Pwm間歇噴霧式變量噴施系統(tǒng)噴施流量分組調(diào)控方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了PWM間歇噴霧式變量噴施系統(tǒng)噴施流量分組調(diào)控方法，所述系統(tǒng)由藥液箱、隔膜泵、流量傳感器、電磁閥、噴頭、變量噴施控制器和噴霧機(jī)行駛速度傳感器等組成。噴桿分成多個(gè)噴桿分區(qū)，每個(gè)分區(qū)中設(shè)置一定數(shù)量的噴頭，每個(gè)噴頭的前端管路中都串置有一個(gè)電磁閥，在噴桿主管路和各個(gè)噴桿分區(qū)的支管路上都串置有流量傳感器。變量噴施控制器中設(shè)有各噴桿分區(qū)的噴施流量計(jì)算模型，可根據(jù)作業(yè)速度和各噴頭的設(shè)定施藥量確定各噴頭的目標(biāo)噴施流量及各電磁閥PWM控制信號(hào)的頻率和占空比，通過(guò)比例控制器對(duì)PWM控制信號(hào)占空比進(jìn)行微調(diào)，并通過(guò)PID控制器和流量傳感器對(duì)各噴桿分區(qū)的總噴施流量進(jìn)行閉環(huán)調(diào)控。本發(fā)明可應(yīng)用于農(nóng)藥的變量噴施控制。
【專(zhuān)利說(shuō)明】PWM間歇噴霧式變量噴施系統(tǒng)噴施流量分組調(diào)控方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及PWM間歇噴霧式變量噴施系統(tǒng)噴施流量分組調(diào)控方法，屬于植保機(jī)械領(lǐng)域，尤其是變量施藥機(jī)工作過(guò)程智能調(diào)控領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]為提高農(nóng)藥的有效利用率、減少農(nóng)藥流失、提高防治效果，農(nóng)藥噴施設(shè)備應(yīng)根據(jù)農(nóng)田內(nèi)各個(gè)小區(qū)域中作物病蟲(chóng)草害的具體情況，向受害區(qū)域均勻準(zhǔn)確地噴施所需用量的農(nóng)藥，即變量對(duì)靶噴施。變量對(duì)靶噴施可實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的低污染高效利用，是植保機(jī)械和施藥技術(shù)的重要發(fā)展方向?，F(xiàn)有的變量噴施控制方式主要有壓力調(diào)節(jié)式、濃度調(diào)節(jié)式和流量調(diào)節(jié)式三種，流量調(diào)節(jié)式又有流量調(diào)節(jié)閥控制連續(xù)噴霧和脈寬調(diào)制(PWM)電磁閥控制間歇噴霧兩種實(shí)現(xiàn)方式。其中，PWM電磁閥控制間歇噴霧式變量噴施系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)范圍大、響應(yīng)速度快、橫向空間分辨率高、霧化特性較好，是目前變量噴施控制的主要方式。
[0003]PWM間歇噴霧式變量噴施系統(tǒng)在每個(gè)噴頭前都安裝有一個(gè)高速開(kāi)關(guān)電磁閥，通過(guò)控制電磁閥的通斷實(shí)現(xiàn)噴頭的間歇噴霧，調(diào)節(jié)電磁閥的通斷時(shí)間比(PWM信號(hào)占空比)即可改變噴頭的實(shí)際噴霧流量。但在實(shí)際作業(yè)時(shí)，電磁閥的頻繁快速啟閉會(huì)在管路中形成液壓沖擊。而且機(jī)動(dòng)噴霧機(jī)一般都采用隔膜泵等容積泵供液，其間歇性吸排液特性也會(huì)在管路中形成周期性的壓力脈動(dòng)。液壓沖擊和壓力脈動(dòng)綜合作用導(dǎo)致管路中出現(xiàn)較大的壓力波動(dòng)。且由于系統(tǒng)中各噴頭的噴施流量可以相互獨(dú)立調(diào)節(jié)，致使各噴頭前端管路中的壓力損失存在較大差異且時(shí)刻變化。再加之制造誤差和磨損程度等因素的影響，導(dǎo)致各噴頭的實(shí)際噴施流量與其設(shè)定噴施流量之間會(huì)出現(xiàn)較大誤差，對(duì)施藥量控制精度造成較大影響。所以，對(duì)噴頭的實(shí)際噴施流量進(jìn)行閉環(huán)調(diào)控對(duì)實(shí)現(xiàn)藥液的精確變量噴施非要必要。
[0004]文獻(xiàn)“PWM間歇噴霧式變量噴施控制器設(shè)計(jì)與測(cè)試”(魏新華等，農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012年第12期，第87-93頁(yè))中公開(kāi)了一種PWM間歇噴霧式變量噴施系統(tǒng)各噴桿分區(qū)實(shí)際噴施流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但沒(méi)有給出具體的調(diào)控方法，尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)各噴頭實(shí)際噴施流量的閉環(huán)調(diào)控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供PWM間歇噴霧式變量噴施系統(tǒng)噴施流量分組調(diào)控方法，以實(shí)現(xiàn)各噴頭實(shí)際噴施流量的分組監(jiān)測(cè)和閉環(huán)調(diào)控。
[0006]為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用具體技術(shù)方案如下:
[0007]PWM間歇噴霧式變量噴施系統(tǒng)噴施流量分組調(diào)控方法,其特征在于對(duì)各個(gè)噴桿分區(qū)的總噴施流量進(jìn)行循環(huán)調(diào)控的步驟如下:
[0008]第一步，讀取各噴頭的最新設(shè)定施藥量和最新的作業(yè)速度；
[0009]第二步，根據(jù)作業(yè)速度、各噴頭的設(shè)定施藥量以及各噴頭所在噴桿分區(qū)的噴施流量計(jì)算模型，計(jì)算各噴頭的目標(biāo)噴施流量以及各個(gè)電磁閥的PWM控制信號(hào)的頻率和初始占空比；[0010]第三步，通過(guò)比例控制器(24)對(duì)各個(gè)PWM控制信號(hào)的初始占空比進(jìn)行微調(diào)，并輸出各個(gè)PWM控制信號(hào)；
[0011]第四步，檢測(cè)作業(yè)速度和各個(gè)噴桿分區(qū)的實(shí)際噴施流量，如果實(shí)際噴施流量與該噴桿分區(qū)所有噴頭的目標(biāo)噴施流量累加和的相對(duì)誤差超過(guò)了 ±5%，則給出報(bào)警信號(hào)，提示停機(jī)檢查；
[0012]第五步，通過(guò)PID控制器(25)對(duì)各個(gè)PWM控制信號(hào)的占空比進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，并輸出調(diào)節(jié)后的PWM控制信號(hào)；
[0013]第六步，轉(zhuǎn)回到第一步，進(jìn)入下一個(gè)調(diào)控循環(huán)。
[0014]所述的電磁閥和噴頭都經(jīng)過(guò)了選配，同一噴桿分區(qū)內(nèi)的各個(gè)“電磁閥+噴頭”組合的電液特性都基本一致，同一噴桿分區(qū)內(nèi)的所有噴頭都使用相同的噴施流量計(jì)算模型。
[0015]所述比例控制器(24)的控制模型為Cv = If，其中，0為PWM控制信號(hào)的原占空
比，kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)，0'為調(diào)節(jié)后的PWM控制信號(hào)的新占空比，各個(gè)電磁閥的1^值分別獨(dú)立整定，并存儲(chǔ)在變量噴施控制器(21)中。
[0016]各個(gè)電磁閥的kp值的整定方法如下:
[0017]第一步，將被測(cè)試電磁閥的PWM控制信號(hào)的頻率固定在某一頻率值，占空比固定為50%，其他電磁閥全開(kāi)，測(cè)試其實(shí)際噴施流量，并根據(jù)其所在噴桿分區(qū)的噴施流量計(jì)算模型計(jì)算其目標(biāo)噴施流量；
[0018]第二步，被測(cè)試電磁閥的PWM控制信號(hào)的頻率和占空比不變，其他電磁閥全關(guān)，測(cè)試其實(shí)際噴施流量；
[0019]第三步，取兩次測(cè)得的實(shí)際噴施流量的平均值，除以第一步計(jì)算所得的目標(biāo)噴施流量，然后再取倒數(shù)，即為被測(cè)試電磁閥在該頻率值下的kp值；
[0020]第四步，改變PWM控制信號(hào)的頻率值，繼續(xù)整定。
[0021 ] 所述PID控制器(25)的控制模型為:F = c{Ae{ - Be2 + Ce,)，其中，ei為本次調(diào)控
循環(huán)中的噴施流量相對(duì)誤差，％為上一次調(diào)控循環(huán)中的噴施流量相對(duì)誤差，e3為再上一次調(diào)控循環(huán)中的噴施流量相對(duì)誤差，A、B、C為調(diào)節(jié)系數(shù)，各個(gè)噴桿分區(qū)的A、B、C值分別獨(dú)立整定，3為PWM控制信號(hào)的原占空比，5'為調(diào)節(jié)后的PWM控制信號(hào)的新占空比。
[0022]本發(fā)明具有有益效果。本發(fā)明通過(guò)對(duì)各個(gè)噴桿分區(qū)總噴施流量的監(jiān)測(cè)以及對(duì)噴桿分區(qū)內(nèi)各個(gè)噴頭的電磁閥PWM控制信號(hào)占空比的比例和PID調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)噴桿分區(qū)內(nèi)所有噴頭總噴施流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和在線(xiàn)調(diào)控；由于同一噴桿分區(qū)內(nèi)的各個(gè)“電磁閥+噴頭”組合的電液特性都基本一致，且其使用的比例控制器和PID控制器中的各個(gè)調(diào)節(jié)系數(shù)是對(duì)各噴頭相互獨(dú)立整定的，所以可以實(shí)現(xiàn)噴頭實(shí)際噴施流量的分組監(jiān)控和獨(dú)立調(diào)節(jié)，即節(jié)省了成本，又可達(dá)到較高的調(diào)控精度。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為PWM間歇噴霧式變量噴施系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0024]圖2為PWM間歇噴霧式變量噴施系統(tǒng)噴施流量分組調(diào)控方法的流程圖。
[0025]圖中:1.電磁閥A，2.電磁閥B，3.電磁閥C，4.電磁閥E，5.電磁閥F，6.電磁閥G，7.上位機(jī)，8.流量傳感器A，9.流量傳感器B，10.噴頭A，ll.噴頭B，12.噴頭C，13.噴頭E，14.噴頭F，15.噴頭G，16.藥液箱，17.過(guò)濾器，18.隔膜泵，19.比例溢流閥，20.噴霧機(jī)行駛速度傳感器，21.變量噴施控制器，22.鍵盤(pán)及顯示器，23.流量傳感器C，24.比例控制器，25.PID控制器。
【具體實(shí)施方式】
[0026]如圖1所不，PWM間歇噴霧式變量噴施系統(tǒng)由管路子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)組成。管路子系統(tǒng)由隔膜泵18供液，噴桿分成了多個(gè)相同的噴桿分區(qū)。藥液箱16、過(guò)濾器17、隔膜泵18、比例溢流閥19通過(guò)管路依次連接，比例溢流閥19的出液口連接噴桿主管路，比例溢流閥19的溢流口通過(guò)管路接回藥液箱16。噴頭A10、噴頭Bll和噴頭C12處于同一噴桿分區(qū)，其前端管路中分別串置有電磁閥Al、電磁閥B2和電磁閥C3，電磁閥Al、電磁閥B2和電磁閥C3的另一端通過(guò)管路匯接到該噴桿分區(qū)的支管路。噴頭E13、噴頭F14和噴頭G15處于同一噴桿分區(qū)，其前端管路中分別串置有電磁閥E4、電磁閥F5和電磁閥G6,電磁閥E4、電磁閥F5和電磁閥G6的另一端通過(guò)管路匯接到該噴桿分區(qū)的支管路。各個(gè)噴桿分區(qū)的支管路都匯接到噴桿主管路上?？刂谱酉到y(tǒng)包含變量噴施控制器21。變量噴施控制器21可輸出多路相互獨(dú)立的PWM控制信號(hào)，并分別連接至各個(gè)電磁閥。變量噴施控制器21可輸出模擬量控制信號(hào)，并連接至比例溢流閥19，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)噴霧壓力。噴霧機(jī)行駛速度傳感器20的輸出信號(hào)連接至變量噴施控制器21，以進(jìn)行作業(yè)速度的檢測(cè)。鍵盤(pán)及顯示器22與變量噴施控制器21連接，可人工設(shè)置各噴頭的設(shè)定施藥量，并顯示系統(tǒng)信息。變量噴施控制器21與上位機(jī)7通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)連接，可由上位機(jī)通訊設(shè)置各噴頭的設(shè)定施藥量。噴桿主管路上串置有流量傳感器C23，各個(gè)噴桿分區(qū)的支管路上也都串置有測(cè)試該噴桿分區(qū)總噴施流量的流量傳感器，流量傳感器A8串置在噴頭AlO所在噴桿分區(qū)的支管路上，流量傳感器B9串置在噴頭E13所在噴桿分區(qū)的支管路上，所有流量傳感器的輸出信號(hào)都連接至變量噴施控制器21，以進(jìn)行各點(diǎn)流量的檢測(cè)。變量噴施控制器21中設(shè)置有各噴桿分區(qū)的噴施流量計(jì)算模型，可根據(jù)作業(yè)速度和各噴頭的設(shè)定施藥量計(jì)算確定各個(gè)噴頭的目標(biāo)噴施流量以及各個(gè)電磁閥的PWM控制信號(hào)的頻率和占空比。電磁閥和噴頭都經(jīng)過(guò)了選配，同一噴桿分區(qū)內(nèi)的各個(gè)“電磁閥+噴頭”組合的電液特性都基本一致，同一噴桿分區(qū)內(nèi)的所有噴頭都使用相同的噴施流量計(jì)算模型。在變量噴施控制器21中還設(shè)置有噴施流量分組閉環(huán)調(diào)控程序，對(duì)各個(gè)噴桿分區(qū)的總噴施流量進(jìn)行循環(huán)調(diào)控。
[0027]如圖2所示，PWM間歇噴霧式變量噴施系統(tǒng)噴施流量分組閉環(huán)調(diào)控程序按以下流程工作:首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化；然后通過(guò)鍵盤(pán)或上位機(jī)7設(shè)置各個(gè)噴頭的設(shè)定施藥量；將鍵盤(pán)接口或上位機(jī)通訊設(shè)置為中斷操作模式，以便隨時(shí)響應(yīng)鍵盤(pán)操作或上位機(jī)通訊，為各噴頭設(shè)置新的設(shè)定施藥量；檢測(cè)一次作業(yè)速度，然后進(jìn)入調(diào)控循環(huán)。在各個(gè)調(diào)控循環(huán)周期內(nèi)，首先讀取各噴頭的最新設(shè)定施藥量和最新的作業(yè)速度；根據(jù)作業(yè)速度、各噴頭的設(shè)定施藥量以及各噴頭所在噴桿分區(qū)的噴施流量計(jì)算模型，計(jì)算各噴頭的目標(biāo)噴施流量以及各個(gè)電磁閥的PWM控制信號(hào)的頻率和初始占空比；通過(guò)各噴頭的比例控制器24對(duì)各個(gè)PWM控制信號(hào)的初始占空比進(jìn)行微調(diào)；輸出各個(gè)PWM控制信號(hào)；檢測(cè)作業(yè)速度和各個(gè)噴桿分區(qū)的實(shí)際噴施流量；分別計(jì)算各噴桿分區(qū)內(nèi)所有噴頭的目標(biāo)噴施流量累加和，以及各噴桿分區(qū)實(shí)際噴施流量與其目標(biāo)噴施流量累加和之間的相對(duì)誤差，并存儲(chǔ)；如果相對(duì)誤差超過(guò)了 ±5%，則給出報(bào)警信號(hào)，提示停機(jī)檢查；如果相對(duì)誤差在±5%范圍內(nèi)，則通過(guò)各噴頭的PID控制器25對(duì)各個(gè)PWM控制信號(hào)的占空比進(jìn)行二次調(diào)節(jié)；重新輸出調(diào)節(jié)后的各個(gè)PWM控制信號(hào)，本次調(diào)控循環(huán)結(jié)束；進(jìn)入下一個(gè)調(diào)控循環(huán)。
[0028]比例控制器(24)的控制模型為3' = &3，其中，3為PWM控制信號(hào)的原占空比，kp
為比例調(diào)節(jié)系數(shù)，5'為調(diào)節(jié)后的PWM控制信號(hào)的新占空比，各個(gè)電磁閥的&值分別獨(dú)立整定，并存儲(chǔ)在變量噴施控制器21中。各個(gè)電磁閥的kp值的整定方法如下:
[0029]第一步:將被測(cè)試電磁閥的PWM控制信號(hào)的頻率固定為3Hz，占空比固定為50%，系統(tǒng)內(nèi)的其它電磁閥全開(kāi)，測(cè)試被測(cè)試電磁閥所控噴頭的實(shí)際噴施流量，并根據(jù)其所在噴桿分區(qū)的噴施流量計(jì)算模型計(jì)算其目標(biāo)噴施流量；
[0030]第二步:被測(cè)試電磁閥的PWM控制信號(hào)的頻率和占空比不變，系統(tǒng)內(nèi)的其他電磁閥全關(guān)，測(cè)試被測(cè)試電磁閥所控噴頭的實(shí)際噴施流量；
[0031]第三步:取兩次測(cè)得的實(shí)際噴施流量的平均值，除以第一步計(jì)算所得的目標(biāo)噴施流量，然后再取倒數(shù)，即為被測(cè)試電磁閥在該頻率值下的kp值；
[0032]第四步:將PWM控制信號(hào)的頻率值增加1Hz，繼續(xù)整定，直至整定到10Hz。
[0033]PID控制器25的控制模型為W = 5(如丨-從+CV山其中，ei為本次調(diào)控循環(huán)中
的噴施流量相對(duì)誤差，e2為上一次調(diào)控循環(huán)中的噴力量相對(duì)誤差，e3為再上一次調(diào)控循環(huán)中的噴施流量相對(duì)誤差，A、B、C為調(diào)節(jié)系數(shù)，各個(gè)噴桿分區(qū)的A、B、C值分別獨(dú)立整定，5為PWM控制信號(hào)的原占空比，3'為調(diào)節(jié)后的PWM控制信號(hào)的新占空比。
[0034]最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.PWM間歇噴霧式變量噴施系統(tǒng)噴施流量分組調(diào)控方法，其特征在于對(duì)各個(gè)噴桿分區(qū)的總噴施流量進(jìn)行循環(huán)調(diào)控的步驟如下: 第一步，讀取各噴頭的最新設(shè)定施藥量和最新的作業(yè)速度； 第二步，根據(jù)作業(yè)速度、各噴頭的設(shè)定施藥量以及各噴頭所在噴桿分區(qū)的噴施流量計(jì)算模型，計(jì)算各噴頭的目標(biāo)噴施流量以及各個(gè)電磁閥的PWM控制信號(hào)的頻率和初始占空比； 第三步，通過(guò)比例控制器(24)對(duì)各個(gè)PWM控制信號(hào)的初始占空比進(jìn)行微調(diào)，并輸出各個(gè)PWM控制信號(hào)； 第四步，檢測(cè)作業(yè)速度和各個(gè)噴桿分區(qū)的實(shí)際噴施流量，如果實(shí)際噴施流量與該噴桿分區(qū)所有噴頭的目標(biāo)噴施流量累加和的相對(duì)誤差超過(guò)了 ±5%，則給出報(bào)警信號(hào)，提示停機(jī)檢查； 第五步，通過(guò)PID控制器(25)對(duì)各個(gè)PWM控制信號(hào)的占空比進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，并輸出調(diào)節(jié)后的PWM控制信號(hào)； 第六步，轉(zhuǎn)回到第一步，進(jìn)入下一個(gè)調(diào)控循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PWM間歇噴霧式變量噴施系統(tǒng)噴施流量分組調(diào)控方法，其特征在于:所述的電磁閥和噴頭都經(jīng)過(guò)了選配，同一噴桿分區(qū)內(nèi)的各個(gè)“電磁閥+噴頭”組合的電液特性都基本一致，同一噴桿分區(qū)內(nèi)的所有噴頭都使用相同的噴施流量計(jì)算模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PWM間歇噴霧式變量噴施系統(tǒng)噴施流量分組調(diào)控方法，其特征在于:所述比例控制器(24)的控制模型為& = 其中d為PWM控制信號(hào)的原占空比，kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)，0'為調(diào)節(jié)后的PWM控制信號(hào)的新占空比，各個(gè)電磁閥的kp值分別獨(dú)立整定，并存儲(chǔ)在變量噴施控制器(21)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的PWM間歇噴霧式變量噴施系統(tǒng)噴施流量分組調(diào)控方法，其特征在于:各個(gè)電磁閥的kp值的整定方法如下: 第一步，將被測(cè)試電磁閥的PWM控制信號(hào)的頻率固定在某一頻率值，占空比固定為50%，其他電磁閥全開(kāi)，測(cè)試其實(shí)際噴施流量，并根據(jù)其所在噴桿分區(qū)的噴施流量計(jì)算模型計(jì)算其目標(biāo)噴施流量； 第二步，被測(cè)試電磁閥的PWM控制信號(hào)的頻率和占空比不變，其他電磁閥全關(guān)，測(cè)試其實(shí)際噴施流量； 第三步，取兩次測(cè)得的實(shí)際噴施流量的平均值，除以第一步計(jì)算所得的目標(biāo)噴施流量，然后再取倒數(shù)，即為被測(cè)試電磁閥在該頻率值下的kp值； 第四步，改變PWM控制信號(hào)的頻率值，繼續(xù)整定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PWM間歇`噴霧式變量噴施系統(tǒng)噴施流量分組調(diào)控方法，其特征在于:所述PID控制器(25)的控制模型為:& ^ - Be’ + Ce,)，其中，ei為本次調(diào)控循環(huán)中的噴施流量相對(duì)誤差，％為上一次調(diào)控循環(huán)中的噴施流量相對(duì)誤差，e3為再上一次調(diào)控循環(huán)中的噴施流量相對(duì)誤差，A、B、C為調(diào)節(jié)系數(shù)，各個(gè)噴桿分區(qū)的A、B、C值分別獨(dú)立整定，3為PWM控制信號(hào)的原占空比，3'為調(diào)節(jié)后的PWM控制信號(hào)的新占空比。
【文檔編號(hào)】G05B11/42GK103657923SQ201310717969
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】魏新華, 吳姝, 劉成良 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)