多回流式變量噴藥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王相友 胡周勛 李學(xué)強(qiáng) 李少川 蓋金星 王法明

(1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 淄博 255000； 2.山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司， 德州 253600)

0 引言

農(nóng)作物病蟲(chóng)草害的防治是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，在我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，農(nóng)藥仍然是防治病蟲(chóng)草害的主要手段[1-2]。噴藥質(zhì)量的優(yōu)劣將影響農(nóng)作物的產(chǎn)量，噴藥質(zhì)量是保證其良好收成的基礎(chǔ)。據(jù)有關(guān)資料顯示，農(nóng)藥的使用可使全世界每年挽回20%～25%的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量[3-4]。但我國(guó)噴藥機(jī)械發(fā)展落后和不科學(xué)的施藥方式造成農(nóng)藥利用率低、農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留超標(biāo)、環(huán)境污染等問(wèn)題[5-7]，成為制約農(nóng)藥使用的“瓶頸”。

目前，精準(zhǔn)施藥技術(shù)越來(lái)越被重視。美國(guó)、歐洲和日本等在精準(zhǔn)施藥上做了大量研究[8-13]，且在噴藥機(jī)械和噴藥技術(shù)上已取得重大突破，基本滿足了精準(zhǔn)施藥的要求。而國(guó)內(nèi)隨著政府對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械投入補(bǔ)貼的加大，噴藥機(jī)械有了重大進(jìn)步，大型噴藥機(jī)械正在進(jìn)入普及階段。但是，目前國(guó)內(nèi)大型噴桿式噴藥機(jī)噴藥系統(tǒng)控制方式單一，多為手動(dòng)調(diào)節(jié)，自動(dòng)化程度低[14]，噴藥量無(wú)法根據(jù)行駛速度自動(dòng)調(diào)整，農(nóng)藥利用率低、作業(yè)效率低以及環(huán)境污染等問(wèn)題仍未徹底解決。目前，國(guó)內(nèi)主要通過(guò)改變噴藥量實(shí)現(xiàn)變量噴藥，實(shí)現(xiàn)的方法主要有: 藥液注入式、壓力式和脈寬調(diào)制(PWM)式等[15-20]。其中，脈寬調(diào)制式是通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖的占空比，來(lái)調(diào)節(jié)電磁閥的開(kāi)和關(guān)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)噴頭噴藥量的變化，達(dá)到變量噴霧的目的，該控制方式一個(gè)噴頭需對(duì)應(yīng)一個(gè)電磁閥，但是其大型噴藥機(jī)幅寬都在12 m以上，最寬可達(dá)42 m[21-22]，其噴頭數(shù)量在24個(gè)以上，其成本較高，不適用于大型噴藥機(jī)。

綜上所述，為了提高農(nóng)藥利用率和作業(yè)效率，解決農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留超標(biāo)和環(huán)境污染等問(wèn)題，本文在結(jié)合現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上，基于噴藥幅寬22 m的噴桿式噴藥機(jī)設(shè)計(jì)一種多回流式變量噴藥控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變量噴藥系統(tǒng)是在山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司生產(chǎn)的3WP-1200型噴桿式噴藥機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，原噴藥系統(tǒng)控制裝置的主閥、比例控制閥和每一路的開(kāi)關(guān)控制閥都是手動(dòng)控制，在噴藥時(shí)不能自動(dòng)調(diào)節(jié)。因此，該噴藥系統(tǒng)控制方式單一，噴藥量無(wú)法根據(jù)噴藥機(jī)行駛速度實(shí)時(shí)調(diào)整，在實(shí)際噴藥中行駛速度必須盡量保持一致，否則容易造成霧滴分布不均勻的現(xiàn)象[23]。

通過(guò)對(duì)原噴藥系統(tǒng)的研究，結(jié)合現(xiàn)有變量噴藥技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種多回流式變量噴藥系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由比例控制閥、安全閥、主閥和5路開(kāi)關(guān)控制閥等構(gòu)成，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of control system structure

1.2 控制原理

該變量控制系統(tǒng)工作原理為：噴藥前將拖拉機(jī)后輸出軸與噴藥機(jī)隔膜泵連接，通過(guò)觸摸屏輸入相應(yīng)的噴頭數(shù)量、噴藥量等參數(shù)，其中，噴頭間隔一般為500 mm，結(jié)合噴頭數(shù)量便可得噴藥幅寬。開(kāi)始噴藥作業(yè)時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)噴藥控制系統(tǒng)和拖拉機(jī)后輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)。系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)拖拉機(jī)行駛速度，并結(jié)合用戶設(shè)定的噴頭數(shù)量和每公頃噴藥量得出理論流量，通過(guò)與系統(tǒng)檢測(cè)到的實(shí)際流量相比較，采用PID閉環(huán)控制算法對(duì)比例調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)控制回路流量來(lái)改變主路的流量，使測(cè)得的實(shí)際流量與理論流量盡量一致，從而改變噴藥量。

圖1所示控制系統(tǒng)中，速度傳感器的另一作用是：當(dāng)拖拉機(jī)行走速度超過(guò)設(shè)定值(2～3 km/h)時(shí)，才開(kāi)始噴藥，以保證在地頭轉(zhuǎn)彎時(shí)不噴藥。安全閥的作用是：當(dāng)水管中壓力由于某種原因超過(guò)安全閥設(shè)定值時(shí)，安全閥將排出多余的藥液，使壓力不超過(guò)該設(shè)定值，防止水管爆裂。因此，噴藥前需手動(dòng)調(diào)整壓力，且其壓力應(yīng)大于噴藥時(shí)的壓力，一般設(shè)定在500～600 kPa之間。主閥是由PLC處理器控制的，且該主閥與安全閥為一體，當(dāng)主閥打開(kāi)時(shí)，穿過(guò)安全閥內(nèi)部的主閥閥芯會(huì)將噴藥主路口堵住，以及安全閥內(nèi)部一回流口打開(kāi)，此時(shí)藥液全部回流到藥箱，噴藥停止；當(dāng)主閥關(guān)閉時(shí)，噴藥主路口打開(kāi)，安全閥內(nèi)部該回流口關(guān)閉，此時(shí)安全閥起安全保壓作用。因此，可由PLC控制主閥開(kāi)與關(guān)來(lái)控制是否噴藥。5路開(kāi)關(guān)控制閥可控制每一路的開(kāi)與關(guān)，每一路控制若干個(gè)噴頭，而該噴藥機(jī)噴桿上安裝有44個(gè)噴頭，其5路從一側(cè)到另一側(cè)分別控制有9、9、8、9和9個(gè)噴頭；當(dāng)5路開(kāi)關(guān)控制閥打開(kāi)時(shí)，與之對(duì)應(yīng)的所有回流口關(guān)閉；當(dāng)某一路開(kāi)關(guān)控制閥關(guān)閉時(shí)，該路對(duì)應(yīng)的回流口開(kāi)啟；在速度不變情況下，為了保證某一路或幾路開(kāi)關(guān)控制閥關(guān)閉后，管內(nèi)的壓力不變，即噴藥量不變，需在噴藥前手動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)控制閥上的旋鈕調(diào)節(jié)回流口大小。該調(diào)節(jié)方式的優(yōu)點(diǎn)是：在速度不變情況下，不管關(guān)閉幾路控制閥，其他噴頭施藥量不變，多余的藥液會(huì)從對(duì)應(yīng)的回流口回到藥箱，無(wú)需調(diào)節(jié)比例控制閥，控制精度更高，且分5路控制，可實(shí)現(xiàn)噴藥機(jī)某一路或幾路所有噴頭下無(wú)作物(地塊邊界)或不需噴藥時(shí)停止噴藥。液位傳感器安裝于藥箱上端以檢測(cè)液位，即藥液深度；當(dāng)液位低于設(shè)定值，進(jìn)行報(bào)警提示，并在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示液位與藥液剩余量。另外，該控制系統(tǒng)中增設(shè)多重過(guò)濾器，使噴嘴不易堵塞，霧化效果好。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

變量噴藥控制系統(tǒng)是以PLC為控制核心設(shè)計(jì)的，主要由控制器、檢測(cè)傳感器、觸摸屏、比例控制閥、開(kāi)關(guān)量控制閥、主閥和報(bào)警模塊等構(gòu)成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)流量、速度和壓力等信息進(jìn)行檢測(cè)，傳遞給控制器進(jìn)行運(yùn)算處理，發(fā)送指令并控制相應(yīng)閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)控制要求。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic of control system hardware structure

2.1 控制器選型

該控制系統(tǒng)控制器選用西門(mén)子S7-200PLC，CPU型號(hào)224CN，共有24個(gè)I/O 點(diǎn)，集成了14個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)；最多可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)或35個(gè)模擬量I/O 點(diǎn)，且配有PID控制器。該P(yáng)LC具有工作穩(wěn)定性強(qiáng)、處理信息能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快和低能耗等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足控制系統(tǒng)的要求。

2.2 轉(zhuǎn)換模塊選擇

控制系統(tǒng)中壓力和液位傳感器輸出電壓或電流信號(hào)，均為模擬信號(hào)，需先將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再傳輸?shù)絇LC進(jìn)行運(yùn)算處理。比例控制閥是電流信號(hào)控制，系統(tǒng)需先將數(shù)字量控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量控制信號(hào)。因此，本系統(tǒng)采用EM235為數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，該模塊具有4路模擬量輸入，1路模擬量輸出,其接線圖如圖3所示。由于該模塊輸入端使用時(shí)只能設(shè)置一種量程與分辨率，因此，當(dāng)模塊輸入端既有電壓信號(hào)又有電流信號(hào)時(shí)，則需要使用多個(gè)EM235轉(zhuǎn)換模塊。

圖3 EM235接線圖Fig.3 EM235 wiring diagram

2.3 傳感器與閥參數(shù)選擇

采用BHM12-C10NA型霍爾傳感器，電源電壓10～30 V DC，檢測(cè)距離10 mm；采用LM-112-010-DAC型超聲波測(cè)距傳感器，輸出信號(hào)0～10 V，測(cè)量范圍200～2 500 mm；采用PA-21G/81381.11型壓力傳感器，壓力量程為0～2 000 kPa，輸出信號(hào)4～20 mA，供電電壓8～28 V DC；流量傳感器采用槳式流量計(jì)，供電電壓4.5～26 V DC，輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)。比例控制閥由4～20 mA電流信號(hào)控制其回流開(kāi)度，而主閥和5路控制閥為開(kāi)關(guān)量控制，且供電電壓為12 V DC。

2.4 電源模塊與觸摸屏選擇

PLC與傳感器等元器件均可用24 V直流電壓供電，而對(duì)于拖拉機(jī)來(lái)說(shuō)，其車(chē)載電源為12 V DC或24 V DC。當(dāng)車(chē)載電源為12 V DC時(shí)，需要使用升壓模塊變?yōu)?4 V DC。

控制系統(tǒng)需要對(duì)噴嘴數(shù)量、噴藥量、啟動(dòng)噴藥最低行駛速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，以及對(duì)噴藥流量、壓力、速度等參數(shù)進(jìn)行顯示，選用北京迪文科技公司的迪文觸摸屏實(shí)現(xiàn)。

3 觸摸屏界面與控制器設(shè)計(jì)

觸摸屏顯示和設(shè)置界面如圖4所示。打開(kāi)觸摸屏，首先是顯示界面，在顯示界面可顯示流量、壓力、液位和總噴灑面積等參數(shù)，并且有液位過(guò)低報(bào)警提示；點(diǎn)擊下一頁(yè)，可進(jìn)行噴頭數(shù)量、噴藥量和最小壓力(比例閥不再調(diào)整)等參數(shù)的設(shè)置。同時(shí)，為了更好、更容易地操作該系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)控制器來(lái)完成工作模式的選擇、流量閥的調(diào)節(jié)和5路控制閥的開(kāi)與關(guān)等功能的操作。

圖4 觸摸屏顯示和設(shè)置界面Fig.4 Touch screen display and setup interface

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主要參數(shù)的檢測(cè)原理

系統(tǒng)對(duì)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，PLC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并發(fā)出控制命令，控制執(zhí)行元件動(dòng)作。其中，作業(yè)參數(shù)通過(guò)傳感器檢測(cè)與相應(yīng)關(guān)系式可推算得出。

4.1.1速度檢測(cè)

在拖拉機(jī)地輪軸上安裝一定數(shù)量的磁鋼，速度傳感器安裝于磁鋼上方，當(dāng)有一個(gè)磁鋼經(jīng)過(guò)傳感器下方時(shí)，PLC會(huì)接收到一個(gè)脈沖信號(hào)。若已知拖拉機(jī)地輪直徑為D，則噴藥機(jī)行駛速度為

(1)

式中v——行駛速度，km/h

m——PLC在t1時(shí)間內(nèi)接收的脈沖數(shù)

n——磁鋼數(shù)

t1——速度檢測(cè)時(shí)間間隔,s

其中，相鄰磁鋼在2個(gè)脈沖覆蓋的距離不得超過(guò)60 cm，即磁鋼數(shù)n滿足

(2)

4.1.2流量檢測(cè)

理論流量可根據(jù)設(shè)定的作業(yè)參數(shù)和行駛速度來(lái)得出，已知該噴藥機(jī)噴嘴間距為500 mm,其計(jì)算公式為

(3)

式中q0——理論流量，L/min

Q——噴藥量，L/hm2

z——總噴嘴數(shù)量，個(gè)

系統(tǒng)流量計(jì)的輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)，其實(shí)際流量與脈沖數(shù)之間關(guān)系式為

(4)

式中q——實(shí)際流量，L/min

w——PLC在t2時(shí)間內(nèi)接收到的脈沖數(shù)

t2——流量檢測(cè)時(shí)間間隔，s

k——流量計(jì)常數(shù)，取250脈沖/L

4.1.3模擬量采集與檢測(cè)

系統(tǒng)中輸出信號(hào)為模擬量的傳感器，其模擬量由轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，PLC對(duì)該數(shù)字量進(jìn)行運(yùn)算處理，得出相應(yīng)檢測(cè)值。已知液位與壓力傳感器參數(shù)，得液位傳感器的檢測(cè)值計(jì)算公式為

(5)

式中Y——檢測(cè)值，mm

Ym——傳感器測(cè)量上限值，取2 500 mm

Yn——傳感器測(cè)量下限值，取200 mm

YAIW0——液位模擬量采樣值

根據(jù)液位傳感器檢測(cè)值可得剩余液位高度，其計(jì)算公式為

H=HF-Y

(6)

式中H——剩余液位深度，mm

HF——藥箱高度，mm

壓力傳感器檢測(cè)值計(jì)算公式為

(7)

式中P——壓力，kPa

Pm——傳感器測(cè)量上限值，取2 000 kPa

Pn——傳感器測(cè)量下限值，取0

PAIW8——壓力模擬量采樣值

4.2 PID控制方法

控制系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)采用PID控制，即PLC通過(guò)流量傳感器將管道內(nèi)檢測(cè)到的實(shí)際流量反饋給控制器，控制器將其與理論流量進(jìn)行比較，并將兩者的偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算得出控制量，對(duì)比例控制閥的開(kāi)口度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使理論流量與實(shí)際流量保持一致，實(shí)現(xiàn)了噴藥流量的閉環(huán)控制，其閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。采用該方法對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有快速、平穩(wěn)以及準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

圖5 閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 Schematic of closed-loop control system structure

其中，PID控制器的控制關(guān)系式為[24-25]

(8)

式中M(t)——控制器的輸出值

e(t)——理論流量與實(shí)際流量偏差

KP——比例系數(shù)

TI——積分時(shí)間常數(shù)

TD——微分時(shí)間常數(shù)

S7-200PLC是按照程序中設(shè)置的采樣時(shí)間來(lái)定時(shí)循環(huán)執(zhí)行 PID 模塊，根據(jù) PID運(yùn)算規(guī)律，得出其控制量，調(diào)節(jié)比例控制閥開(kāi)口度。將式(8)離散化后得PID算式為

(9)

式中Mn——第n次采樣時(shí)PID控制器的輸出值

SPn——第n次采樣時(shí)的給定值

PVn——第n次采樣時(shí)的過(guò)程變量值

PVn-1——第n-1次采樣時(shí)的過(guò)程變量值

MX——第n-1采樣時(shí)刻的積分項(xiàng)

TS——采樣時(shí)間間隔，s

PID控制器中的KP、TI和TD值通過(guò)試驗(yàn)確定或計(jì)算機(jī)在線測(cè)定。系統(tǒng)中，對(duì)流量采用PID控制，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)只需采用比例和積分項(xiàng)即可，無(wú)需微分項(xiàng)。其中，比例和積分常數(shù)是通過(guò)多次試驗(yàn)來(lái)確定的。首先調(diào)節(jié)比例項(xiàng)，將積分和微分兩項(xiàng)去掉(TI為無(wú)窮大，TD為0)，使PID為純比例調(diào)節(jié)，將比例系數(shù)由小變大，觀察各次響應(yīng)，直至系統(tǒng)能快速響應(yīng)又不產(chǎn)生振蕩。此時(shí)得到一個(gè)比例系數(shù)值，并設(shè)定其比例系數(shù)為當(dāng)前值的60%～70%。其次調(diào)節(jié)積分項(xiàng)，將積分時(shí)間設(shè)置一個(gè)較大值，然后減小積分時(shí)間，觀察各次響應(yīng)，并相應(yīng)微調(diào)比例系數(shù)，多次試驗(yàn)確定其合適的參數(shù)。

4.3 主程序設(shè)計(jì)

變量噴藥控制系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)流量、壓力、速度等參數(shù)的采集，流量的PID調(diào)節(jié)，以及作業(yè)參數(shù)的輸入與顯示等功能。其主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flow chart of main program

系統(tǒng)啟動(dòng)后，自檢并初始化，首先采集藥箱液位，若液位低于設(shè)定值則報(bào)警，液位正常則通過(guò)觸摸屏輸入作業(yè)參數(shù)；然后當(dāng)打開(kāi)噴藥開(kāi)關(guān)后，比例調(diào)節(jié)閥開(kāi)口度調(diào)到最大，藥液全部回流，并開(kāi)始采集作業(yè)速度；當(dāng)速度大于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)給定比例控制閥開(kāi)口度，并計(jì)算理論流量和采集壓力、流量，通過(guò)PID處理模塊控制比例控制閥開(kāi)口度，對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)關(guān)閉噴藥開(kāi)關(guān)后，系統(tǒng)關(guān)閉，停止噴藥。

系統(tǒng)還設(shè)置有手動(dòng)模式，在手動(dòng)模式下，可通過(guò)開(kāi)關(guān)控制器對(duì)每個(gè)閥手動(dòng)控制。其中，當(dāng)在自動(dòng)模式下，即可通過(guò)開(kāi)關(guān)控制器手動(dòng)控制每個(gè)閥，也可根據(jù)田間作業(yè)情況(速度不變)，通過(guò)調(diào)節(jié)比例控制閥開(kāi)關(guān)來(lái)增大或減小比例調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)局部噴藥量的變化。另外，在噴藥過(guò)程中，由于噴藥壓力小于200 kPa時(shí)噴霧效果很差，因此，當(dāng)噴藥壓力小于200 kPa時(shí)，比例控制閥不再調(diào)整。

5 試驗(yàn)與結(jié)果分析

5.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)主要包括液位標(biāo)定試驗(yàn)、流量控制精度試驗(yàn)以及噴藥量控制精度試驗(yàn)。其中，噴藥量控制精度試驗(yàn)在山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司廠區(qū)外與河北省沽源縣某馬鈴薯種植基地進(jìn)行，試驗(yàn)場(chǎng)景如圖7所示。該噴藥機(jī)為背負(fù)式，藥液箱額定容量1 200 L，噴幅22 m，噴頭數(shù)量為44個(gè)，噴頭選用ST110-05型扇形噴頭，噴霧角110°，噴頭噴霧壓力在200～500 kPa之間。試驗(yàn)時(shí)以水代替藥液。試驗(yàn)時(shí)間為2018年6—8月。

圖7 試驗(yàn)場(chǎng)景Fig.7 Test scenario

5.2 液位標(biāo)定試驗(yàn)

該噴藥機(jī)藥箱形狀不規(guī)則，為了通過(guò)液位傳感器檢測(cè)剩余藥液高度，來(lái)顯示藥箱剩余藥液，需要確定不同液位下所對(duì)應(yīng)的藥液剩余量。其標(biāo)定試驗(yàn)方法如下：首先將沒(méi)有加水的噴藥機(jī)采用衡器進(jìn)行稱量，并通過(guò)顯示屏讀取質(zhì)量；之后向噴藥機(jī)加水，顯示量每增加100 kg(相當(dāng)于100 L水)時(shí)，用米尺或液位傳感器記錄一次液位值，且同一液位測(cè)量3次，連續(xù)加水直到1 300 L測(cè)量結(jié)束。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理取平均，得其試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 液位標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Test results of liquid level calibration

通過(guò)圖8可知，當(dāng)藥液容積大于100 L時(shí)，液位標(biāo)定模型為

H=0.85V+345

(10)

式中V——藥液容積，L

由式(10)可得

V=1.18H-406

(11)

模型決定系數(shù)R2為0.994。但當(dāng)容積為100 L時(shí)，最大相對(duì)擬合誤差達(dá)到了13.2%；而當(dāng)容積大于100 L時(shí)，最大相對(duì)擬合誤差小于等于3.8%。在控制系統(tǒng)中，藥液容積的檢測(cè)精度要求不高，該標(biāo)定模型滿足要求。

5.3 變量噴藥試驗(yàn)

5.3.1流量校準(zhǔn)

在噴藥試驗(yàn)前，需要對(duì)5路開(kāi)關(guān)控制閥進(jìn)行校準(zhǔn)，首先啟動(dòng)拖拉機(jī)后輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速540 r/min；在手動(dòng)模式下，打開(kāi)噴藥系統(tǒng)，調(diào)節(jié)流量，使管道內(nèi)壓力達(dá)到300 kPa；之后關(guān)閉第一路開(kāi)關(guān)控制閥，對(duì)應(yīng)的回流口打開(kāi)，壓力不再是300 kPa，需要調(diào)節(jié)該路控制閥上的旋鈕，調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)回流口開(kāi)度，使壓力達(dá)到300 kPa即可；再打開(kāi)第一路開(kāi)關(guān)控制閥，壓力仍為300 kPa。同理，校準(zhǔn)其余幾路控制閥。對(duì)于該流量校準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，采用的原則是：每一路控制閥關(guān)閉后，該路控制的噴嘴雖不再噴藥，但其對(duì)應(yīng)回流口打開(kāi)，通過(guò)校準(zhǔn)使回流口產(chǎn)生的負(fù)載等同于已關(guān)閉的所有噴嘴噴藥時(shí)的負(fù)載，使應(yīng)該從噴嘴處噴出的藥液改為從校準(zhǔn)后的回流口回流到藥箱。因此，當(dāng)全部校準(zhǔn)完畢后，不管?chē)娝帀毫κ欠駷?00 kPa，當(dāng)關(guān)閉一路、幾路或者5路全部關(guān)閉，其管道總流量、壓力不變。

5.3.2流量控制精度試驗(yàn)

PLC接收流量傳感器的脈沖信號(hào)，按照式(4)得出水管中實(shí)時(shí)的噴藥流量。對(duì)于變量噴藥來(lái)說(shuō)，流量采集的準(zhǔn)確率高[26]，即流量傳感器檢測(cè)的流量與實(shí)際噴出的流量相對(duì)誤差小。為了更方便地對(duì)流量采集的準(zhǔn)確率進(jìn)行試驗(yàn)，選擇在手動(dòng)模式下進(jìn)行流量試驗(yàn)，將拖拉機(jī)后輸出軸轉(zhuǎn)速調(diào)為540 r/min。打開(kāi)噴藥系統(tǒng)，利用流量調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)調(diào)整流量，調(diào)整時(shí)保證噴藥壓力在200～500 kPa之間，以防噴藥壓力過(guò)大造成水管破裂；試驗(yàn)時(shí)將目標(biāo)流量分別設(shè)置為65、85、105 L/min，且每個(gè)目標(biāo)流量下，用水桶接取任意5個(gè)噴嘴處的水，時(shí)間為2 min，并采用電子秤稱量法測(cè)其體積，計(jì)算出實(shí)際流量，將測(cè)得的流量與檢測(cè)到的流量進(jìn)行比較與分析，其試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 流量控制精度試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of flow control accuracy

由表1可知，單個(gè)噴頭目標(biāo)流量與實(shí)際流量相對(duì)誤差不大于4.1%，滿足誤差目標(biāo)小于6%的控制要求。

5.3.3噴藥量控制精度試驗(yàn)

噴藥系統(tǒng)根據(jù)拖拉機(jī)速度計(jì)算相應(yīng)的理論流量，為了保證噴藥機(jī)實(shí)際噴藥量與理論噴藥量大體一致，需對(duì)其進(jìn)行噴藥量試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)景如圖7所示。試驗(yàn)前，向噴藥機(jī)藥箱加水，測(cè)量質(zhì)量，直到1 200 kg為止，保證藥箱加水到1 200 L；噴藥結(jié)束后通過(guò)觸摸屏讀取已噴面積，可計(jì)算出實(shí)際噴藥量。同時(shí)該控制裝置中安全閥壓力設(shè)定為600 kPa，為防止管內(nèi)壓力大于安全閥設(shè)定值而回流到藥箱，其噴藥速度不能太大；但是，當(dāng)噴藥速度過(guò)小時(shí)，噴藥壓力小，霧化效果不好，因此試驗(yàn)速度選取在4～8 km/h之間。

(1)恒速試驗(yàn)

試驗(yàn)前，將噴藥量先后設(shè)置為380、400、420 L/hm2；試驗(yàn)時(shí)，在每一個(gè)噴藥量下，使噴藥機(jī)速度分別保持在5、6、7 km/h下進(jìn)行噴藥試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 噴藥量控制精度試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of spray quantity control accuracy

(2)變速試驗(yàn)

噴藥機(jī)實(shí)際噴藥時(shí)，速度存在變化。試驗(yàn)前，每公頃噴藥量設(shè)置同恒速試驗(yàn)；該噴藥機(jī)噴藥時(shí)，使速度在5～8 km/h之間隨意變化，其試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

(3)田間試驗(yàn)

為了更好地驗(yàn)證該變量噴藥控制系統(tǒng)的噴藥量控制精度，進(jìn)行了多次田間試驗(yàn)，田間作物為馬鈴薯，設(shè)定的噴藥量為380、400 L/hm2，噴藥機(jī)行駛速度在7 km/h左右。試驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，霧化效果好。田間試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可看出，在恒速試驗(yàn)中，噴藥流量會(huì)隨速度的增大而增大，且每種設(shè)定噴藥量和速度組合下，其設(shè)定噴藥量和實(shí)際噴藥量相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。在變速試驗(yàn)中，速度的變化使噴藥流量不斷變化，但其噴藥量相對(duì)誤差在6%以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了變量噴藥，在田間試驗(yàn)中，設(shè)定噴藥量與實(shí)際噴藥量誤差在4%以內(nèi)?？傊?，該控制系統(tǒng)可使噴藥流量隨速度變化而變化，實(shí)現(xiàn)了變量噴藥，且噴藥量具有較高的控制精度。

6 結(jié)論

(1)在3WP-1200型寬幅噴藥機(jī)基礎(chǔ)上搭建了一種多回流式變量噴藥控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)噴藥流量隨速度變化而變化。其噴藥流量是通過(guò)改變主回流口的開(kāi)口度來(lái)控制噴藥流量的變化，使整個(gè)噴藥系統(tǒng)壓力更穩(wěn)定。該控制系統(tǒng)分5路控制所有噴頭，每一路可單獨(dú)控制開(kāi)斷，一路或幾路斷開(kāi)的同時(shí)可打開(kāi)相對(duì)應(yīng)回流口，使系統(tǒng)不改變流量的情況下，其他噴頭噴藥量保持不變。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、精度高和易操作等優(yōu)點(diǎn)，提高了農(nóng)藥利用率。

(2)液位標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果表明，不同液位深度與藥液容積近似呈線性關(guān)系，模型決定系數(shù)R2為0.994，當(dāng)容積大于100 L時(shí)，最大相對(duì)擬合誤差小于等于3.8%。

(3)噴藥控制精度試驗(yàn)結(jié)果表明，流量控制精度試驗(yàn)中，單個(gè)噴頭目標(biāo)流量與實(shí)際流量相對(duì)誤差不大于4.1%；噴藥量控制試驗(yàn)中，噴藥流量隨速度變化而變化，但其設(shè)定噴藥量與實(shí)際噴藥量相對(duì)誤差在6%以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了變量噴藥，且控制精度較高。