路上安装两个电磁阀20控制四个喷头21的启停实现幅宽控制。分水器9和分药器17均为三通结构的连接管路。喷头21采用美国斯普瑞公司生产的喷雾喷头，型号为XR TT11001。
如图2所示，混药控制器22包括：处理器23，由32位处理器和晶振、电源等基本外围电路构成，主要完成处方图下载与解析、车速与压力采集、流量的计算与采集、电动调节阀和计量泵驱动、LCD显示与控制算法的实施。
电源转换单元24中通过SP7675和AMS1117稳压芯片转换出3.3V、5V和12V的工作电压用于芯片和检测与执行机构供电。
通信单元25包括RS232/RS245串口通信和CAN总线通信，用于上位机与下位机之间的数据通讯。信号采集单元26主要完成药液与水溶剂流量、压力、液位的测量，流量输出信号为方波脉冲信号。
信号采集单元26包括电压测量接口电路、压力测量接口电路、流量测量接口电路、液位测量接口电路。流量测量接口电路，采用光电隔离芯片TPL521将幅值约24V的脉冲信号进行隔离和调整输入到STM32输入捕获通道进行流量测量。压力测量接口电路，采用精密电阻将压力传感器的4-20mA电流信号转换为电压信号，经过运算放大器AD8565放大和调整后输入到STM32芯片的12位模数转换器(ADC)进行测量。液位测量接口电路，采用导线直接连接液位传感器7和液位计15对水箱和药箱液位进行测量后输出至STM32芯片。电压测量接口电路，采用2个电压表分别接连接电动调节阀6和电磁计量泵12，采集水溶剂控制信号的电压和药液控制信号的电压的反馈值输出给STM32芯片。
执行驱动单元27主要完成对电动调节阀6、电磁计量泵12和电磁阀20的驱动控制，包括电压输出接口电路、计量泵控制接口电路、电磁阀控制接口电路。电压输出接口电路，采用LM358P运算放大器将STM32数模转换器DAC输出电压范围0-3.3V线性放大到0-5V用于电动调节阀6开口度控制。计量泵控制接口电路，采用导线直接连接STM32芯片定时器输出指定个数脉冲用于计量泵12控制。电磁阀控制接口电路，采用常开继电器连接相应电磁阀20。
本发明提供的在线实时混药控制系统具有自动和手动两种工作模式，解决了变量喷雾系统工作模式单一的问题。通过设置按键可选择自动工作模式或手动工作模式，按键1表示程序进入自动工作模式，控制器下载处方图进行解析得到混药比；按键2表示程序进入手动工作模式，进入混药比设定界面，通过在田间计算机设定所需的混药比，按下确定键后控制系统将按照设定的混药比进行工作。系统调用药液注入量子程序和水流注入量调节子程序，子程序采集相应的流量传感器信号产生调节信号，改变药液注入量和水流注入量直到达到设定的混药比要求。下面对利用上述在线实时混药装置进行注入式在线混药控制的典型工作过程进行详细描述。
如图3所示，本发明的注入式在线实时混药控制典型工作过程包括如下步骤：
S01：处理器23接收到系统自动/手动按键信息，系统进行初始化，控制两个继电器闭合，从而使两个电磁阀20闭合，开启水泵3和计量泵12，进行喷雾作业；
S02：处理器23根据接收到的按键信息进行工作。自动工作模式下，变量喷药控制器连接农机车载电子系统，读取GPS信号对喷药机实现定位，获取处方图提供的喷药决策数据，处方图为专家预先设定的，喷药决策数据为混药比，计算输出电压控制信号控制电动调节阀开度6与电磁计量泵12输出频率，改变水溶剂流量与药液流量，完成自动混药变量作业。手动模式下，由操作人员输入喷药量信息进入变量喷药控制器，变量喷药控制器通过内部的通信单元识别人工输入的喷药处方量(混药比)，控制电动调节阀6的阀门开度与电磁计量泵12输出频率，实现手动变量混药作业。
S03：当处理器23接收到喷雾量信息(混药比)后，系统调用药液注入量子程序和水流注入量调节子程序，子程序采集相应的流量传感器信号产生电动调节阀6的阀门开度与电磁计量泵12的调节反馈信号，采用DMC动态矩阵控制算法改变药液注入量信号和水流注入量信号直到达到压力传感器5、水溶剂流量计8、压力表16、药液流量计14反馈的值达到预设值，从而满足设定的混药比要求。
S04：当处理器23接收到喷雾幅宽控制命令后，系统通过打开或关闭相应的继电器，从而打开或关闭相应电磁阀20实现幅宽控制。
S05：当控制器接收到喷雾停止命令时，控制两个继电器断开，使得水泵3和电磁计量泵12断电，停止喷雾。
S06：当液位传感器7和15检测到水箱1与药箱10液位异常时，处理器23控制蜂鸣器进行报警，提醒工作人员增加水溶剂或药液。
综上所述，本发明的注入式在线实时混药控制系统可用于拖拉机和插秧机等一系列农机车辆装备中。通过采用DMC动态矩阵控制算法，能够实现药液注入量的精确控制，系统超调性小。系统采用STM32芯片作为处理器，具有高精度运算，功耗低，运行速度快，抗干扰性能强等多种优势。系统具有CAN总线接口，易于接入常见的农机车载电子系统。本发明可以实现喷雾幅宽控制和药液浓度在线实时调节，能够做到按需配药，精准施药，提高农药利用率。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.注入式在线实时混药控制装置，其特征在于，包括混药喷洒系统和与其分别通过管路连接的水溶剂调节系统、药液注入系统和混药控制电路(22)；所述水溶剂调节系统包括水箱(1)、水泵(3)、压力表(4)、压力传感器(5)、电动调节阀(6)、水溶剂流量计(8)；水箱(1)底部设有出口连接水溶剂输出主管路，水溶剂输出主管路连接水泵(3)后分为两路，一路经过电动调节阀(6)连接水箱(1)上部的回流口，一路经压力传感器(5)、水溶剂流量计(8)连接至混药喷洒系统；压力传感器(5)、电动调节阀(6)、水溶剂流量计(8)还连接混药控制电路(22)；所述药液注入系统包括药箱(10)、电磁计量泵(12)、脉动阻尼器(13)、药液流量计(14)、压力表(16)；药箱(10)底部设有出口连接药液管路，药液管路经依次设置的电磁计量泵(12)、脉动阻尼器(13)、药液流量计(14)、压力表(16)后连接至混药喷洒系统；电磁计量泵(12)、药液流量计(14)、压力表(16)还连接混药控制电路(22)；所述混药喷洒系统包括注射阀(18)、静态混药器(19)、电磁阀(20)、喷头(21)；药液注入系统输出的药液经注射阀(18)连接至水溶剂输出管路与水溶剂一同输入静态混药器(19)，混药后输出管路经电磁阀(20)后连接至喷头(21)；电磁阀(20)还连接混药控制电路(22)，用于打开或关闭喷头(21)。
2.根据权利要求1所述的注入式在线实时混药控制装置，其特征在于所述水溶剂调节系统还包括安装在水箱(1)底部出口与水泵(3)之间管路上的过滤阀(2)、水箱(1)内的液位传感器(7)，液位传感器(7)连接混药控制电路板(22)。
3.根据权利要求1所述的注入式在线实时混药控制装置，其特征在于所述药液注入系统还包括安装在药箱(10)底部出口与电磁计量泵(12)之间管路上的过滤器(11)、药箱(10)内的液位计(15)，液位计(15)连接混药控制电路板(22)。
4.根据权利要求1所述的注入式在线实时混药控制装置，其特征在于所述混药喷洒系统还包括分水器(9)、分药器(17)，所述分水器(9)输出若干路水溶剂支路至若干个静态混药器(19)，所述分药器(17)输出若干路药液支路至若干个静态混药器(19)，静态混药器(19)可连接若干个并列成排的喷头(21)。
5.根据权利要求1所述的注入式在线实时混药控制装置，其特征在于所述混药控制电路(22)包括处理器(23)和与其分别连接的电源转换单元(24)、通信单元(25)、信号采集单元(26)、执行驱动单元(27)；处理器(23)采用ARM芯片；电源转换单元(24)通过内部的电源芯片转换出3.3V、5V和12V的工作电压并输出；通信单元(25)采用RS232/RS245串口通信和CAN总线通信，用于与上位机之间的数据通讯；信号采集单元(26)包括电压测量接口电路、压力测量接口电路、流量测量接口电路和液位测量接口电路，用于药液与水溶剂流量、压力、液位的测量；执行驱动单元(27)包括电压输出接口电路、计量泵控制接口电路、电磁阀控制接口电路，用于对电动调节阀(6)、电磁计量泵(12)和电磁阀(20)的驱动控制。
6.根据权利要求5所述的注入式在线实时混药控制装置，其特征在于所述流量测量接口电路，采用光电隔离芯片将水溶剂流量计(8)、药液流量计(14)输出的水溶剂流量和药液流量的脉冲信号进行隔离后输入到处理器(23)；所述压力测量接口电路，分别连接压力传感器(5)、压力表(16)采集水溶剂输出管路压力信号、药液输出管路压力信号，经过运算放大器放大后输入到处理器(23)；所述液位测量接口电路，采用导线直接连接液位传感器(7)和液位计(15)，采集水箱(1)和药箱(10)的液位信号输出至处理器(23)；所述电压测量接口电路，采用2个电压表分别接连接电动调节阀(6)和电磁计量泵(12)，采集水溶剂控制信号的电压和药液控制信号的电压的反馈值至处理器(23)；
所述电压输出接口电路，采用运算放大器将处理器(23)输出的电压线性放大输出给电动调节阀(6)；所述计量泵控制接口电路，采用导线直接连接处理器(23)将药液脉冲信号输出给电磁计量泵(12)；所述电磁阀控制接口电路，采用常开继电器连接电磁阀(20)。
7.注入式在线实时混药控制方法，其特征在于包括以下步骤：
混药控制电路(22)的处理器(23)输出信号实时检测水箱(1)和药箱(10)的液位信息，并当液位异常时报警，否则执行混药流程；混药流程包括处理器(23)获取喷雾混药比信息，计算水溶剂量和药剂量的给定信号并输出至电动调节阀(6)和电磁计量泵(12)，通过水溶剂流量计(8)、药液流量计(16)实时监测进入静态混药器内的水溶剂流量、药液流量是否达到混药比，待混药完成后控制电磁阀(20)打开或关闭并排布置的喷头(21)，实现对田间作物的喷雾幅宽控制和药液浓度在线实时调节。
8.根据权利要求7所述的注入式在线实时混药控制方法，其特征在于处理器(23)获取喷雾混药比信息为人为输入或自动获取；所述人为输入为通过外设触摸屏输入混药比信息；所述自动获取为处理器(23)通过与田间计算机通讯，实时获取当前农药喷雾车的位置信息，并通过查找预先存档的地理位置混药比存储表自动获取混药比信息。
9.根据权利要求7所述的注入式在线实时混药控制方法，其特征在于所述处理器(23)是采用DMC动态矩阵控制算法实时调节混药喷雾控制的。
10.根据权利要求7所述的注入式在线实时混药控制方法，其特征在于所述处理器(23)还根据当前喷雾车行驶速度按比例调节混药比。
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