国内外变量喷雾主要控制方法综述

　　0 引言

　　我国是农业生产大国,更是农药使用大国.由于农业机械设备水平相对于世界其他先进国家还比较低,传统施药机械的施药方式往往忽视一定区域内病虫害灾情的变化,采取相同的施药量,使化学农药在部分作业区内用量不足,而在有些地方施量过度[1],从而导致农药的有效利用率较低,对自然环境造成危害.为了改善传统粗放型喷药手段、节能环保、降低生产成本,人们致力于研究对农药的变量喷雾技术[2].以变量喷雾为基础的精准农业机械可以有效提高农药的田间利用率.其技术核心是通过信息定位,改变施药管路中农药的流量,以适应不同区域的农药需求量;但对农药的变量喷雾控制会造成喷药压力不稳定,从而对农药喷施的雾化效果产生一定的影响[3].本文概括了国内变量施药技术的研究现状,针对变量施药控制过程中压力恒定问题做了一些探讨,并对恒压变量施药技术研究进行了展望.

　　1 国内变量喷雾主要控制方法

　　1. 1 压力式控制

　　压力式变量控制是通过调节系统压力实现变量控制[4]史岩[5]等提出了一种压力式变量喷雾系统,并对系统进行了建模与仿真.计算机根据 CCD 摄像机和雷达传感器传入的信号、流量传感器和压力传感器测出的实时流量和压力数据,确定施药量;将施药量信号发送给减压阀,每个喷杆的工作压力随减压阀的动作得以调节,进而使喷杆上安装的喷头喷雾量发生变化.系统仿真表明:比例减压阀控制的各喷杆工作压力,能够控制压力式喷头达到变量喷雾的要求.该控制系统能够很好地依据行走装置速度的变化和不同地区的施药量信息自动控制各喷杆施药量,从而实现精准喷药.

　　刘曙光[6]建立了压力式变量喷雾系统,依据雷达地速传感器所测量拖拉机行走速度,结合 GPS 信号以及传感器传来的压力和流量信号对系统进行闭环控制,由控制阀执行实现变量喷药.实验结果表明:在相同压力情况下,使用扇形喷头比使用实心锥形喷头喷杆的喷雾均匀性要好;使用同种扇形喷头时,同一喷杆上各喷头流量变化较小,提高了喷雾均匀性.

　　1. 2 PWM 控制

　　PWM 控制即脉宽调制,是指通过改变驱动线圈的 PWM 信号的占空比进行控制.史万苹[7]等提出了基于国产变量喷药机的 PWM变量控制技术,并对其进行了实验研究.喷药量脉冲宽度随系统脉冲宽度的变化而变化,达到喷药量变化的目的.该技术的特点是:在恒定的喷药压力下,喷头流量的可控范围大,雾滴粒径变化范围小,与压力式变量控制相比流度的响应速度快.试验结果表明:

　　通过控制电磁阀脉冲周期,可实现变量控制系统对喷头流量的控制;随着开关电磁阀控制频率的增加,喷药流量可控范围缩小,喷药流量明显增加;当开关电磁阀频率达到上限值时,喷药流量无明显变化.

　　魏新华[8]等采用 6013 型直动式高速电磁阀、TR80 - 05 型圆锥雾喷头、DBEE6 - 1X /50 型先导式比例溢流阀和自制的 PWM 变量喷施控制器,设计了一套 PWM 间歇喷雾式变量喷施系统.在不同喷雾压力、不同信号控制频率和不同占空比情况下,对同一喷头喷雾流量进行测试,结果表明:喷雾流量基本不受喷头位置和 PWM 控制信号频率的影响,而 PWM 信号占空比和喷雾压力对其影响较大.在不同隔膜泵输入转速下,控制喷雾压力恒定,测试不同喷头的流量,结果表明:隔膜泵输入轴转速对喷雾流量的影响很小.

　　随顺涛[9]等设计了一种变量喷药控制系统,该系统根据实时拖拉机速度的变化和设定的固定单位面积喷药量,利用脉宽调制的方法实现变量喷药.喷药时,控制器根据拖拉机行驶速度的变化控制脉冲信号的占空比,从而改变喷头流量,使其随着拖拉机行驶速度的改变而改变,保证单位面积总的喷药量不变.

　　对系统的仿真结果表明:通过溢流阀保持系统管路中的压力稳定,控制电磁阀的 PWM 信号占空比将跟随拖拉机速度的快慢变化做出相应调整.当车速快时,喷头喷药量将变大;当车速慢时,喷头喷雾量将变小.

　　由此保证了单位面积喷药量不变,实现了根据车速变量喷药.

　　1. 3 滞环控制

　　翟长远[10]等基于单片机 AT89C52,采用滞环控制法,设计了一种车载式变量施药机控制系统.滞环控制原理:将喷药量范围设置在 0. 9 倍和 1. 1 倍目标喷药量之间,当实际喷药量小于 0. 9 倍目标喷药量时,系统将增大电动阀门开度使喷药量增大;当实际喷药量大于 1. 1 倍目标喷药量时,系统将减小电动阀门开度使喷药量减小;当实际喷药量在两者之间时,电动阀门开度不变.该系统提前设置好单位面积的喷药量,通过计算行车速度和喷药流量调节电动球阀开度,使单位面积的施药量基本不变.仿真和试验表明:随着拖拉机加速度的降低,平均实际喷药量与设定喷药量的平均误差减小,当加速度小于一定值后,能满足需求,但该系统所用喷头对喷雾压力要求很高;田间试验时,由于在田地开头和结尾的位置拖拉机行驶速度变化较大,导致田地两端的喷药量误差相对于田地中间段较大,需要改进.

　　1. 4 PID 控制

　　黄胜[3]等基于 AT89S52 单片机,总管道药液压力采用 PID 控制法,喷药量使用模糊控制法,设计了变量喷药机的恒压变量控制系统.PID 控制器将设定的喷药压力量和压力传感器接收的实际压力量的偏差量作为输入量,经过比例、积分、微分计算得到控制电液比例阀的电压输出量,调节比例阀开度实现稳压控制.变量调节则是根据速度传感器和流量传感器接收的物理量计算出的实际喷药量与设定量的偏差作为输入量,模糊化后输出控制电动球阀的电压量实现喷药量的调节.控制系统仿真结果表明:采用 PID 控制的喷药压力和采用模糊控制的喷药量的控制系统仿真效果良好,系统响应时间短、超调量低、稳态误差较小,可用于恒压变量控制;但要想得到更精确的控制,还需要根据试验得到的实际响应时间确定喷药控制的超前时间.

　　1. 5 模糊控制

　　邵陆寿、戴之祥[11 - 12]等人设计了一种基于模糊控制的变量喷药控制系统.该系统的模糊控制器将作物密度变化分为较稀、稀、适中、稠、较稠、很稠 6 个等级;将虫害等级分为较轻、轻、重、较重、很重 5 个等级;结合作物密度和虫害等级,把目标划分成 30 种不同施药区域.每一种喷药区对应不同的进水量和进药量;同时控制进水量和进药量,使喷药量变化满足各个区域的要求.系统仿真结果和台架试验表明,施药量符合专家预测.

　　陈树人[13]等人根据杂草面积和喷药机行驶速度设计了一种自适应神经模糊控制器.该控制器将喷药机行驶速度分为 10 个等级,速度越快,喷药量越多;将杂草面积分为 10 个等级,杂草面积越大,喷药面积约多.两两结合共有 100 组喷药数据.系统的仿真结果表明:在车速一定的情况下,喷药量随杂草面积的增减做正弦变化.在室内搭建的实验平台上试验,喷药量符合仿真结果,自适应能力强.

　　2 国外变量喷雾主要控制方法

　　Qamar Uz Zaman[14]等人为解决杂草生长早期(此时杂草高度在 35 ~ 55mm、蓝莓高度在 12 ~ 30mm)对野生蓝莓地的除草要求,利用超声波传感器传来的杂草高度信号,准确定位杂草喷施除草剂.控制器综合设定的参数、超声波信号以及流量信号控制伺服阀变量喷洒除草剂.试验结果表明:该喷药器能够根除野生蓝莓地中比蓝莓植株高但低于 55cm 的杂草.

　　Lei Tian[15]等人为解决田间除草剂浪费问题,研究了一种玉米大豆田间变量除草技术,并实现了装置的搭建与试验.试验结果表明,该技术能减少 48% 的除草剂浪费.装置由喷药控制器、开关电磁阀、喷嘴、摄像机、图像处理机及计算机组成.喷杆上平均分布12 个电磁阀和喷嘴,为提高喷洒精度,每个电磁阀都被单独控制.图像处理的算法有杂草覆盖率和离散小波变换.喷药控制器根据图像处理机进行杂草和作物的图像采集及处理,控制开关电磁阀的开合横向控制有杂草的地方喷洒、有作物的地方停喷.

　　Young J. Han[1 6]等人根据美国东南部地区不规则的灌溉地形(长窄)的特点,研究了一种横向灌溉系统代替传统的中心枢纽系统.该系统根据湿度传感器实时传来土壤湿度数据,把灌溉区域划分成若干小分区,通过固态继电器控制开关电磁阀开闭和装置速度的快慢.速度控制系统能让灌溉装置在湿润的区域行走得快,在干燥的区域行走得慢.软件程序可根据不同用户的需求,设定不同参数,进行灌溉.

　　A. Escolà[1 7]等人设计实施了一种果园变量喷雾器,该控制器由能表征果园冠层的超声雷达传感器、变量运算控制器和执行器组成.雷达传感器根据树叶覆盖率将树冠划分成若干区域,控制器运算出不同的喷药量由执行器实现变量喷药.

　　3 各类方法在恒压控制上存在的问题

　　变量的过程将导致压力不稳定,从而影响变量喷药的雾化效果,因此在变量喷药过程中解决压力恒定问题显得尤为重要.压力式变量控制是通过压力式变量喷头实现变量喷雾的,因此在施药过程中压力要根据施药流量的变化而变化;虽然达到了变量喷药的目的,但在施药过程中管路压力是不稳定的.在PWM 变量喷施系统中,喷药流量的控制由系统脉冲宽度变化完成,喷药管路压力的稳定性由比例溢流阀调节控制;雾滴粒径的大小以及喷雾过程中雾滴速度的快慢等雾化特性受喷雾压力的影响较大,而喷雾过程中流量的多少受其影响较小[18].在滞环控制的系统中,单片机作为计算中心,根据速度传感器、流量传感器、压力传感器等收集到的模拟信号,经过 A/D 接口转换成数字信号,进行计算;其输出结果再经 D/A接口转换成模拟信号来控制阀门的开度来实现压力和流量的调节,一般利用溢流阀来保证压力的恒定、电动球阀控制流量变化.在 PID 控制系统中,控制器将实际压力与设定压力的偏差量经过比例、积分、微分计算得到电压输出量,调节比例阀开度,实现稳压控制;系统仿真效果良好,但要想得到准确控制,还需要通过试验对系统进行完善.模糊控制是将喷药目标模糊化,控制喷药量满足模糊化后的目标量实现变量喷药.该控制系统未涉及压力是否恒定问题以及针对恒压问题采取的措施.国外的变量喷药控制基本都是针对不同的施药量区域改变喷药流量,但在流量变化情况下喷药压力是否恒定及雾化效果是否改变没有进行专门试验研究.

　　4 结语

　　本文对当前国内主要的变量喷雾控制技术(压力式、PWM 控制、滞环控制、PID 控制、模糊控制)和国外的一些变量喷雾控制做了总结和概括.通过对当前国内外变量施药控制技术研究现状的分析可知:我国精准喷药技术取得了长远的发展,变量精度在不断提高;但对于在变量过程中压力不稳的现象,国内外的变量喷药控制系统没有做出重点研究.对于该问题,有的控制系统没有考虑,有的是通过溢流阀来调节控制,不够精确.PID 控制技术对恒压控制做了比较深入的研究,但只是在理论和系统仿真方面得以论证,没有进行详细的试验数据支持,还需要进一步完善.

　　喷药压力的恒定对喷药质量和雾化效果起到非常重要的作用,在以后的变量施药控制技术的研究中,应把压力恒定问题作为一项技术重点,探索出一条恒压变量施药新方法.

　　参考文献:

　　[1] 傅泽田,祁力钧,王俊红. 精准施药技术研究进展与对策[J]. 农业机械学报,2007,38(1):189 -192.

　　[2] 李志臣,饶洪辉,王 勇,等. 除草剂变量施药技术的研究现状与进展[J]. 东北农业大学学报,2007,38(4): 563 -567.

　　[3] 黄胜,朱瑞祥,王艳芳,等. 变量施药机的恒压变量控制系统设计及算法[J]. 农机化研究,2011,33(2):19 -22.

　　[4] 史岩. 压力式变量施药系统[D]. 北京: 中国农业大学,2004.

　　[5] 史岩,祁力钧,傅泽田,等. 压力式变量喷雾系统建模与仿真[J]. 农业工程学报,2004,20(5): 118 -121.

　　[6] 刘曙光. 压力式可变量喷雾技术的研究[J]. 农机化研究,2006(7):146 -147.

　　[7] 史万苹,王熙,王新忠,等. 基于 PWM 控制的变量喷药技术体系及流量控制试验研究[J]. 农机化研究,2007(10): 125 - 127.

　　[8] 魏新华,蒋杉,张进敏,等. 脉宽调制间歇喷雾变量喷施系统施药量控制[J]. 农业机械学报,2013,44(2):87 -92.

　　[9] 随顺涛,朱瑞祥,王丽丽. 基于脉宽调制的变量喷药技术控制系统[J]. 农机化研究,2009,31(4):143 -145.

　　[10] 翟长远,朱瑞祥,随顺涛,等. 车载式变量施药机控制系统设计与试验[J]. 农业工程学报,2009,25(8):105 -109.

　　[11] 邵陆寿,戴之祥,崔怀雷,等. 基于模糊控制的变量施药控制系统[J]. 农业机械学报,2005,36(11): 110 -112.

　　[12] 邵陆寿,戴之祥,韦 韫,等. 植保机械变量施药系统模糊控制器研究与仿真[J]. 系统仿真学报,2006,18(11):3224 - 3226.

　　[13] 陈树人,尹东富,魏新华,等. 变量喷药自适应神经模糊控制器设计与仿真[J]. 排灌机械工程学报,2011,29(3):272 -276.

　　[14] Qamar Uz Zamana,Travis J Esau ,Arnold W Schumann,etal. Percival,Young Ki Chang,Scott M. Read,Aitazaz A.Farooque. Development of prototype automated variable ratesprayer for real - time spot - application of agrochemicals inwild blueberry fields[J]. Computers and Electronics in Agri-culture,2011,76:175 - 182.

　　[15] Lei Tian,John F Reid,John W Hummel. Development of aprecision sprayer for site - specific weed management[J].Computers and Electronics in Agriculture,2002,36: 133 -149.

　　[16] Young J Han,Ahmad Khalilian,Tom O Owino,et al. Fara-hani,Sam Moore. Development of Clemson variable - ratelateral irrigation system [J]. Computers and Electronics inAgriculture,2009,68:108 - 113.

　　[17] A Escolà,J R Rosell - Polo,S Planas,et al. Variable ratesprayer. Part 1 - Orchard prototype:Design,implementa-tion and validation [J]. Computers and Electronics in Agri-culture ,2003,95:122 - 135.

　　[18] 邓巍,何雄奎,丁为民. 基于压力变量喷雾的雾化特性及其比较[J]. 江苏大学学报:自然科学版,2009,30(6):545 - 548.