玉米自走式噴霧機苗期間歇施藥控制系統(tǒng)設計

第二章系統(tǒng)總體方案及硬件設計2.1設計總體要求2.1.1設計目的區(qū)分作物與土壤以及判斷施藥目標作物的有無是間歇施藥控制系統(tǒng)的設計目標，實現(xiàn)對苗精準噴施。根據(jù)施藥目標作物高度，實現(xiàn)間歇噴灑，提高農(nóng)藥利用效率，減少農(nóng)藥用量和環(huán)境污染?！伴g歇”是通過傳感器技術獲取目標作物信息，根據(jù)作物信息實現(xiàn)非連續(xù)變量噴藥。2.1.2設計要求間歇施藥控制系統(tǒng)要求借助專門的傳感器感知目標信息傳輸?shù)娇刂破髦校瑢π畔⑦M行處理和數(shù)據(jù)分析，并輸出控制信息達到控制系統(tǒng)壓力與流量有效狀態(tài)從而有效控制電磁閥的開閉，實現(xiàn)系統(tǒng)間歇対靶施藥目的。傳感器檢測模塊與PLC通信，進行噴霧信號的發(fā)送，PLC根據(jù)傳感器的檢測信號的分析對噴霧進行控制，對噴霧壓力和流量變化進行實時檢測，根據(jù)實時數(shù)據(jù)調整噴霧系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)儲存在設備中的PC端。因此，間歇施藥控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下主要功能：間歇施藥控制系統(tǒng)將采用傳感器實時采集的植物信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC中，經(jīng)由先前設定的處理算法，確定噴霧方案。PLC通過控制減壓閥控制壓力、電磁閥控制開閉，進行間歇施藥，賦予了系統(tǒng)精確的施藥量控制能力以及迅速的反應機制。通過對施藥量以及噴藥壓力的連續(xù)實時測量與反饋，向PLC模塊中輸入所收集到的數(shù)據(jù)，隨后PLC模塊通過數(shù)據(jù)分析與處理調整噴霧。2.2間歇變量施藥機總體構成苗期間歇變量施藥機主要由藥箱、控制箱、液壓系統(tǒng)、噴桿、電動推桿、電磁閥、噴頭等組成，如圖2-1所示。噴霧機作業(yè)時，根據(jù)超聲傳感器檢測到的作物信號，經(jīng)PLC控制器處理后，通過控制與噴頭相連的電磁閥開閉，實現(xiàn)間歇變量施藥。此外，系統(tǒng)可通過控制電動推桿伸縮調節(jié)噴桿距地高度。1.電動推桿2.藥箱3.控制箱4.液壓系統(tǒng)5.噴桿6.電磁閥7.噴頭圖2-1噴霧機結構簡圖Fig.2-1Schematicdiagramofsprayerstructure2.3控制總體方案確定2.3.1系統(tǒng)基本組成根據(jù)間歇施藥控制系統(tǒng)設計要求與目標，間歇施藥控制系統(tǒng)主要包括給藥單元，噴施信息檢測單元，間歇施藥控制單元，作物信息檢測單元及施藥單元五個主要部分。圖2-2間歇施藥控制系統(tǒng)基本組成圖Fig.2-2Basiccompositiondiagramofintermittentapplicationcontrolsystem如圖2-2所示，其中各部分功能如下：（1）給藥單元：提供整個系統(tǒng)的藥液供給；（2）間歇施藥控制單元：是整個系統(tǒng)的核心組成部分，主要收集感知檢測單元輸入信息，并通過信號處理方法對輸入信息進行數(shù)據(jù)處理與分析，得到控制信息的有效狀態(tài)，輸出控制信息到控制環(huán)節(jié)和PC機進行控制和顯示。（3）噴施信息檢測單元：實時監(jiān)測噴施過程中的壓力和流量信息，并將數(shù)據(jù)反饋到間歇施藥控制單元中；（4）施藥單元：完成系統(tǒng)藥液的噴灑；（5）作物信息檢測單元：通過超聲波測距傳感器采集現(xiàn)場作物的高度信息，并將信息傳輸?shù)娇刂茊卧?.3.2控制系統(tǒng)整體方案間歇施藥控制系統(tǒng)的整體方案是基于PLC控制比例減壓閥控制壓力、高速開關閥開閉與傳感器技術相結合，根據(jù)噴霧目標作物的有無區(qū)分作物與土壤，對農(nóng)作物進行間歇性準確噴施，降低農(nóng)藥的浪費及噴施成本，并減輕對土地資源的污染與破壞。間歇施藥控制系統(tǒng)整體結構，由超聲波測距傳感器、PC、PLC、藥箱、過濾器、隔膜泵、蓄能器、減壓閥、溢流閥、排氣閥、電磁閥、壓阻式壓力傳感器、渦輪流量計、壓力表、噴頭組成。根據(jù)間歇施藥系統(tǒng)的主要組成部分對給藥單元，噴施信息檢測單元，間歇施藥控制單元，作物信息檢測單元及施藥單元的構成進行詳細的闡述：（1）給藥單元:其結構主要由經(jīng)由主要管路連接的藥箱，隔膜泵，粗過濾器，排氣閥，減壓閥，蓄能器，精過濾器，以及回流管路中的溢流閥所構成；（2）噴施信息檢測單元:主要由主管路順序的壓阻壓力傳感器，渦輪流量計及壓力表構成；（3）間歇施藥控制單元:主要由控制的核心部件PLC、通過主管路連接的電磁閥、主管路中的比例減壓閥，以及每個支路的兩路電磁閥構成；（4）作物信息檢測單元：包括2組超聲測距傳感器，一路為對行測距傳感器，另一路為對地測距傳感器。（5）施藥單元:主要有與主管路連接且六路并聯(lián)施藥支路上的噴頭構成，六路均安裝在噴桿上；2.4硬件選擇與設計2.4.1液壓系統(tǒng)回路構建間歇施藥控制系統(tǒng)液壓回路如圖2-3所示，系統(tǒng)液壓回路由藥箱、卸荷閥、溢流、蓄能器、壓力表、手動截止閥排氣閥、流量傳感器、電磁比例減壓閥、單向閥、電磁開關閥、隔膜泵、過濾器、高速開關電磁閥、回流高速開關電磁閥、噴頭、壓力傳感器組成。間歇施藥控制系統(tǒng)主要由噴桿噴頭及其管路、藥箱、電動隔膜泵、減壓閥、高頻電磁閥、溢流閥、蓄能器、泵脈動阻尼組件、噴霧控制器及供電單元組成，系統(tǒng)結構圖如圖2-3所示。系統(tǒng)采用蓄能器與溢流閥，為減壓閥調節(jié)提供穩(wěn)定的初始壓力、減少泵的脈動壓力和系統(tǒng)閥開閉產(chǎn)生的沖擊，增加噴頭的流量穩(wěn)定性和準確性。系統(tǒng)采用回流高速電磁閥，減小高速電磁閥開關時間對噴霧動態(tài)流量特性的影響。1.水箱2.粗過濾器3.隔膜泵4.精過濾器5.溢流閥6.手自一體電磁閥7.單向閥8.截止閥9.壓力傳感器10.蓄能器11.電磁開關閥12.流量傳感器13.放氣閥14.比例減壓閥15.噴頭16高頻電磁閥17.高頻電磁閥圖2-3液壓原理圖Fig.2-3Hydraulicschematic2.4.2藥液回路主要元器件選擇（1）隔膜泵間歇施藥控制系統(tǒng)中藥液的噴施動力來源于隔膜泵，作為是液壓系統(tǒng)中的重要裝置，隔膜泵通過隔膜片的來回鼓動來改變工作室容積，進而完成吸入和排出液體的過程。隔膜泵具有不需灌引水、通過性能好、使用壽命長等優(yōu)點，根據(jù)不同介質，隔膜分為氯丁橡膠、氟橡膠、丁晴橡膠等。為盡量減少隔膜泵占有空間和脈沖量，降低隔膜泵的震動影響，保證系統(tǒng)持久的供壓穩(wěn)定能力等要求，本系統(tǒng)選用意大利COME-HPP公司農(nóng)用MP20系列隔膜泵。如圖2-4所示。主要參數(shù)如下：工作壓力：0-3Mpa流量：18L/min馬力：0.2轉速：450重量：6.6kg圖2-4隔膜泵Fig.2-4Diaphragmpump（2）蓄能器在液壓氣動系統(tǒng)中，能量的儲蓄主要通過蓄能器完成。在能量過?；蚱渌m當?shù)那闆r下，蓄能器會通過將能量轉變?yōu)槲荒芑驂嚎s能的方式存儲能量；能量不足或系統(tǒng)需要時，蓄能器可通過將位能或壓縮能轉為氣壓或液壓的方式釋放儲能，為系統(tǒng)補給能量。當系統(tǒng)瞬間壓力增大時，它可以吸收這部分的能量，以保證整個系統(tǒng)壓力正常。在間歇施藥控制系統(tǒng)中蓄能器的作用是保持整個管路壓力的平穩(wěn)，一旦管路的壓力增加至承受范圍極值附近，蓄能器將存儲多余的能量，保持系統(tǒng)處于正常的壓力范圍內。蓄能器的外形如圖2-5所示，參考隔膜泵0MPa-3MPa的范圍，選擇如下參數(shù)型號的蓄能器。類型：氣囊式蓄能器公稱壓力：1.5Mpa體積：0.5L通徑：10mm圖2-5蓄能器Fig.2-5Accumulator（3）減壓閥減壓閥是依靠介質本身的能量將進口壓力減小至所需值的出口壓力，以確保出口壓力保持平穩(wěn)的設備。根據(jù)流體力學的原理，減壓閥主要通過改變節(jié)流面積進而改變局部阻力，由于流體的流速及其功能的變化對壓力的消耗作用，是系統(tǒng)中的壓力得以降低，通過系統(tǒng)的調節(jié)與控制作用平衡彈簧力及閥后壓力的波動。因此，減壓閥的主要功能是通過調整系統(tǒng)內管路的壓力值，保持調整后的壓力值在小誤差范圍內恒定。參考除減壓閥外元件的參數(shù)，因此選擇力士樂比例減壓閥，如2-6所示。因隔膜泵的工作壓力為0-3MPa，但管路中的壓力在0-0.6MPa范圍內，因此需要減壓閥將進口的壓力值減小到0-1MPa范圍內，故選擇一下參數(shù)的減壓閥：公稱壓力：1MPa出口壓力：0.2-0.8MPa連接方式：螺紋連接材質：不銹鋼圖2-6減壓閥Fig.2-6Pressurereliefvalve（4）溢流閥溢流閥主要充當系統(tǒng)的安保作用，當系統(tǒng)管路中的壓力高于規(guī)定值時，溢流閥被頂開，通過將系統(tǒng)中的部分氣體排進環(huán)境中的方式，降低系統(tǒng)的壓力值，保證系統(tǒng)壓力不高于臨界值，進而防止系統(tǒng)由于壓力過大發(fā)生事故。溢流閥參數(shù)如下：通徑：10mm壓力調節(jié)范圍：0.3～0.5Mpa壓力調節(jié)精度：<5%壓力等級：1Mpa圖2-7溢流閥Fig.2-7Overflowvalve2.4.3控制系統(tǒng)主要硬件選擇間歇施藥控制系統(tǒng)包括主控制器、超聲波傳感器、速度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器，減壓閥、電磁閥等部分，如圖2-8所示。其中主控制器選用歐姆龍公司生產(chǎn)的CP1H系列PLC，負責處理各傳感器檢測的信號，控制電磁閥開閉以及根據(jù)檢測到的壓力信號控制減壓閥的開度維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖2-8控制系統(tǒng)硬件結構圖Fig.2-8Hardwarestructurediagramofcontrolsystem（1）PLC的選型PLC可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC）是一種可將控制指令隨時輸入內存進行存儲及執(zhí)行的、具有微處理器的用于自動化控制的數(shù)字運算控制器[52]。PLC可編程控制器的構成主要包括電源，CPU，數(shù)據(jù)與指令內存，輸入/輸出接口以及數(shù)字模擬轉換等功能單元。早期的可編程邏輯控制器只有邏輯控制的功能，所以被命名為可編程邏輯控制器，后來隨著不斷地發(fā)展，這些當初功能簡單的計算機模塊擁有了包括時序控制，邏輯控制，模擬控制及多機通信等各類功能[53]。本文選用歐姆龍CP1H系列的可編程邏輯控制器具有以下主要特點：a）可靠性高。PLC可編程邏輯控制器大部分由單片微型計算機構成，具有較高的集成度以及較強的自我診斷及電路保護功能，因此具有較高的系統(tǒng)可靠性。b）編程容易。由于使用繼電器控制梯形圖及命令語句，PLC可編程邏輯控制器的數(shù)量遠小于微型機，中檔及高檔的PLC可編程邏輯控制器除外，普通小型的PLC可編程邏輯控制器的語句數(shù)量在16個左右。梯形圖具有簡單且形象生動的特點，便于掌握與應用，即使不具備專業(yè)的計算機素養(yǎng)，也可編程。c）組態(tài)靈活。PLC可編程邏輯控制器的積木式的結構導致其具有組態(tài)靈活的優(yōu)點，操作人員可通過簡單組合實現(xiàn)控制系統(tǒng)的規(guī)模與功能的調整，能夠廣泛的適配于各種控制系統(tǒng)。d）輸入/輸出功能模塊齊全。針對開關量，數(shù)字量或模擬量，電壓或電流及直流或交流等各個信號具有相應的模板可與控制閥，開關，按鈕，電機啟動器及傳感電流變送器等工業(yè)現(xiàn)場器件的直接連接，是PLC可編程邏輯控制器的最大優(yōu)點之一，除此之外，PLC可通過總線與CPU主板相連。e）安裝方便。由于PLC可編程邏輯控制器的安裝不需要較高的屏蔽環(huán)境及專用的機房，比計算機系統(tǒng)的安裝要求低。將檢測器件與執(zhí)行機構和可編程邏輯控制器的I/O接口端子正確連接，即可啟動工作。f）運行速度快。與繼電器的邏輯控制相比，PLC可編程邏輯控制器的程序控制極大的提升了可靠性還是運行速度。本系統(tǒng)選用CP1H系列PLC，24V直流電源型，該型號自帶4路模擬量輸入，2路模擬量輸出，可滿足系統(tǒng)中模擬量輸出要求。圖2-9CP1H系列PLCFig.2-9CP1HseriesPLC（2）電磁閥電磁閥作為本系統(tǒng)重要元件，用來控制噴霧支路的開閉。電磁閥選用直動式兩位兩通單向電磁閥，如圖2-10，通電時，電磁激勵會將柱塞拉起，閥門打開；斷電時，電磁力消失，彈簧力把柱塞壓在閥座上，閥門關閉。該型號電磁閥可靠性高，密封性能比較好，適用于氣體和液體，響應速度比較快，滿足本系統(tǒng)的功能要求，具體參數(shù)如下：類型：常閉通徑：6mm壓力等級：0.6Mpa接口；1/8螺紋連接額定電壓：24V功率：20W頻率：大于10Hz響應時間：<30ms圖2-10電磁閥Fig.2-10Solenoidvalve（3）壓力傳感器本系統(tǒng)中選用陶瓷壓阻壓力傳感器ESP1016系列，采用陶瓷電阻芯體，基于壓敏電阻的壓阻效應，當陶瓷膜片的前表面由于承受壓力而產(chǎn)生較為微小的形變時，由于被印刷在陶瓷膜片背面的厚膜電阻構成了閉合的惠斯通電橋，電橋內部將產(chǎn)生與壓力及激勵電壓皆成正比的高度線性的電壓信號，從而通過電子電路的處理，轉化成標準的電流信號或電壓信號輸出。壓力范圍：0~0.6Mpa過載壓力：滿量程的2倍精度等級：0.5%F.S.供電電源：24VDC輸出信號：4~20mA防護等級：IP65/IP67圖2-11壓力傳感器Fig.2-11Pressuresensor（4）流量傳感器整個系統(tǒng)中采集噴施流量數(shù)據(jù)的液體流量傳感器發(fā)揮了重要的作用，系統(tǒng)整體的準確度與可靠性主要受到液體流量傳感器工作狀態(tài)的影響。液體流量傳感器的結構由電磁流量計，轉子流量計，渦輪流量計，浮子流量計，差壓流量計及齒輪流量計等構成。其中，渦輪流量計主要通過完成流速與渦輪轉速之間的轉變以及渦輪轉速與電信號的轉變完成對流量的測量。系統(tǒng)的總積算流量以及瞬時流量皆可由渦輪流量計檢測，檢測結果輸出為電信號的特性提升了系統(tǒng)的數(shù)字化。因此常采用渦輪流量計對系統(tǒng)的流量進行測量并實時輸出電信號。系統(tǒng)選用南控儀表公司LWGY系列的渦輪流量計。其主要參數(shù)如下：儀表口徑：20mm精度等級：0.5%R材質：304不銹鋼輸出信號：4-20mA供電電源：24V防護等級：IP65圖2-12渦輪流量計Fig.2-12Turbineflowmeter（5）超聲波測距傳感器本系統(tǒng)選用的CUM18-M1EI系列超聲波測距傳感器，符合IP67防水標準，滿足本系統(tǒng)使用要求。該傳感器能產(chǎn)生42kHz的超聲波，24VDC供電，波束角約為10°；其最大測量范圍為1m，分辨率為1cm，刷新頻率為10Hz。圖2-13超聲波傳感器Fig.2-13Ultrasonicsensor2.4.4硬件系統(tǒng)集成綜上，集成間歇施藥控制系統(tǒng)液壓部分與電控部分硬件，如圖2-14所示。1.藥箱2.卸荷閥3.溢流閥4.蓄能器5.壓力表6.手動截止閥7.排氣閥8.流量計9.電磁比例減壓閥10.單向閥11.電磁開關閥12.隔膜泵13.過濾器14.高速開關電磁閥15.回流高速開關電磁閥16.噴頭17.壓力傳感器18.人機操作界面圖2-14間歇施藥控制系統(tǒng)原理圖Fig.2-14Schematicdiagramofintermittentapplicationcontrolsystem2.5硬件電路設計2.5.1PLC外部電路間歇施藥控制系統(tǒng)中共有17路輸入信號，其中I0.0為開關量輸入端口，接入開始按鈕。其中4路接在PLC自帶的模擬量輸入端口，剩余12路與CP1W-AD041轉換模塊相連。16路輸出信號中有1路模擬量輸出，其余均為開關量，其中Q0.00~Q1.07為開關量輸出端口。PLC控制系統(tǒng)外部接線圖如圖2-15所示，其中Q0.0~Q1.6與電流放大電路模塊相連，間接控制對應電磁閥的通斷。圖2-15PLC外部接線圖Fig.2-15ExternalwiringdiagramofPLC2.5.2電磁閥驅動電路設計由于電磁閥工作電流約1A，PLC輸出點最大通過電流為0.3A，因此在PLC輸出點與電磁閥之間加入電流放大模塊，使電磁閥可以正常工作。同時，防止PLC因輸出點通過電流過大而損壞。圖2-16電磁閥驅動電路圖Fig.2-16Solenoidvalvedrivecircuitdiagram2.6本章小結本章主要介紹了間歇施藥控制系統(tǒng)設計目標與要求，設計了施藥機整機結構，搭建了液壓回路，優(yōu)選了液壓元件參數(shù)，設計了基于PLC及外圍電路的電控系統(tǒng)，完成元件選型。

第三章系統(tǒng)控制模型構建及控制算法設計系統(tǒng)的精準控制主要由其控制算法及控制模型所決定。本章分別對系統(tǒng)中流量與壓力的控制模型進行構建與分析，并對系統(tǒng)的控制算法進行設計及仿真分析。3.1系統(tǒng)控制模型分析及構建3.1.1壓力控制模型分析及構建比例減壓閥控制、壓力檢測以及控制器控制算法計算構成了系統(tǒng)藥液壓力控制環(huán)節(jié)的主要部分。構建原理大致為:控制器運用控制算法對數(shù)據(jù)進行處理并將電壓信號輸出，通過對減壓閥開度的控制進一步調整系統(tǒng)中的實際壓力值大小，其中，壓力傳感器通過電壓-壓力轉換獲取實際壓力值。隨后，控制系統(tǒng)將獲取的壓力值進行處理輸出電壓信號，對噴施壓力進行閉環(huán)控制。圖3-1為該系統(tǒng)的壓力控制模型，圖中的實際藥液壓力及控制器的輸出電壓可由U(s)及P(s)表示。圖3-1壓力控制模型Fig.3-1PressureControlModel（1）在不考慮動作延遲性的情況下，比例減壓閥傳遞函數(shù)減壓閥的出口壓力與控制電壓成比例關系，因此傳遞函數(shù)可視為比例常數(shù)，故比例減壓閥根據(jù)控制電壓執(zhí)行動作過程輸出控制藥液壓力這一過程的傳遞函數(shù)為：P1s=0.2×U（2）本文中進行液體壓力與電壓信號轉換工作的設備為壓力變送器，經(jīng)過處理后，壓力變送器輸出的電壓與液體壓力大小呈線性比例關系，因此輸出的電壓和液體壓力值相互對應，式（3-2）為液體壓力與電壓的關系式，等式右側的P實為液體的實際壓力，K是比例系數(shù)、b是修正值，左側的U是U=K×P實由前文可知，本系統(tǒng)中壓力傳感器的量程在0MPa-0.6Mpa之間，輸出電壓為DC0?5V，將對應數(shù)值代入式（3-2）中有：5=K×00=K×0+b計算得到b=0，K=25/3。在不考慮動作延遲性的情況下，設定壓力傳感器傳遞函數(shù)為不變的常數(shù)，因此液體壓力與電壓信號的傳遞函數(shù)的表達形式為：U2（3）在考慮傳輸動作延遲性的情況下，需要添加由于管道導致的信號延遲因素，表達形式如下：Ws綜上所述，在理想傳輸條件下（不考慮動作延遲性的情況）的壓力控制傳遞函數(shù)由下式表示：P(s)U(s)3.1.2流量控制模型分析與構建以噴霧機噴桿為安裝載體，6組噴頭沿噴桿長度方向均勻排布；為保證主控制器及高頻電磁閥等的計算處理與響應動作時間，每組超聲傳感器的安裝位置均靠前于所在支路的高頻電磁閥，且兩者連線平行于機具前進方向，如圖3-2所示。根據(jù)超聲傳感器與噴頭安裝位置及施藥作業(yè)過程，簡化并獲得單行施藥作業(yè)幾何關系圖，如圖3-3所示。(a)側視圖(b)俯視圖1.超聲傳感器2.噴桿3.噴頭4.苗株圖3-2超聲傳感器與噴頭安裝示意圖Fig.3-2Schematicdiagramofultrasonicsensorandnozzleinstallation1.超聲波測距傳感器，2.噴頭，3.地平線，4.苗株圖3-3單行施藥作業(yè)幾何關系圖Fig.3-3Geometricrelationshipdiagramofsinglerowspraying當前主流研究通常以作業(yè)速度、對象有無和作物冠層大小等作為變量施藥的參考因素，往往忽視作物高度（即作業(yè)物距）對施藥效果的影響。本文通過分析幾何關系（圖3-3）發(fā)現(xiàn)：受噴霧角（γ）影響，噴頭與苗株冠層距離值（h2）越大，噴灑作業(yè)范圍越大。即車速穩(wěn)定的前提下，苗株冠層距離噴頭越遠，其受藥時間越短，從而導致苗株受藥量越少。為保證相同冠層面積的植株受藥量一致，需增加噴頭對遠距離植株的單位時間噴藥量。為此，計算并建立單位時間施藥量、噴頭噴藥時長分別與物距的關系式：作物沿前進方向的投影長度為：S=t1×v?2hv為噴霧作業(yè)速度；θ為超聲傳感器聲波束角；t1為超聲檢測當前苗株經(jīng)過的時長。即當超聲束角前端檢測到植株冠層后端時開始計時，超聲束角尾端離開作物冠層前端時結束計時，時長即為th1當噴頭噴霧角后端到達苗株冠層后端時開啟噴頭，噴頭噴霧角前端到達苗株冠層前端時關閉噴頭，則噴灑作物經(jīng)過的目標時長，即噴頭實際噴藥時長計算可得：t2=(S?2h2代入式（3-6）可得：t2=t1?設單株作物極限貼地生長時受藥總量為基準噴灑總量（Q0），單位時間內噴頭噴量為基準流量（qQ0=q0×t0q0=(6Q標Q標為標準噴量；w為行距；t由式（3-7）可知：t0=(S?H2為保證苗株受藥總量不受生長高度（即物距）影響，則有實際作物受藥總量Q滿足：Q=Q0(其中：Q=q×t2(將上述相關公式代入式（3-13），可獲得單株作物實際單位時間受藥量即單位時間噴頭流量：q=6Q標vwt3.2系統(tǒng)壓力控制算法設計與仿真3.2.1系統(tǒng)控制算法優(yōu)選實現(xiàn)施藥器械的變量控制及其監(jiān)控的重要手段為進行有效科學的系統(tǒng)控制算法的設計。當前該領域的控制算法較多，主要有PID控制算法、模糊控制算法、滯環(huán)控制算法、基于數(shù)學模型控制法等。(1)PID控制算法：隸屬經(jīng)典控制算法之一。玄子玉[54]為了對系統(tǒng)的噴量進行控制，通過PID控制算法對噴霧器的壓力進行了調節(jié)。由于這篇文章對PID控制算法的控制過程未進行詳細闡述，僅得出了噴霧量以及噴霧壓力的探測結果誤差，因此該方法需要進行更深入的探索。(2)模糊控制算法：陳勇[55]在對樹木等的噴藥問題的研究中應用了模糊控制算法，然而未應用此方法研究噴藥壓力及噴藥量的問題。張發(fā)軍[56]在對靶標噴藥的控制研究中提出了基于模糊控制規(guī)則，進行了較為細致的敘述，然而控制實驗的結果以及一些參數(shù)的制定細節(jié)并未給出。邵陸壽[57]通過仿真模擬建立了根據(jù)病蟲害級別及農(nóng)作物密度的進水泵和進藥泵的模糊控制噴霧系統(tǒng)，詳細分析了算法對于該系統(tǒng)的控制作用，但缺少實驗對正，仍需進一步研究。(3)滯環(huán)控制算法：翟長遠[58]為研究噴藥量的控制，應用在穩(wěn)定壓力下可達到較高精度控制水平的滯環(huán)控制算法進行分析。由于其具有分段控制算法的實質，當電動球閥動作性能較差以及壓力波動較大時，該算法對施藥量控制的精準度將下降，因此該算法還有待優(yōu)化。(4)基于數(shù)學模型控制法：是一種根據(jù)擬合的實驗數(shù)據(jù)建立數(shù)學模型，并通過數(shù)學模型進行精確控制的方法。史巖[59]建立了噴霧控制系統(tǒng)的準確數(shù)學模型并進行了模擬仿真分析，進一步將電流與施藥量的關系確定。即使數(shù)學模型控制法具有較高的準確性，然而針對不同的復雜情況及各種施藥條件，需要建立不同的數(shù)學模型，難度較大。(5)PWM控制算法：即利用PWM信號得到不同占空比的PWM輸出波形，通過控制電磁閥噴頭改變噴藥量大小。魏新華[60]等設計了一套PWM間歇噴霧式變量施藥控制系統(tǒng)，通過控制PWM信號的頻率和占空比來實現(xiàn)變量噴施。在合理選擇控制算法并進行施藥機變量控制算法優(yōu)化的理念上，本文對采用PID壓力控制算法的系統(tǒng)進行了一系列的實驗及模擬仿真研究；流量調節(jié)方式采用當前較為成熟的基于PWM波的流量控制方法，通過實時變更占空比，調節(jié)流量。3.2.2壓力PID控制算法設計在這篇文章中所使用的是PID控制算法來控制藥液的壓力和劑量。思路是：PLC采集藥液壓力信號，經(jīng)過AD轉換后轉換為數(shù)字信號，然后通過算法通過PID運算獲得數(shù)字控制量，再通過DA轉換將控制量反饋給比例減壓閥，控制藥液壓力。其中PID控制器關系式為：Pt=Kp(式中Pt——e(t)——理論壓力與實際壓力偏差Kp——TI——TD——將PID控制器的控制規(guī)律中的積分項和微分項進行離散化處理，得到適用于間歇施藥控制系統(tǒng)采樣控制的離散PID控制表達式：Pk=Kp式中：Pk為第k次采樣時刻的計算機輸出值；ek為第k次采樣時刻輸入的偏差值；e(k?1)為第k?1次采樣時刻的偏差值；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；在實際應用過程中，由于各式各樣的復雜因素，不可能將液體壓力準確地調節(jié)到設定壓力。因此，根據(jù)系統(tǒng)中設定的誤差要求，將藥液壓力的允許誤差范圍設置為AP，然后計算藥液壓力，如圖3-2所示。其中的詳細的的軟件實現(xiàn)的過程詳見系統(tǒng)軟件設計部分，本文僅從控制算法的角度描述藥液壓力的PID控制過程。圖3-4壓力PID控制流程圖Fig.3-4FlowChartofPIDControlonPressure3.2.3算法仿真及結果分析在本文中為了測試該算法的壓力控制效果，使用MATLAB2014a軟件中的Simulink仿真系統(tǒng)來對該算法進行了分析。根據(jù)圖3-1所示的壓力控制模型和過程控制理論，將系統(tǒng)延遲參數(shù)設置為0.01s，然后如圖3-5所示建立壓力PID控制仿真系統(tǒng)。圖3-5壓力PID控制的仿真系統(tǒng)Fig.3-5SimulationSystemofProportionIntegralDerivative(PID)ControlonPressure在仿真過程中，采用穩(wěn)定邊界法對三個參數(shù)的值進行優(yōu)化，通過仿真接口的示波器觀察系統(tǒng)的響應結果。在使用仿真后發(fā)現(xiàn)，當單位階躍信號作為仿真輸入信號時，當三個參數(shù)值分別為0.01、50、0.05時，控制響應效果比較好的是壓力PID控制模型。響應曲線如圖3-6所示。圖3-6壓力PID控制仿真曲線Fig.3-6SimulationCurvesofPIDControlonPressure從壓力控制模型傳遞函數(shù)可以知道，壓力控制系統(tǒng)屬于一階系統(tǒng)。從圖3-6可以看出，在對PID控制算法實施壓力控制時，壓力控制系統(tǒng)對單位階躍信號的響應時間約為0.5s。3.3流量控制算法本系統(tǒng)采用脈寬調制技術(PWM)來實現(xiàn)變量施藥。通過改變控制驅動線圈的信號的占比空間來達到目的，即為PWM。處于PWM模式的情況下，開關周期是永恒不變的，占空比由導通時間決定，平均輸出流量與導通時間成正比。在脈寬調制技術中，噴嘴的平均流量由高速電磁閥控制，即，=(3-17)式中——脈沖信號占空比，=；——PWM信號1個周期內高電平持續(xù)時間——PWM信號周期——電磁閥的最大流量在進行藥物噴灑的過程時，假設拖拉機的移動速度為、物體距離為，控制脈沖信號的占空比一直為，控制噴頭的平均流量，實現(xiàn)了隨車速和物體距離的變化而變化的應用。3.4本章小結本章主要設計和仿真了系統(tǒng)的壓力和流量控制模型的建立和控制算法。主要結論如下:(1)分析并建立了壓力PID控制模型。設計并仿真了壓力PID控制算法。仿真結果表明，在單位階躍信號輸入下，壓力PID控制系統(tǒng)的響應時間為0.3s。（2）根據(jù)幾何關系分析建立了流量控制模型，通過分析對比不同控制算法，確定采用PWM控制方法進行調節(jié)流量。第四章系統(tǒng)軟件設計4.1PLC程序設計原理4.1.1PLC工作原理在PLC開始運行之后，PLC的工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新。以上三個階段的掃描周期依次完成。在整個操作過程中，PLCCPU的掃描速度在以上三個階段反復執(zhí)行。(1)輸入采樣階段在一開始的采樣階段，PLC通過掃描依次讀取所有的輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將其放入I/O圖像區(qū)域中存儲的相應單元中;在輸入采樣完成之后，就進入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。當輸入是脈沖信號時，信號寬度必須大于一個掃描周期，以確保在任何情況下都能讀取輸入信號。(2)用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC通常以自頂向下的順序掃描用戶程序(梯形圖)。掃描梯形圖時,總是掃描替代由左派控制電路、執(zhí)行邏輯運算和控制電路由一系列的訂單,然后根據(jù)邏輯運算的結果,刷新系統(tǒng)的RAM(工作記憶的區(qū)域)在相應位置的邏輯線圈狀態(tài);或者決定是否執(zhí)行梯形圖中規(guī)定的特殊功能指令;或刷新I/O圖像區(qū)域中輸出線圈的相應位的狀態(tài)。(3)輸出刷新階段在這個階段，CPU根據(jù)I/O圖像區(qū)域對應的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有的輸出鎖存器電路，然后通過輸出電路驅動相應的外部設置。4.1.2PLC編程語言Cx-programmer軟件具有從2001cx-programmer2.0到現(xiàn)在的cx-programmer9.6的多個版本，具有高版本兼容性和低版本功能。它支持C，CV/CVM1，CS1，CJ1，CPIH，CPIL和其他OMRON全系列PLC。Cx-programmer具有強大的編程，調試和監(jiān)視功能以及完善的維護功能，使程序開發(fā)和系統(tǒng)維護更加輕松快捷[61]。（1）梯形圖（LAD）梯形圖由一個線圈，一個觸點和一個以方框表示的指令框組成。線圈通常代表邏輯運算的結果，并用于控制內部標志位，外部指示燈和交流接觸器。觸點表示邏輯輸入條件，例如外部開關，按鈕和內部條件。該命令框用于表示其他指令，例如計數(shù)器，計時器或數(shù)學運算。LAD直接來自繼電器控制原理的擴展圖。在分析梯形圖的邏輯關系時，為了借用繼電器電路圖的分析方法，可以想像垂直“電源線”左右兩側之間的梯形圖具有負的直流電源電壓，當圖4-1I0.00與I0.01同時連接時，左側為右側，則有一個假設的“能量流”（功率流）流經(jīng)Q0.00線圈，可以流可以從左側流向對。圖4-1梯形圖示例Fig.4-1Exampleoftrapezoiddiagram（2）語句表（STL)CPIH系列PLC將稱為語句列表，它類似于微型計算機的匯編語言，在文本語言中，將多個語句分成一個程序段。例如圖4-2：圖4-2語句表Fig4-2Statementtable4.1.3PLC控制系統(tǒng)的一般步驟PLC應用系統(tǒng)設計和調試的主要步驟如圖4-3所示：（1）充分的進行理解和嚴謹?shù)慕馕鍪芸貙ο蟮目刂埔蠛涂刂七^程需要的條件。（2）受控對象是一般情況下指受控的電子器材，機械設施，進行生產(chǎn)的過程或者生產(chǎn)線。（3）控制要求主要是指基本的控制方式，自動工作周期的組成，必要的保護和互鎖等。對于更復雜的控制系統(tǒng)，控制任務也可以分為獨立的部分。圖4-3控制系統(tǒng)一般設計步驟Fig.4-3Generaldesignstepsofcontrolsystem(2)確定I/O設備根據(jù)PLC控制系統(tǒng)對被控對象的功能要求，確定系統(tǒng)所需的輸入和輸出設備。常用的輸入設備包括行程開關、選擇開關、按鈕和傳感器。常用的輸出設備包括燈、接觸器、繼電器和電磁閥。(3)選擇合適的PLC類型根據(jù)確定的用戶I/O設備，計算所需的輸入輸出信號點，選擇合適的PLC類型，包括型號選擇、I/O模塊選擇、電源模塊選擇、容量選擇。(4)分配I/O點分配PLC輸入輸出點，編制輸入輸出分配表或編制輸入端接線圖。PLC程序設計完成后，可以同時進行工作站或控制柜的設計和現(xiàn)場施工。(5)應用系統(tǒng)梯形圖程序設計根據(jù)工作功能圖或狀態(tài)流程圖設計梯形圖。這一步是整個應用系統(tǒng)設計的核心工作。要設計一個好的梯形圖，你必須熟悉控制要求，并有一些電氣設計的實際經(jīng)驗。(6)將程序輸入PLC當使用簡單的程序設計器將程序輸入PLC時，最好將梯形圖輸入到指令助記符中進行輸入。當使用PLC的輔助編程軟件在計算機上編程時，可通過上位機和下位機的連接電纜將程序下載到PLC上。(7)軟件測試程序輸入PLC后，需要先進行測試。因為在編程的過程中，會有遺漏。因此，在PLC與現(xiàn)場設備連接之前，有必要進行軟件測試，消除程序中的錯誤，為整個調試打下良好的基礎，縮短整個調試周期。(8)應用系統(tǒng)整體調試完成PLC軟硬件設計、控制柜及現(xiàn)場施工后，對整個系統(tǒng)進行在線調試。如果控制程序中有更多的步驟，您可以在部分中調試，然后連接到主程序。4.2間歇施藥系統(tǒng)程序設計4.2.1軟件程序流程規(guī)劃根據(jù)施藥作業(yè)要求，規(guī)劃軟件程序流程，如圖4-4所示，系統(tǒng)啟動并經(jīng)初始化后，首先輸入系統(tǒng)目標壓力、標準噴量等工作參數(shù)。隨后，通過超聲波傳感器探測目標苗株，采集其生長高度即物距信息，內置間歇施藥控制算法根據(jù)物距值計算噴藥流量，并通過高頻電磁閥完成變量噴藥動作。與此同時，系統(tǒng)實時監(jiān)測實際管路壓力，基于PID算法控制并調整比例減壓閥開度，實現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)壓。圖4-4控制系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4-4Flowchartofcontrolsystem項目設計的主要任務是編寫邏輯程序。首先，程序員應闡明控制過程的概念。PLC編程軟件支持模塊化編程。根據(jù)系統(tǒng)中不同的控制功能，它可以分為幾個子程序?？梢詫⑼怀绦蚨蔚墓δ軐懭胍粋€子程序，該子程序可以重復調用。系統(tǒng)中的OB1（MAIN）是一個MAIN程序。需要強調的是，必須在MAIN程序中調用該子例程，否則PLC將在整個掃描周期中跳過被調用的UN子例程，從而影響控制過程。間歇應用控制系統(tǒng)主要包括壓力和流量計的采集程序，電磁閥的啟?？刂坪捅壤郎p壓閥的開度控制。系統(tǒng)的整個塊組成如圖4-5所示。圖4-5系統(tǒng)程序塊Fig.4-5systemprogramblock4.2.2模擬量采集程序將各傳感器對應通道采集到的數(shù)據(jù)，存儲到PLC內部寄存器中，然后根據(jù)要求再對其進行計算處理等。系統(tǒng)中傳感器的輸出信號均為模擬量，通過AD轉換模塊轉換為數(shù)字量，PLC對檢測的數(shù)字量進行相應的運算處理，得出相應檢測值。(1)速度檢測v=πD其中D為車輪直徑，mVAIW0vmax為速度傳感器最大值，r/minvmin(2)流量檢測q=qQAIW0為流量當前測量值，L/mimqmax為流量檢測傳感器最大值，L/minqmin為流量傳感器檢測最小值，L/min(3)壓力檢測p=pPAIW0pmaxpmin為壓力傳感器檢測最小值，Mpa（4）作物高度測量對行測距傳感器檢測值為?i?i其中HmaxHminHAIWi圖4-6模擬量采集部分程序Fig.4-6Partoftheprogramofanalogquantitycollection4.2.3報警程序報警程序設計，根據(jù)試驗中采集到的主管路壓力，與事先設定的壓力閾值進行比較，當實時壓力大于壓力閾值時，系統(tǒng)報警。首先系統(tǒng)初始化，然后根據(jù)實際要求設置噴霧參數(shù)，參數(shù)設置完畢，按下啟動鍵啟動隔膜泵，同時啟動監(jiān)測系統(tǒng)，PLC對傳感器采集數(shù)據(jù)處理計算實際噴施信息；實時檢測閥后（減壓閥）壓力與閾值對比判斷，當閥后（減壓閥）壓力超過閾值時，系統(tǒng)報警，停止作業(yè)。圖4-7報警程序Fig.4-7Alarmprogram4.2.4壓力PID計算根據(jù)第三章中的PID控制算法，設計PLC程序，由仿真中得到的Kp圖4-8PID計算Fig.4-8thePIDcalculation4.2.5流量控制算法本系統(tǒng)選用PWM流量控制算法，通過控制電磁閥的開啟時間，即整個周期的占空比，來實現(xiàn)變量施藥。因此軟件主要是利用定時器構建不同頻率不同占空比的脈沖信號控制電磁閥來改變單個噴頭的瞬時流量?？刂瞥绦蛉鐖D4-9所示。圖4-9電磁閥PWM控制程序Fig4-9ElectromagneticvalvePWMcontrolprogram4.3基于LabVIEW的上位機軟件設計本節(jié)主要包括以下三方面內容：應用LabVIEW編制人機界面，PLC與LabVIEW通訊；在線調試。4.3.1應用LabVIEW編制人機界面（1）新建一個VI從File菜單中選擇New打開新的VI，出現(xiàn)VI的前面板和程序框圖，如圖4-13。圖4-13新建VI的前面板程序框圖Fig.4-13NewVIfrontpanelblockdiagram（2）創(chuàng)建控件和指示器根據(jù)對控制系統(tǒng)分析，人機界面應有開始按鈕、停止按鈕，物距、壓力和流量顯示值，以及速度、壓力和流量隨時間變化的曲線圖，超壓報警使用紅色指示燈顯示。如圖4-14所示。圖4-14設計人機界面前面板Fig.4-14Designthefrontpanelofman-machineinterface（3）編輯與操作該程序的設計思想是將收集的主管壓力與預設壓力閾值進行比較。當實時壓力大于壓力閾值時，系統(tǒng)將發(fā)出超壓警報。如果實時壓力小于設定值，則系統(tǒng)指示燈點亮。（4）連接每個指示器或控件都有其自己的接線端，該接線端已正確連接，以便在斷線時以虛線顯示程序圖。（5）布局面板上的顯示工具及其相應的顯示值與方框圖一起裝箱，以使界面顯得更加井井有條。（6）操作連接完全正確后，繼續(xù)運行該程序。（7）使用LabVIEW的優(yōu)勢與使用實際儀器相比，使用LabVIEW顯示儀器，圖形和數(shù)據(jù)具有很大的優(yōu)勢。LabVIEW界面上的儀器可以任意調整大小，范圍和數(shù)量。當使用實用工具解決這些問題時，很明顯它不像應用程序軟件那樣簡單。必須更換所需的儀器，從而降低經(jīng)濟性，安全性和可靠性。目前，許多行業(yè)都在使用LabVIEW進行數(shù)據(jù)分析和儀器顯示。4.3.2PLC與LabVIEW通訊上位機與PLC之間的交互在事實上是電腦與PLC通信模塊HostLink之間交換命令和響應的過程。上位機具有初始傳送優(yōu)先權，所有通訊均由上位機啟動，不需要PLC編寫通信程序。（3）LabVIEW與PLC通訊的實現(xiàn)1）PLC上位機鏈接設置使用RS232C端口時，應將DM6645的12?15位設置為0，將PLC的節(jié)點號設置為DM6648的00?07位。使用了OMRONCP1HPLC的默認設置。換句話說，當CPU的DIP開關J腳設為OFF時，PLC與上位機之間的通訊采用以下參數(shù)：起始位：1位；數(shù)據(jù)長度：7位；停止位：2位；奇偶校驗：波特率：9600b/s。2）LabVIEW中串口通訊的步驟LabVIEW具有5個串行通信節(jié)點，包括初始化端口（SerialPortInit。Vi），串行端口寫操作。Vi），串行端口讀取。Vi），檢測串行端口的字節(jié)。在LabVIEW程序中，可以通過以下步驟實現(xiàn)與PLC的通訊：（1）初始化串行端口并且初始化通信雙方的串行端口號，波特率，數(shù)據(jù)位，停止位，奇偶校驗等；（2）以PLC命令幀的格式打包待發(fā)送的數(shù)據(jù)，包括計算幀校驗序列FCS；（3）寫端口將整個命令幀發(fā)送到串口；（4）延遲等待PLC的響應幀到達串口；（5）讀取串口并讀取PLC的響應幀；（6）解包讀取讀取的響應幀并讀取對應的數(shù)據(jù)。3）LabVIEW中串口通訊的實現(xiàn)（1）初始化串行端口。根據(jù)PLC串行口通信的要求，通過串行口初始化將端口號設置為0。Vi節(jié)點，即設置上位機的串行口COM1與PLC通信。波特率設置為9600b/s；數(shù)據(jù)位為7位；停止位設置為2位；奇偶校驗設置為2，即數(shù)據(jù)幀奇偶校驗。（2）計算PLC數(shù)據(jù)幀的FCS并打包數(shù)據(jù)。（3）發(fā)送、接收和解壓縮串行端口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收主要由串行口寫入和串行口讀取節(jié)點來實現(xiàn)。串行口寫入完成后，在讀取前應將串行口延時一段時間（如延時250毫秒），以保證串行口的正常通信。解包程序與打包程序類似，其過程是相反的。4.3.3在線調試啟動PLC以及電源開關，等待PLC開始運行，在LabVIEW界面，點擊連續(xù)操作界面，開始運行程序。調整界面壓力設定值為0.2mpa，并調節(jié)比例減壓閥開度，指示燈正確閃爍，系統(tǒng)運行正常，達到了預期的目的。4.4本章小結本章主要介紹了間歇施藥控制系統(tǒng)的軟件設計，包括上位機軟件設計和PLC軟件設計。上位機選擇LabVIEW進行程序界面設計，軟件設計包括作物信息采集模塊、界面模塊與通訊模塊。PLC程序設計，軟件設計主要包括PLC處理主程序、間歇控制子程序、監(jiān)測子程序，通訊子程序、報警子程序。

第五章試驗及結果分析5.1試驗目的及內容本章主要實現(xiàn)了對系統(tǒng)硬件和軟件的調試和驗證。主要包括系統(tǒng)調試驗證和控制測試。其中，系統(tǒng)調試測試包括上位機和下位機的系統(tǒng)調試;控制測試主要是對控制算法和整個系統(tǒng)性能的測試，包括控制算法參數(shù)調整實驗和系統(tǒng)整體控制性能測試兩個方面。5.1.1試驗目的根據(jù)本研究設計的各功能模塊的軟硬件調試，測試其是否能正常工作，滿足設計的功能要求;同時，系統(tǒng)的整體性能，如系統(tǒng)的可靠性和可行性，當協(xié)調系統(tǒng)的各個模塊進行測試。5.1.2試驗內容針對間歇噴霧的噴霧要求，從而為間歇噴施的進一步研究奠定基礎，為實際應用提供理論支持，結合實際試驗條件，試驗內容主要有間歇噴施系統(tǒng)調試、壓力PID控制精度試驗、流量控制精度試驗驗證等。5.1.3試驗裝置搭建根據(jù)系統(tǒng)設計原理，設計搭建了玉米苗期間歇施藥試驗臺，為系統(tǒng)驗證試驗提供了一個平臺，便于驗證系統(tǒng)可行性。圖5-1試驗裝置Fig.5-1Testdevice5.2系統(tǒng)調試（1）泵的工況測定與驗證液壓泵的工況實驗主要是測試被測泵的流量性能參數(shù)隨壓力的變化規(guī)律。將泵的工作壓力設置為無負載、0.1Mpa、0.2Mpa、0.3Mpa、0.4MPa等5種工況下運行，測試其流量特性，檢驗是否為恒流泵。（2）噴霧系統(tǒng)回路測試系統(tǒng)回路的通斷是噴霧系統(tǒng)的重要保證，防止因管路堵塞而導致隔膜泵失效和安全事故。因此在試驗前必須對噴霧系統(tǒng)進行回路測試?；芈窚y試采取分段逐步測試，系統(tǒng)壓力控制在0.1Mpa以下。各段區(qū)穩(wěn)定運行2min，再試驗其他段區(qū)，直到噴頭有水噴出。（3）噴霧系統(tǒng)密封性試驗密封性實驗是保證各液壓部件和接頭處不滴漏，從而保證系統(tǒng)的正常運行。將系統(tǒng)壓力調至0.1Mpa，將各回路打開，保壓2min，檢查系統(tǒng)各處是否有滴漏。系統(tǒng)接頭無滴漏后，檢查各開關閥是否可以完全密閉及各功能閥是否有漏水現(xiàn)象。（4）噴霧系統(tǒng)穩(wěn)定性測試噴頭的流量和噴霧特性對噴霧壓力比較敏感，因此，系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定性是噴霧系統(tǒng)的重要特性，為后續(xù)的研究提供可靠的保障。將噴霧壓力分別調整為0.2Mpa、0.3Mpa、0.4MPa，在三種工況下，噴霧2min，監(jiān)測各壓力表和傳感器數(shù)據(jù)，檢查主管路壓力波動是否小于10%，噴霧壓力波動值是否小于5%，否則判定不合格。表5-1壓力波動表Tab.5-1Pressurefluctuationtable序號壓力表數(shù)值/Mpa傳感器數(shù)值/Mpa相對誤差/%10.200.1981.020.300.3134.330.400.3902.540.500.4892.2由表5-1可知，壓力波動相對誤差不超過4.3%，波動值在5%以內。因此可以得出該系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，噴霧系統(tǒng)符合要求。為保證噴霧系統(tǒng)的超壓密封性和安全性，防止由于氣穴、氣蝕和壓力的脈動性產(chǎn)生的壓力沖擊和操作失誤而導致壓力過高引起的不良事故發(fā)生。因此需在正式試驗前，驗證系統(tǒng)的耐壓性能。5.3速度信息監(jiān)測與校正對于速度測試和校正測試主要的目的是為了測試系統(tǒng)對噴涂機速度的數(shù)據(jù)采集是否存在誤差。系統(tǒng)所能獲取到的速度的采集值是通過監(jiān)視系統(tǒng)中速度傳感器收集的；實際速度借助實驗室測速儀進行測試。同時，由于軌道噴涂機工作過程中的打滑現(xiàn)象，在測試過程中校正速度測量值，并比較速度校正前后的測量結果。測試結果示于表5-2。表5-2速度檢測校正試驗結果Tab.5-2speeddetectionandcorrectiontestresults校正前校正后實際速度/m/s測量速度/m/s相對誤差/%實際速度/m/s測量速度/m/s相對誤差/%0.3890.2893.30.3890.3701.300.5030.4894.10.5030.4911.201.0200.9764.21.0201.000.981.2031.0113.81.2031.1972.101.4121.3573.71.4121.3952.151.6011.5024.81.6011.5970.37由表5-2可知，系統(tǒng)校正前后對對速度測量的相對誤差平均值分別為3.4%和2.15%；其中校正前的相對誤差最大值與最小值分別為4.8%和3.3%；校正后的相對誤差最大值為2.15%?？梢?，校正后系統(tǒng)中速度采集信息，誤差明顯減小。5.4壓力PID控制精度試驗作為系統(tǒng)中最重要的執(zhí)行器，比例減壓閥的調壓性能會影響整個系統(tǒng)的控制性能和精度。為了確定在減壓過程中減壓閥的開度和噴霧壓力之間的實際關系，需要對噴霧系統(tǒng)的壓力調節(jié)特性進行實驗測試。在不同的工作負荷下，系統(tǒng)的壓力調節(jié)特性是不同的。因此，實驗是在不同的壓力下進行的。當比例減壓閥的前壓力為0.5MPa時，進行實驗，實驗采用1組1個噴頭為工作負載，水代替藥液進行實驗。調整系統(tǒng)閥后壓力，分別設置目標值為0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa，隨機設置噴頭高頻電磁閥占空比，模擬系統(tǒng)擾動，通過壓力傳感器隨機采集不同目標壓力值下的5組實際壓力值，計算系統(tǒng)壓力閉環(huán)控制相對誤差。試驗結果如表5-3所示。表5-3壓力PID控制精度表Tab.5-3PressurePIDcontrolprecisiontable試驗序號目標壓力/Mpa實際壓力/Mpa相對誤差/%10.20.1928-3.6020.1906-4.7130.1915-4.2540.20432.1550.19373.1560.30.30120.4070.2956-1.4780.2927-2.4390.30983.27100.30762.53110.40.3902-2.45120.40320.80130.40651.63140.3857-3.58150.40280.70由表5-3可知，系統(tǒng)具有較好的壓力閉環(huán)控制效果，系統(tǒng)目標壓力與實際壓力誤差在4.71%以內，滿足作業(yè)需求。5.5流量控制實驗5.5.1PWM控制流量試驗噴霧壓力、PWM信號頻率和占空比、回流高速電磁閥提前角對噴頭噴霧動態(tài)流量均有影響。所以采用單因素實驗，分析不同工況組合下，噴頭噴霧流量動態(tài)特性的影響因素。在每個壓力下，PWM頻率依次設置為1、2、3、4、5Hz；在每種壓力頻率工作條件組合下，步長為10％，占空比范圍為10％-100％。電磁閥和噴嘴組合的占空比連續(xù)變化1，其他電磁閥和噴嘴組合的占空比保持在100％。用自來水代替藥水；履帶噴涂車是固定的；調整被測噴嘴的安裝角度和除霧裝置的位置，使噴嘴垂直于除霧裝置的水平面，霧量收集器的幾何中心位于噴頭與霧量收集裝置的水平面投影上。調整噴頭與地面高度保持為0.3m，并對霧量收集裝置稱初始重量并編號。表5-40.2Mpa噴霧壓力下1號噴頭的噴霧流量Tab.5-4Sprayflowrateofno1nozzleunder0.2mpaspraypressure占空比/%控制信號頻率/Hz12345100.0790.0730.0750.0780.067200.1630.1560.1610.1550.153300.2250.2220.2330.2290.227400.3150.3130.3190.3110.309500.3950.3750.3800.3720.377600.4350.4660.4610.4490.452700.5520.5360.5450.5410.539800.6230.5990.6150.6100.603900.6700.6650.6830.6630.6591000.7510.7460.7480.7520.744表5-50.3Mpa噴霧壓力下1號噴頭的流量Tab.5-5Fowrateofno1nozzleunder0.3Mpaspraypressure占空比/%控制信號頻率/Hz12345100.1180.1170.113200.2430.2370.2390.2310.229300.3340.3350.3470.3320.336400.4690.4710.4730.4590.447500.5780.5460.5650.5530.544600.6730.6930.6890.6680.673700.8130.7970.8120.8050.794800.9270.8910.9150.9070.897900.9960.9821.0200.9860.9811001.1161.1091.1131.1181.106表5-60.4Mpa噴霧壓力下1號噴頭的流量Tab.5-6Flowrateofno1nozzleunderthespraypressureof0.4Mpa占空比/%控制信號頻率/Hz12345100.1570.1540.149200.3360.3480.3340.332300.4930.5090.5120.5110.490400.6450.6390.6410.6460.637500.7970.8130.8150.8080.803600.9750.9930.9980.9830.987701.1481.1451.1581.1431.139801.3251.3211.3221.3261.319901.4421.4351.4381.4291.4311001.5651.5611.5731.5591.560通過結果發(fā)現(xiàn)，當噴霧壓力較大時，PWM控制信號頻率大于3Hz，占空比小于20％，電磁閥不能正常響應，噴霧效果失真，不能正常進行操作，如上表中的空白所示。從上表可以看出，噴涂壓力對噴涂效果有很大的影響。但其他的工作前提不改變的時候，噴嘴的噴霧流量會因為壓力的增大而增大。PWM控制信號頻率對噴霧量的影響很小，在相同壓力和相同占空比下，噴霧壓力流量基本相同。PWM信號的占空比對噴霧器的數(shù)量有很大的影響，噴霧流量大致與PWM控制信號的占空比成正比。5.5.2流量控制精度試驗取120株玉米苗，劃分為4組，每組30株，通過墊高、修剪等方式，使各組苗高度保持一致且依次為31cm（1號組）、23cm（2號組）、15cm（3號組）、7cm（4號組）。參考實際種植模式，初定株距30cm，行距50cm。以自來水代替藥液。單次試驗需連續(xù)完成1組即30株苗的噴施作業(yè)，每組苗共進行5次試驗。通過流量傳感器采集噴灑作物時的瞬時流量，取單次試驗的平均值，將其與公式（3-14）得到的理論流量值進行對比，計算變量噴霧控制相對誤差。試驗結果如表5-7所示。

表5-7噴施流量控制精度表Tab.5-7Variablesprayingcontrolprecision組別單噴頭理論流量L/min單噴頭瞬時流量L/min相對誤差/%1號0.3540.3481.720.3510.870.360-1.740.3394.240.3453.952號0.4980.4911.410.4970.200.4891.810.509-2.210.522-2.813號0.5390.557-3.340.5380.190.5311.480.5095.570.5481.674號0.6430.6331.560.656-2.020.6370.930.6114.980.6501.09由表5-7可知，系統(tǒng)具有較好的流量控制精度，相對誤差在±5.57%以內，滿足作業(yè)要求。5.6本章小結在本章節(jié)中主要闡述了間歇性噴霧控制系統(tǒng)的實驗與分析，包括如何搭建的實驗平臺的搭建、如何設計的實驗和分析結果。試驗的設計主要包括控制效果的檢測以及噴霧系統(tǒng)的性能的檢測?？刂菩Ч麑嶒炛饕ㄋ俣仁欠裾?、壓力是否正常以及流量是否正常。噴霧系統(tǒng)的測試包括是否能正確調節(jié)壓力和是否能良好控制流量。最后得出理想的實驗結果。通過對實驗結果的合理分析，驗證了間歇應用方案結構合理，控制可靠，滿足設計精度要求。

第六章結論與展望6.1結論智能植物保護的重要組成部分之一是間歇噴霧技術。它對于發(fā)展適合中國國情的可持續(xù)農(nóng)業(yè)具有重要的理論意義和實踐價值。目前，農(nóng)藥噴灑中常用的噴霧器主要適用于連續(xù)作業(yè)甚至均勻作業(yè)，對病蟲害的防治效果更好。但是，在操作過程中，由于缺乏對應用對象和用途的分析，存在農(nóng)藥有效利用率低，農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留過多，環(huán)境污染，農(nóng)作物中毒，操作人員中毒等問題。造成的。針對以上問題，提出了一種玉米噴藥間歇噴灑控制系統(tǒng)，即比例減壓閥，電磁閥的啟閉時間和基于PLC控制的傳感器檢測技術相結合。根據(jù)噴施目標的存在和噴施速度的變化，采用間歇噴施來解決較精確的噴施農(nóng)作物。尤其是自動和精確噴灑農(nóng)藥。在本文的研究工作的基礎上，主要內容和結論歸納如下：1.實現(xiàn)了間歇噴涂控制系統(tǒng)的總體設計，包括間歇噴涂控制系統(tǒng)的設計標準，涉及到的目標，了解設計原理，實驗的方案和特色。多次根據(jù)現(xiàn)有實驗場景的不同對實驗結果數(shù)據(jù)進行比較，改進了超聲波傳感器方便檢測實驗目標。2.設計了間歇噴涂控制系統(tǒng)的硬件，其中設計了液壓回路的結構和間歇噴涂控制系統(tǒng)的電路結構。和噴霧單元組成，硬件電路以PLC為核心，融合了噴霧控制、超聲檢測、電磁閥驅動、報警指示等多組模塊。3、完成了間歇施藥噴霧控制系統(tǒng)軟件設計，根據(jù)施藥作業(yè)軟件控制流程，設計了基于LabVIEW的上位機程序界面，包括模擬量采集、主界面和通訊等模塊；開發(fā)了PLC處理主程序、模擬量計算、PID計算和報警指示等程序，實現(xiàn)間歇施藥軟件控制。4、完成間歇施藥噴霧控制系統(tǒng)實驗與分析，包括試驗平臺的搭建和試驗設計與結果分析。試驗設計完成了噴霧系統(tǒng)性能測試和壓力、流量控制試驗。最終得出結論，間歇施藥控制系統(tǒng)性能良好，流量控制精度誤差在±5.57%以內，壓力閉環(huán)控制相對誤差在±4.71%以內，上下位機工作狀態(tài)良好，各個模塊工作正常。同時，在噴霧系統(tǒng)性能測試實驗中，得出了噴霧壓力、流量與占空比之間的關系，間歇噴霧方案結構合理，控制可靠，滿足了設計精度要求。6.2展望因為時間問題，系統(tǒng)依然會存在一些需要改進的地方，需要進一步的進行研究和開發(fā)。主要存在的問題有如下幾條：1、間歇應用的噴霧控制部分需要進一步的研究和改進，基于超聲波測距傳感器的作物采集需要進一步完善；2、噴霧機架利用電動推桿對噴桿進行上下位置的調節(jié)，本控制系統(tǒng)并沒有探究噴桿高度的影響，今后的研究應該研究噴桿高度對噴霧均勻性的影響；3、同時，應考慮間歇霧化的霧化特性。

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