CN112154996A - 一种双重pid控制精准变量施药系统及其反馈调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双重PID控制精准变量施药系统及其反馈调节方法，其中，所述系统包括电源管理模块、微控制器模块、驱动模块、输出模块、输出反馈模块以及输入和显示模块；所述输出反馈模块包括电机转速反馈模块以及药液流量反馈模块，所述电机转速反馈模块包括设置在水泵电机的尾轴上的光电编码器，用于检测水泵电机转轴的转速；所述药液流量反馈模块包括设置在水泵出水口处的流量传感器，用于检测水泵出口处的流量大小。本发明的双重PID控制精准变量施药系统提出了基于双重PID的算法进行施药，可以解决因单使用流量传感器进行PID调节的控制精度差，反馈滞后严重而造成的流量不稳定的问题。

Description

一种双重PID控制精准变量施药系统及其反馈调节方法

技术领域

本发明涉及一种农药喷雾设备，具体为一种双重PID控制精准变量施药系统及其反馈调节方法。

背景技术

变量喷雾是实现农业精准施药技术的一种重要方式。变量喷雾技术可根据作业速度、作物密度及虫害程度自动调节喷量，既节约农药，又可减少农产品中的农药残留和环境污染，是施药技术的重要发展方向。变量喷雾施药可以通过改变喷雾时间、改变喷雾压力及改变药液浓度3种途径实现。PWM技术调节水泵实现流量控制是一种改变喷雾压力方法，相对于其他变量喷雾技术其实现简便，对喷雾粒径影响较小，故应用较为广泛。

现有的基于PID的变量施药是采用流量作为反馈的单独闭环反馈调节系统。但是使用流量作为反馈调节，有很大的弊端，首先水流不会如机械运动一般能够稳定运行，水泵电机的稍微波动就会引起水流的剧烈变化，水流很难达到绝对的稳定，这就造成了流量计的反馈值有非常大的波动性，其次从水泵到流量计水流的变化需要一定的时间，这样会有很大的滞后性，给PID调节带来很大的麻烦，最后，流量计由于测量的水流变化，因此流量计测量值本身就是不稳定的，反馈后会使PID调节时波动性很大，影响了流量的精准控制，因为需要调节PID的比例环到很小数值，这样就不能及时地对流量需求做出反应。

发明内容

本发明在于克服现有技术的不足，提供一种双重PID控制精准变量施药系统，所述双重PID控制精准变量施药系统能够根据设定的施药量，及时且精准地控制药量的输出，达到精准施药的目的，避免了施药不足造成的效果不佳和过度施药造成的农药浪费、环境污染，有利于农作物健康的生长。

本发明的第二个目的在于提供一种双重PID控制精准变量施药系统的反馈调节方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种双重PID控制精准变量施药系统，包括微控制器模块、电源管理模块、驱动模块、输出模块、输出反馈模块、输入和显示模块，其中，

所述微控制器模块分别连接电源管理模块、输入和显示模块、驱动模块、输出反馈模块，该微控制器模块用于控制整个系统的运行，包括接收来自输入和显示模块的输入指令，PID算法的运行，驱动电路控制信号的提供，反馈电路反馈的信息的接收和计算以及显示模块的显示信息的提供；

所述电源管理模块用于给控制电路、驱动电路、反馈电路提供不同规格的电源；

所述输出模块与所述驱动模块和所述输出反馈模块连接，用于带动水泵工作，为药液的输送提供动力，其中，所述输出模块为水泵电机；

所述驱动模块用于驱动水泵电机的运转；

所述输入和显示模块用于输入设定值，并且显示系统的运行状态；

所述输出反馈模块包括电机转速反馈模块以及药液流量反馈模块，其中，所述电机转速反馈模块包括设置在水泵电机的尾轴上的光电编码器，所述光电编码器通过联轴器与水泵电机的尾轴连接，用于检测水泵电机转轴的转速；所述药液流量反馈模块包括设置在水泵出水口处的流量传感器，用于检测水泵出口处的流量大小。

优选的，所述电源管理模块为控制电路提供5V高稳定电源，为驱动电路提供12V大功率电源，为反馈电路提供稳定的5V电源。

优选的，所述微控制器模块采用型号为STM32F407的单片机。

优选的，所述流量传感器为基于霍尔传感器的YF-S401流量传感器，其参数是：工作电压5V，输出的脉冲高电平>4.7V,占空比50％±10％，检测精度0.15-3L/min，输出脉冲频率为F＝98×Q×60±2％，Q为L/min，以1L/min为例则频率为5880Hz。

优选的，所述光电编码器为欧姆龙光电编码器E6A2-CW3C，其参数是：工作电压5-12V，分辨率为500脉冲/圈，最高响应频率30kHz，即最大测量转速3600r/min，输出为方波。

优选的，所述输入和显示模块的显示区域分为数据显示区和波形显示区，其中，所述数据显示区显示的为微控制器模块接收和处理的数据，所述波形显示区显示的为流量波形和转速波形。

一种双重PID控制精准变量施药系统的反馈调节方法，包括以下步骤：

(1)通过设置在水泵出水口处的流量传感器计算出水泵出水口处的药液流量大小，并将其与实际所需要的药液流量比较，并通过PID算法计算出所要补偿的药液流量大小；

(2)将所需补偿的药液流量大小传达给内环PID，所述内环PID先通过利用光电编码器作为内环测量实际水泵电机的转速，再根据所需要补偿的药液流量需求来计算出水泵电机实际需要的转速，并利用PID算法计算出实际需要补偿的转速，最后以调节输出PWM的方式，提高占空比或者减少占空比，占空比的改变致使电机两端电压的改变，达到改变转速的目的。

优选的，所述PID算法的计算步骤为：

位置式PID：

其中，T为采样时间，T_i为积分时间，T_d为微分时间，e_k为本次设定值与反馈值之差，e_k-1为上次设定值与反馈值之差；

令ΔOut＝Out_k-Out_k-1，

得增量式PID：

一般形式：

ΔOut＝k_p(e_k-e_k-1)+k_de_k+k_i(e_k-2e_k-1+e_k-2)；

其中，所述外环PID算法为：

微控制器模块测量当前的流量f_k与用户设定的流量f作比较得出本次的流量偏差e_k；算法保存偏差的方式为：

其中，所述内环PID算法为：

微控制器模块测量编码器当前转速R_k与上次根据流量需求设定值R_k-1作比较得出本次偏差e_k；算法保存偏差的方式为：

所述内环PID的返回值为PWM电机驱动的占空比所需增加的量，用于驱动电机的不同转速；外环PID的返回值为需设定的电机转速，传递给内环PID。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

(1)本发明能够根据施药处方图提供的施药量实时地改变喷施药液的多少，由于传统的水泵是没有添加转速检测环节的，而本发明在原有的水泵后加入转速检测编码器，将电机转速与施药量联系起来，能能够能稳定的控制施药量，达到高效稳定施药的目的。

(2)本发明在进行变量施药时施药量稳定性高，将流量与水泵电机转速结合起来，对于水泵电机的稳定性有了较大幅度的提高；当施药量需要做出改变时，系统能够快速的做出响应，并且有转速环的加入，在进行流量切换时能能够快速的达到理想值，避免了喷雾作业时出现的不能根据需要进行喷施。

附图说明

图1为本发明的双重PID控制精准变量施药系统的结构框图。

图2为本发明的双重PID控制精准变量施药系统的PID控制流程图。

图3为本发明的双重PID控制精准变量施药系统的内环PID的反馈构成图。

图4为本发明的双重PID控制精准变量施药系统的组成图。

图5为本发明的双重PID控制精准变量施药系统控制输入显示模块显示内容的示意图。

图6为本发明的双重PID控制精准变量施药系统的电源管理模块的原理图。

图7为本发明的双重PID控制精准变量施药系统的微控制器模块的原理图。

图8为本发明的双重PID控制精准变量施药系统的电机驱动模块的原理图。

图9为本发明的双重PID控制精准变量施药系统的输出反馈模块的原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

参见图1-图9，本发明的双重PID控制精准变量施药系统包括微控制器模块42、电源管理模块41、驱动模块44、输出模块、输出反馈模块、输入和显示模块43。

所述微控制器模块42分别连接电源管理模块41、输入和显示模块43、驱动模块44、输出反馈模块，用于控制整个系统的运行，包括接收来自输入和显示模块43的输入指令，PID算法的运行，驱动电路控制信号的提供，反馈电路反馈的信息的接收和计算，显示模块的显示信息的提供；

参见图1-图9，所述电源管理模块41用于给控制电路、驱动电路、反馈电路提供不同规格的电源；该电源管理模块41的原理图可以参见图6，在其输入部分设置有电压检测PA4，控制器通过ADC输入检测，当电压过低时会发出警报，提示更换电池。其中，电压检测的程序如下：

(1)首先获取ADC的值；

(2)然后获取通道ch的转换值，取times次,然后平均；

参见图1-图9，所述输出模块与所述驱动模块44和所述输出反馈模块连接，用于带动水泵46工作，为药液的输送提供动力，其中，所述输出模块为水泵电机45，该水泵电机45选用尾轴加长的775电机。

参见图1-图9，所述驱动模块44接收来自微控制器模块42的控制信号，用于给水泵电机45的运转提供足够电流；具体原理图可以参见图8，其中，输出采用A4950电机驱动，由PA8和PA11提供PWM信号驱动水泵电机45，图8中当将P1中的1和2短接PWM3时，用于控制驱动模块44的最大驱动电流，可以调整最大电流3.5A；当将2和3短接时，驱动模块44的输出电流限制在最大2A。

参见图1-图9，所述输入和显示模块43为LCD触摸显示屏，用于为系统输入变量，为做试验提供方便，并且能够显示系统的工作状态；其中，图5为输入和显示模块43的显示区域的示意图，该显示区域中的显示内容可以分为数据显示区51和波形显示区52，其中数据显示区51显示的为微控制器模块接收和处理的数据，波形显示区52显示的为流量波形和转速波形，更加直观的观察到流量和波形的变化情况，这样可以根据不同的施药通路快速设置合适的PID参数。

参见图3，所述输出反馈模块包括电机转速反馈模块以及药液流量反馈模块，其中，所述电机转速反馈模块包括设置在水泵电机45的尾轴上的光电编码器47，所述光电编码器47通过联轴器与水泵电机45的尾轴连接，用于检测水泵电机45转轴的转速；所述光电编码器47的输出形式为方波输出，根据水泵电机45转速的不同，光电编码器47输出的方波的周期不同，通过使用微控制器模块42读取方波的周期转换为水泵电机45的转速，从而达到转速反馈的目的。所述药液流量反馈模块包括设置在水泵46出水口处的流量传感器48，用于检测水泵46的出口处的流量大小，该流量传感器48的输出形式与光电编码器47相同，都是方波输出，微控制器模块42通过读取方波的周期来检测流量的大小。

参见图1-图9，所述电源管理模块41为控制电路提供5V高稳定电源，为驱动电路提供12V大功率电源，为反馈电路提供稳定的5V电源。

参见图1-图9，所述微控制器模块42采用STM32F407型号的单片机,，并根据流量传感器48(测量实时流量)，光电编码器47(测量水泵电机45的转速)反馈的数据建立电路设计控制电路模块，并使用C语言建立算法模型，将整个PID算法封装在微控制器模块42中，并且通过屏幕显示实时的系统状态，方便调节系统的参数。

参见图1-图9，所述流量传感器48为基于霍尔传感器的YF-S401流量传感器48，其参数是：工作电压5V，输出的脉冲高电平>4.7V,占空比50％±10％，检测精度0.15-3L/min，输出脉冲频率为F＝98×Q×60±2％，Q为L/min，以1L/min为例则频率为5880Hz。

参见图1-图9，所述光电编码器为欧姆龙光电编码器47E6A2-CW3C，其参数是：工作电压5-12V，分辨率为500脉冲/圈，最高响应频率30kHz，即最大测量转速3600r/min，输出为方波。

另外，图9为整个系统的输入和输出接口，系统配有HMI显示屏接口，串口通信接口，可拓展的GPS定位接口和输出接口；其中LCD触摸显示屏和微控制器模块42也是进行串口通信的形式连接，OUT1、OUT2为电机接口，PB6、PB7为编码器接口，PA1为流量计接口，反馈共用一个5V电源接口。

参见图1-图9，本发明的双重PID控制精准变量施药系统的反馈调节方法，包括以下步骤：

(1)通过设置在水泵出水口处的流量传感器48计算出水泵出水口处的药液流量大小，将其与实际所需要的药液流量比较，并通过PID算法计算出所要补偿的药液流量大小；

(2)将所需补偿的药液流量大小传达给内环PID，所述内环PID先通过利用光电编码器47作为内环测量实际水泵电机45的转速，再根据所需要补偿的药液流量需求来计算出水泵电机45实际需要的转速，并利用PID算法计算出实际需要补偿的转速，最后以调节输出PWM的方式，提高占空比或者减少占空比，占空比的改变致使水泵电机45两端电压的改变，达到改变转速的目的；

其中，所述PID算法的计算步骤为：

位置式PID：

其中，T为采样时间，T_i为积分时间，T_d为微分时间，e_k为本次设定值与反馈值之差，e_k-1为上次设定值与反馈值之差；

令ΔOut＝Out_k-Out_k-1

得增量式PID：

一般形式：

ΔOut＝k_p(e_k-e_k-1)+k_de_k+k_i(e_k-2e_k-1+e_k-2)；

其中，在步骤(1)中，所述外环PID算法为：

微控制器模块42测量当前的流量f_k与用户设定的流量f作比较得出本次的流量偏差e_k；算法保存偏差的方式为：

其中，在步骤(2)中，所述内环PID算法为：

微控制器模块42测量编码器当前转速R_k与上次根据流量需求设定值R_k-1作比较得出本次偏差e_k；算法保存偏差的方式为：

本实施例中的内环PID的返回值为PWM电机驱动的占空比所需增加的量，用于驱动电机的不同转速；外环PID的返回值为需设定的电机转速，传递给内环PID。

参加图1-图9，本发明的双重PID控制精准变量施药系统的具体算法如下：

(1)首先建立速度环PID控制算法函数；

(2)将反馈值与设定值进行比较，调用PID算法函数，控制电机输出不同占空比的PWM波形；

(3)然后建立流量环PID控制算法函数，流量PID控制算法与速度环类似，不同之处在于PID的参数整定不相同，需要根据具体的调节设定合适的参数；

(4)将流量计反馈的流量与设定的流量进行比较，调用流量PID控制算法，计算出的结果为电机转速大小，将反馈值赋值给转速PID，调节转速的大小，从而达到调节流量的目的。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、块合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双重PID控制精准变量施药系统，包括微控制器模块、电源管理模块、驱动模块、输出模块、输出反馈模块、输入和显示模块，其特征在于，

所述微控制器模块分别连接电源管理模块、输入和显示模块、驱动模块、输出反馈模块，该微控制器模块用于控制整个系统的运行，包括接收来自输入和显示模块的输入指令，PID算法的运行，驱动电路控制信号的提供，反馈电路反馈的信息的接收和计算以及显示模块的显示信息的提供；

所述电源管理模块用于给控制电路、驱动电路、反馈电路提供不同规格的电源；

所述输出模块与所述驱动模块和所述输出反馈模块连接，该输出模块为水泵电机，用于驱动水泵工作，实现药液的输送；

所述驱动模块用于驱动水泵电机的运转；

所述输入和显示模块用于输入设定值，并且显示系统的运行状态；

所述输出反馈模块包括电机转速反馈模块以及药液流量反馈模块，其中，所述电机转速反馈模块包括设置在水泵电机的尾轴上的光电编码器，所述光电编码器通过联轴器与水泵电机的尾轴连接，用于检测水泵电机转轴的转速；所述药液流量反馈模块包括设置在水泵出水口处的流量传感器，用于检测水泵出口处的流量大小。

2.根据权利要求1所述的双重PID控制精准变量施药系统，其特征在于，所述电源管理模块为控制电路提供5V高稳定电源，为驱动电路提供12V大功率电源，为反馈电路提供稳定的5V电源。

3.根据权利要求1所述的双重PID控制精准变量施药系统，其特征在于，所述微控制器模块采用型号为STM32F407的单片机。

4.根据权利要求1所述的双重PID控制精准变量施药系统，其特征在于，所述流量传感器为基于霍尔传感器的YF-S401流量传感器，其参数是：工作电压5V，输出的脉冲高电平>4.7V,占空比50％±10％，检测精度0.15-3L/min，输出脉冲频率为F＝98×Q×60±2％，Q为L/min，以1L/min为例则频率为5880Hz。

5.根据权利要求1所述的双重PID控制精准变量施药系统，其特征在于，所述光电编码器为欧姆龙光电编码器E6A2-CW3C，其参数是：工作电压5-12V，分辨率为500脉冲/圈，最高响应频率30kHz，即最大测量转速3600r/min，输出为方波。

6.根据权利要求1所述的双重PID控制精准变量施药系统，其特征在于，所述输入和显示模块的显示区域分为数据显示区和波形显示区，其中，所述数据显示区显示的为微控制器模块接收和处理的数据，所述波形显示区显示的为流量波形和转速波形。

7.一种用于权利要求1-6任一项所述的双重PID控制精准变量施药系统的反馈调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过设置在水泵出水口处的流量传感器计算出水泵出水口处的药液流量大小，并将其与实际所需要的药液流量比较，并通过PID算法计算出所要补偿的药液流量大小；

(2)将所需补偿的药液流量大小传达给内环PID，所述内环PID先通过利用光电编码器作为内环测量实际水泵电机的转速，再根据所需要补偿的药液流量需求来计算出水泵电机实际需要的转速，并利用PID算法计算出实际需要补偿的转速，最后以调节输出PWM的方式，提高占空比或者减少占空比，占空比的改变致使电机两端电压的改变，达到改变转速的目的。

8.根据权利要求7所述的双重PID控制精准变量施药系统的反馈调节方法，其特征在于，所述PID算法的计算步骤为：

位置式PID：

其中，T为采样时间，T_i为积分时间，T_d为微分时间，e_k为本次设定值与反馈值之差，e_k-1为上次设定值与反馈值之差；

令ΔOut＝Out_k-Out_k-1，

得增量式PID：

一般形式：

ΔOut＝k_p(e_k-e_k-1)+k_de_k+k_i(e_k-2e_k-1+e_k-2)。

9.根据权利要求8所述的双重PID控制精准变量施药系统的反馈调节方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述外环PID算法为：

微控制器模块测量当前的流量f_k与用户设定的流量f作比较得出本次的流量偏差e_k；算法保存偏差的方式为：

10.根据权利要求8所述的双重PID控制精准变量施药系统的反馈调节方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述内环PID算法为：

微控制器模块测量编码器当前转速R_k与上次根据流量需求设定值R_k-1作比较得出本次偏差e_k；算法保存偏差的方式为：

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