基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制變量施藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

孫文峰 劉海洋 王潤濤 付天鵬 呂金慶 王福林

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.嶺南師范學(xué)院信息工程學(xué)院， 湛江 524048)

0 引言

施用農(nóng)藥是防治病蟲草害最為快速、經(jīng)濟(jì)、有效的手段。由于植保機(jī)械制造及使用水平相對(duì)低下，嚴(yán)重影響了植保作業(yè)的效果[1-2]。目前，大田施藥仍以定量施藥方式為主，車輛低速行走時(shí)易造成藥害殘留，車輛高速行走時(shí)易造成藥液沉積少而無法有效控制病蟲草害。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟需能隨車速變化而相應(yīng)改變噴量的高效、低污染植保噴霧設(shè)備。

變量噴霧是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥的一種重要技術(shù)方式[3]。歐美等發(fā)達(dá)國家的大田變量施藥相關(guān)研究開展較早，已經(jīng)取得長足的進(jìn)展，相關(guān)技術(shù)已在市場(chǎng)上推廣使用[4-7]。變量噴霧主要通過整合機(jī)具速度和管道壓力等機(jī)器信息、識(shí)別田間作物病蟲草害和形態(tài)等作物信息來實(shí)現(xiàn)變量、按需施藥。按調(diào)節(jié)方法變量噴霧可分為濃度調(diào)節(jié)式、流量調(diào)節(jié)式和壓力控制式[8-12]。ELAISSAOUI等[13]基于電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套小型直接注入式噴霧系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效提高原液利用率，且噴霧狀態(tài)穩(wěn)定，但藥液濃度改變延時(shí)較長。NEEDHAM等[14]研制了一種比例電磁閥控制系統(tǒng)，電磁閥與噴嘴耦合，利用高頻(10 kHz)脈寬調(diào)制信號(hào)占空比改變閥門開度、調(diào)節(jié)通過藥液的流量。PWM式流量調(diào)節(jié)技術(shù)對(duì)霧化效果和管道壓力影響較小，但高頻調(diào)節(jié)時(shí)需要優(yōu)質(zhì)高速電磁開關(guān)閥支持，低頻調(diào)節(jié)時(shí)霧化狀態(tài)不連續(xù)。壓力控制式變量噴霧系統(tǒng)主要通過改變噴霧管道的控制閥開度進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變量噴霧。孫睿[15]設(shè)計(jì)了一種基于PID模糊控制理論的壓力調(diào)控變量噴霧系統(tǒng)，建立了以載體農(nóng)機(jī)動(dòng)態(tài)速度為輸入變量、控制閥驅(qū)動(dòng)電壓為輸出變量的模糊控制規(guī)則。但在模糊控制策略下，系統(tǒng)上升時(shí)間較長，且穩(wěn)定性較低。壓力調(diào)控變量噴霧系統(tǒng)雖然因頻繁改變管道壓力而影響噴霧均勻度，但該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、應(yīng)用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，因此廣泛應(yīng)用于大田變量噴霧作業(yè)中。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)變量施藥的工作原理及應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，但對(duì)現(xiàn)存變量施藥控制算法滯后及超調(diào)優(yōu)化方面的研究較少[16-21]。

為提高作業(yè)效率和農(nóng)藥利用率，本文設(shè)計(jì)一種流量自適應(yīng)的變量施藥系統(tǒng)，以調(diào)控管路回流量為目的，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制為實(shí)施算法，減少系統(tǒng)滯后時(shí)間及超調(diào)量，并進(jìn)行相應(yīng)田間試驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)可行性和算法優(yōu)越性。

1 系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

變量施藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成如圖1所示。液位傳感器安裝在藥箱底部并與變量噴霧控制器相連，以此監(jiān)控藥箱液位是否在安全范圍內(nèi)。藥液受動(dòng)力輸出軸所驅(qū)動(dòng)的隔膜泵作用依次流經(jīng)主閥、過濾器，高壓藥液經(jīng)手動(dòng)調(diào)壓閥第1次分流，一部分藥液由調(diào)壓閥流回藥液箱，另一部分形成穩(wěn)定壓力的藥液經(jīng)電控調(diào)節(jié)閥第2次分流，一部分流回藥液箱，另一部分依次流經(jīng)流量傳感器、分配閥、壓力傳感器供給到噴頭處，流量傳感器與壓力傳感器分別與變量噴霧控制器相連并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的機(jī)器信息。本文采用霍爾型速度傳感器，獲取裝備的實(shí)時(shí)前進(jìn)速度信息[22]。手動(dòng)調(diào)壓閥和電控調(diào)節(jié)閥開度均可調(diào)，其中電控調(diào)節(jié)閥為變量施藥系統(tǒng)的主要執(zhí)行部件，其安裝在回流管路上，接收來自變量噴霧控制器的指令信號(hào)，通過改變系統(tǒng)藥液回流量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變量施藥的工作目標(biāo)。

圖1 變量施藥系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)與組成示意圖Fig.1 Schematic of pipeline structure and composition of variable application system1.1000L藥液箱 2.投入式液位傳感器 3.速度傳感器 4.變量噴霧控制器 5.主閥 6.過濾器 7.隔膜泵 8.手動(dòng)調(diào)壓閥 9.電控調(diào)節(jié)閥 10.流量傳感器 11.壓力表 12.壓力傳感器 13.分配閥 14.扇形噴頭

1.2 電控部分設(shè)計(jì)

選用的中央控制處理器為STC12C5A60S2型單片機(jī)，主要完成對(duì)車速、流量、液位、壓力信號(hào)的處理，對(duì)鍵盤和控制閥的驅(qū)動(dòng)以及控制LCD12864的顯示和控制算法運(yùn)行；選用JK8002C型霍爾速度傳感器；選用檢測(cè)范圍為7.5～150 L/min的LWGYA-20型渦輪流量傳感器，主要完成對(duì)管道流量信號(hào)的采集；選用SC-PB800型壓力傳感器，其檢測(cè)范圍為0～1.6 MPa；采用CBM-2100型投入式靜壓液位計(jì)，其檢測(cè)范圍為0～200 m；設(shè)計(jì)了LM2596電源轉(zhuǎn)換模塊，以保證將車載蓄電池12 V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5 V直流電供系統(tǒng)使用；使用4個(gè)MOS管設(shè)計(jì)成H橋電路來驅(qū)動(dòng)電控調(diào)節(jié)閥內(nèi)部電機(jī)，從而使電控調(diào)節(jié)閥開度能夠按需調(diào)控。為采集系統(tǒng)工作信息，基于LabVIEW開發(fā)了上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件，同時(shí)調(diào)用Excel在采樣周期為1 000 ms情況下實(shí)時(shí)記錄機(jī)組信息，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 噴霧系統(tǒng)控制原理框圖Fig.2 Block diagram of spray system

2 系統(tǒng)控制策略

變量施藥系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的技術(shù)目標(biāo)為系統(tǒng)能夠根據(jù)牽引機(jī)具所行進(jìn)車速而實(shí)時(shí)調(diào)控施藥量。因此該系統(tǒng)是以單片機(jī)為控制核心，速度傳感器輸入數(shù)據(jù)為調(diào)控依據(jù)，調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變量施藥系統(tǒng)。

2.1 控制原理

農(nóng)田施藥是一個(gè)復(fù)雜過程，需要控制的因素較多[23]，本文采用的變量施藥方式實(shí)質(zhì)是通過變量噴霧控制器的鍵盤及顯示屏采用人機(jī)交互方式預(yù)先設(shè)置每公頃施藥量、噴頭數(shù)目及噴頭間距等參數(shù)。工作過程中，控制器通過采集機(jī)具行進(jìn)速度計(jì)算出當(dāng)前所需流量，與流量傳感器采集的實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算偏差，將偏差等參數(shù)作為系統(tǒng)輸入量，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法修正控制參數(shù)，根據(jù)計(jì)算輸出后電壓的變化實(shí)現(xiàn)閥門開度的調(diào)節(jié)，改變管路藥液回流量，進(jìn)而使實(shí)際施藥量與目標(biāo)理論流量不斷接近，達(dá)到變量施藥目的。目標(biāo)理論流量與作業(yè)速度關(guān)系式為

(1)

式中q1——目標(biāo)理論流量，L/min

C——每公頃施藥量，L/hm2

v——行進(jìn)車速，km/h

d——噴嘴間距，cm

m——噴頭數(shù)目

由質(zhì)量守恒可知

q2=Q-q1

(2)

式中q2——目標(biāo)回流量，L/min

Q——主管路流量，L/min

2.2 主要參數(shù)檢測(cè)

系統(tǒng)以多傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)為控制依據(jù)，處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與計(jì)算，并發(fā)出相應(yīng)指令。過程中，通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算后推導(dǎo)出相應(yīng)的作業(yè)參數(shù)。

2.2.1速度檢測(cè)

速度傳感器安裝在拖拉機(jī)后輪軸內(nèi)側(cè)，每有一個(gè)金屬元件接近時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，通過對(duì)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)脈沖計(jì)數(shù)的方式計(jì)算當(dāng)前車速，其計(jì)算式為

(3)

式中r——車輪半徑，m

N——后輪軸上金屬元件個(gè)數(shù)

p1——時(shí)間間隔t1時(shí)系統(tǒng)接收脈沖數(shù)

2.2.2液位和壓力檢測(cè)

液位和壓力主要為系統(tǒng)提供預(yù)警及監(jiān)測(cè)作用且輸出均為模擬量，需經(jīng)A/D將檢測(cè)的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，為避免藥箱內(nèi)無藥液進(jìn)而導(dǎo)致隔膜泵空轉(zhuǎn)，當(dāng)藥箱液位低于設(shè)定值后需進(jìn)行報(bào)警。由于傳感器量程與其所輸出模擬信號(hào)范圍呈線性關(guān)系，故液位檢測(cè)值計(jì)算式為

(4)

式中H——液位檢測(cè)值，mm

Hmax——液位測(cè)量上限，mm

Hmin——液位測(cè)量下限，mm

IWd——液位采樣值，mA

IWmin——液位模擬量輸出下限，mA

IWmax——液位模擬量輸出上限，mA

在實(shí)際施藥過程中，如果施藥系統(tǒng)在流量傳感器之后的管路連接處產(chǎn)生破損，由于系統(tǒng)流出藥液流量正確，無法得知系統(tǒng)是否存在“漏液”現(xiàn)象；當(dāng)某些噴頭體過濾網(wǎng)處產(chǎn)生“堵塞”現(xiàn)象時(shí)，會(huì)造成其余噴頭流量增大進(jìn)而導(dǎo)致橫向施藥不均；上述兩種工況發(fā)生時(shí)僅從流量傳感器所傳輸數(shù)值無法知曉，因此系統(tǒng)需要通過壓力傳感器所傳輸數(shù)據(jù)判斷管道壓力是否在安全范圍內(nèi)，進(jìn)而判斷是否發(fā)生上述兩種現(xiàn)象。壓力檢測(cè)值計(jì)算公式為

(5)

式中p——壓力檢測(cè)值，MPa

pmax——壓力測(cè)量上限，MPa

IYd——壓力采樣值，mA

IYmax——壓力模擬量輸出上限，mA

IYmin——壓力模擬量輸出下限，mA

2.2.3流量檢測(cè)

流量傳感器輸出為脈沖信號(hào)，藥液流經(jīng)流量傳感器后全部從噴頭處流出，故流量傳感器所檢測(cè)數(shù)值為實(shí)際施藥量。所采用的流量傳感器內(nèi)部渦輪在藥液作用下旋轉(zhuǎn)，使其內(nèi)部磁場(chǎng)產(chǎn)生變化，經(jīng)由放大器作用后輸出連續(xù)矩形脈沖信號(hào)，其計(jì)算公式為

(6)

式中q3——實(shí)際施藥量，L/min

p2——時(shí)間間隔t2時(shí)系統(tǒng)接收脈沖數(shù)

f——流量計(jì)系數(shù)，取380脈沖/L

2.3 控制器主程序設(shè)計(jì)

變量噴霧控制采集系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)作為控制依據(jù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制策略進(jìn)行參數(shù)修正。首先系統(tǒng)初始化并進(jìn)行按鍵掃描，主要包括端口配置初始化、串口和定時(shí)器初始化等，與此同時(shí)調(diào)用LCD12864液晶顯示屏的顯示子程序；當(dāng)選擇自動(dòng)模式后，檢測(cè)藥箱液位是否高于最低值，同時(shí)控制器發(fā)出指令，電控調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)；之后開始檢測(cè)車輛速度并實(shí)現(xiàn)閥門開度的調(diào)節(jié)；最后將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)儲(chǔ)存在Excel數(shù)據(jù)庫中，具體流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flow chart of main program

當(dāng)車速低于4 km/h且不為零時(shí)，由于本系統(tǒng)所采用的噴頭總成均帶有防后滴裝置，為保證壓力足以頂開防后滴裝置的彈簧機(jī)構(gòu)使藥液得以霧化，故管路壓力應(yīng)不小于0.1 MPa，需使電控調(diào)節(jié)閥保持一定開度，因此在系統(tǒng)剛開始啟動(dòng)時(shí)電控調(diào)節(jié)閥處于關(guān)閉過程中。在使用36套3號(hào)噴嘴的前提下，不同設(shè)定施藥量與管路最低流量對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 不同施藥量下管路最低流量Tab.1 Minimum flow rate under different dosages

3 控制算法

常規(guī)PID控制存在超調(diào)大、干擾后調(diào)整時(shí)間長、穩(wěn)態(tài)誤差較大等問題，并不適用于變量噴霧系統(tǒng)調(diào)節(jié)，只有調(diào)整參數(shù)kp、ki、kd，才能取得較優(yōu)的工作結(jié)果。模糊控制雖然可以很好地解決系統(tǒng)的非線性模型問題，但穩(wěn)定性低及學(xué)習(xí)能力差的缺點(diǎn)制約其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。學(xué)習(xí)算法和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于PID參數(shù)的整定過程中，借助其函數(shù)逼近特性及自學(xué)習(xí)能力不斷地修正參數(shù)減小偏差，實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)再整定，最終能夠取得較好的控制效果[24-29]。

3.1 經(jīng)典增量式PID控制

采用經(jīng)典增量式PID控制，其公式為[24]

u(k)=u(k-1)+kp(e(k)-e(k-1))+
kie(k)+kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

(7)

式中kp——PID比例控制系數(shù)

ki——PID積分控制系數(shù)

kd——PID微分控制系數(shù)

k——采樣序號(hào)，k=0，1，2，…

u(k)——第k次采樣實(shí)際流量，L/min

e(k)——第k次采樣流量偏差，L/min

3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法實(shí)現(xiàn)

采用帶有動(dòng)量項(xiàng)的BP網(wǎng)絡(luò)，通過仿真表明隱含層有5個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)其表現(xiàn)性能較好，準(zhǔn)確度較高。設(shè)置輸入神經(jīng)元j=3;隱含層神經(jīng)元i=5；輸出神經(jīng)元l=3，輸入層的輸入分別為第k次采樣時(shí)刻流量偏差、理論流量值、實(shí)際流量值，將PID控制器的3個(gè)控制系數(shù)kp、ki、kd與輸出層的3個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，由于3個(gè)系數(shù)均不能為負(fù)數(shù)，故輸出層選用非負(fù)Log-Sigmoid作為激勵(lì)函數(shù)[30]，其學(xué)習(xí)速率η=0.2，慣性系數(shù)α=0.05，權(quán)系數(shù)初始值選取[-0.5，0.5]內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，控制策略如圖4所示。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制策略圖Fig.4 NNPID control strategy diagram

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID/模糊PID/常規(guī)PID控制系統(tǒng)Fig.5 BP neural network PID/fuzzy PID/traditional PID control system

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輸入層的輸入為

(8)

隱含層的輸入和輸出為

(9)

(10)

隱含層激勵(lì)函數(shù)為

(11)

網(wǎng)絡(luò)輸出層輸入和輸出為

(12)

(13)

在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差反向傳播階段，為了使輸出流量與輸入流量之差均值極小，通過系統(tǒng)信號(hào)傳播所產(chǎn)生的誤差可計(jì)算網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各連接權(quán)值的更新調(diào)整量，通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)加權(quán)系數(shù)使輸出流量無限接近理論流量。

4 仿真與分析

為了驗(yàn)證BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID參數(shù)控制對(duì)于農(nóng)用噴霧控制的優(yōu)越性，運(yùn)用Matlab/Simulink平臺(tái)引入S函數(shù)分別搭建了常規(guī)PID控制、模糊控制PID及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的控制模型，如圖5所示，其中對(duì)于常規(guī)PID控制采用試湊法分別確定其比例、積分和微分參數(shù)，通過調(diào)整最終確定kp=1.2，ki=0.2，kd=0.8；其中對(duì)于模糊控制，采用文獻(xiàn)[15]所建立的模糊控制原則對(duì)控制模型進(jìn)行搭建。通過階躍仿真對(duì)3種控制方式進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

由表2、圖6可知，在階躍信號(hào)作用下，BP-PID決策下系統(tǒng)上升時(shí)間為0.25 s，超調(diào)量為1.30%，穩(wěn)態(tài)誤差為±0.26%。模糊控制PID上升時(shí)間為0.64 s，超調(diào)量為18.2%，穩(wěn)態(tài)誤差為±0.94%。常規(guī)PID控制上升時(shí)間為0.30 s，超調(diào)量為50.9%，穩(wěn)態(tài)誤差為±1.21%。綜上所述，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制在階躍響應(yīng)上超調(diào)量較少、上升時(shí)間較短、穩(wěn)態(tài)誤差較小。通過仿真可知，BP-PID控制在所搭建的控制模型下能夠較好地解決常規(guī)PID存在超調(diào)量大、模糊PID存在滯后的問題，并能夠取得較好的響應(yīng)效果。

5 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)于2020年7月14—18日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)種植基地進(jìn)行，試驗(yàn)地為馬鈴薯壟作地，以水為試驗(yàn)介質(zhì)，由于本次試驗(yàn)需使用水敏紙(日本AS ONE)探究使用變量噴霧控制系統(tǒng)的液滴沉積效果，應(yīng)避免田間相對(duì)濕度及葉片呼吸作用對(duì)本試驗(yàn)的影響。故霧滴沉積效果探究試驗(yàn)時(shí)間選在14:00—15:00，試驗(yàn)時(shí)空氣相對(duì)濕度為68%，環(huán)境溫度為27℃。噴霧裝置為3WF-1000型懸掛式噴霧機(jī)，配有1 000 L藥液箱、MB390/3.0型隔膜泵、TEEJET AIXR11003型噴嘴(36套)、液壓折疊系統(tǒng)、幅寬18 m桁架，牽引機(jī)具為約翰迪爾904拖拉機(jī)，施藥控制器為自主研制的PW-01型變量噴霧控制器，如圖7所示。

圖6 階躍跟隨曲線Fig.6 Step following graph

表2 階躍響應(yīng)結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of step response results

圖7 田間性能試驗(yàn)Fig.7 Field performance experiment

試驗(yàn)參考GB/T 20183.3—2006《植保機(jī)械 噴霧裝置 農(nóng)業(yè)液力噴霧機(jī)每公頃施液量調(diào)節(jié)系統(tǒng)試驗(yàn)方法》，標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)時(shí)行進(jìn)車速為5.4～9 km/h。考慮到田間實(shí)際作業(yè)是在外界條件多脅迫情況下進(jìn)行，并且田間實(shí)際工作時(shí)在啟車及駐車階段(車速較低時(shí))均會(huì)進(jìn)行施藥作業(yè)，故本試驗(yàn)行進(jìn)速度范圍在國家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上有一定延伸，最低速度設(shè)為0 km/h；同時(shí)由于本系統(tǒng)選擇3號(hào)噴嘴，在施藥量為150 L/hm2情況下，為保證噴嘴工作壓力不高于0.4 MPa(噴嘴優(yōu)選的工作壓力)[31]，以延長其使用壽命及保證噴霧作業(yè)橫向均勻性，試驗(yàn)最高速度設(shè)為11 km/h(噴嘴壓力為0.4 MPa)，故行進(jìn)速度范圍為0～11 km/h。

5.1 動(dòng)態(tài)流量跟隨對(duì)比試驗(yàn)

為更好驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的BP-PID變量施藥系統(tǒng)在實(shí)際作業(yè)中的實(shí)時(shí)調(diào)控優(yōu)越性，采用車速隨機(jī)變化的方式來驗(yàn)證BP-PID變量施藥系統(tǒng)與模糊PID變量噴霧系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟隨性，模糊PID控制系統(tǒng)采用課題組自行研發(fā)并已在市場(chǎng)推廣使用的變量施藥系統(tǒng)[15]。設(shè)定需求噴霧量150 L/hm2，駕駛員操控拖拉機(jī)使車速在4～11 km/h范圍內(nèi)隨機(jī)變化，拖拉機(jī)啟動(dòng)后首先打開動(dòng)力輸出軸進(jìn)行噴霧作業(yè)，當(dāng)車速到達(dá)4 km/h后開啟變量噴霧控制器進(jìn)行施藥量調(diào)節(jié)并記錄；通過控制油門緩慢增速達(dá)到11 km/h后逐漸減速至4 km/h時(shí)停止施藥；變量噴霧控制器通過RS232串行通信接口與便攜式計(jì)算機(jī)相連，通過上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件實(shí)時(shí)計(jì)算并記錄當(dāng)前車速、壓力、理論流量及實(shí)際流量。通過曲線形式在上位機(jī)展示并實(shí)時(shí)記錄儲(chǔ)存在Excel數(shù)據(jù)庫中，模糊PID控制下試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，BP-PID控制下試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖8 模糊PID控制動(dòng)態(tài)跟隨流量、速度響應(yīng)曲線Fig.8 Dynamic follow flow and velocity response curves of fuzzy PID control

圖9 BP-PID控制動(dòng)態(tài)跟隨流量、速度響應(yīng)曲線Fig.9 BP-PID control dynamic follow flow and velocity response curves

由圖8可知，變量施藥系統(tǒng)采用模糊控制策略會(huì)產(chǎn)生1～4 s的滯后；在時(shí)刻t2、t3、t4、t5，由于車速增加，噴霧量跟隨產(chǎn)生上升超調(diào)，在時(shí)間段t2～t5內(nèi)平均施藥量為157.3 L/hm2，在時(shí)刻t1、t6、t7、t8、t9由于系統(tǒng)啟動(dòng)或車速下降，噴霧量跟隨產(chǎn)生下降超調(diào)，在時(shí)間段t6～t9內(nèi)平均施藥量為134.8 L/hm2；整個(gè)噴霧過程共噴灑394.5 L，由于增速和減速而產(chǎn)生的超調(diào)量為17.6%，平均調(diào)整時(shí)間為2.54 s；利用Excel軟件統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)實(shí)測(cè)施藥量為142.1 L/hm2，與理論值相差5.9%。

由圖9可知，變量施藥系統(tǒng)采用BP-PID控制策略，流量跟隨緊密，解決了模糊PID控制存在的超調(diào)及滯后問題；整個(gè)噴霧過程共噴灑752.3 L，平均超調(diào)量為2.1%，平均調(diào)整時(shí)間為0.72 s；統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)實(shí)測(cè)施藥量為151.9 L/hm2，與理論值相差1.3%。

5.2 流量控制精度和縱向施藥均勻度試驗(yàn)

5.2.1流量控制精度試驗(yàn)

目前我國大部分地區(qū)莖葉處理施藥量為100～150 L/hm2，試驗(yàn)前設(shè)置施藥量為100、125、150 L/hm2。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的BP-PID變量施藥系統(tǒng)在設(shè)定施藥量情況下的流量控制精度，首先切換至手動(dòng)調(diào)節(jié)模式并采用給定速度試驗(yàn)方式屏蔽車速傳感器，給定系統(tǒng)車速分別為6、7、8 km/h，在流量顯示值穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)；隨后系統(tǒng)切換至自動(dòng)調(diào)節(jié)模式，車輛田間試驗(yàn)時(shí)在車速0～11 km/h范圍內(nèi)隨機(jī)變化，當(dāng)液位低于設(shè)定下限，控制器報(bào)警后停止試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知，在進(jìn)行速度給定試驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“高速多噴，低速少噴”的作業(yè)目標(biāo)。且由于拖拉機(jī)未在田間行走,降低了施藥量誤差，在速度和設(shè)定施藥量各水平組合試驗(yàn)下，試驗(yàn)誤差均不大于2%。在進(jìn)行田間行走試驗(yàn)時(shí)，流量隨著車速的不斷改變而變化，由于試驗(yàn)是在田間多因素脅迫下進(jìn)行，所以產(chǎn)生誤差較大，但系統(tǒng)總體誤差仍穩(wěn)定在3%以內(nèi)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)根據(jù)車速調(diào)節(jié)流量的變量噴霧作業(yè)目標(biāo)，且控制精度較高，適用于大田作業(yè)。

5.2.2縱向施藥均勻度試驗(yàn)

提升現(xiàn)有施藥方式縱向(機(jī)組行進(jìn)方向)施藥均勻度是本文的主要目標(biāo)。選取表3中控制器處于自動(dòng)調(diào)節(jié)模式下的9組試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為BP-PID控制決策施藥系統(tǒng)的樣本來源，同時(shí)采用模糊PID控制決策下的施藥系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，每組重復(fù)3次。以機(jī)組每行進(jìn)5 m所噴灑區(qū)域(90 m2)施藥量作為計(jì)算數(shù)值，以此探究所設(shè)計(jì)變量施藥系統(tǒng)的縱向施藥均勻度。部分噴灑區(qū)域施藥量如表4所示。

表3 噴霧試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Spray test results

表4 縱向施藥均勻度試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Longitudinal application uniformity test results

由表4可知，BP-PID控制決策下的施藥系統(tǒng)在整個(gè)施藥作業(yè)過程中，施藥控制誤差最小為-4.5%～14%，控制精度較差，而當(dāng)工作過程中車速大于等于4 km/h時(shí)，施藥控制誤差穩(wěn)定在-5%～5%之間，控制精度較好，由于當(dāng)車速低于4 km/h時(shí)，為保證管路壓力足以頂開防后滴裝置進(jìn)行噴霧作業(yè)，從而使此區(qū)域施藥量較高(0～5 m區(qū)域啟車階段、3 215～3 220 m區(qū)域駐車階段)；當(dāng)工作過程中車速大于等于4 km/h時(shí)，計(jì)算不同設(shè)定施藥量各噴灑區(qū)域施藥量變異系數(shù)均小于6%，且組間平均值為5.1%。對(duì)于模糊PID控制決策下的施藥系統(tǒng)，當(dāng)工作過程中車速大于等于4 km/h時(shí)，施藥控制誤差最小為-6.3%～7.4%；當(dāng)工作過程中車速大于等于4 km/h時(shí)，計(jì)算不同設(shè)定施藥量各噴灑區(qū)域施藥量變異系數(shù)最小值為6.9%，且組間平均值為8.1%，相較采用BP-PID控制決策下的施藥系統(tǒng)高3個(gè)百分點(diǎn)，原因是由于模糊PID控制在實(shí)際工作中產(chǎn)生的超調(diào)及滯后。綜上所述，說明本文所設(shè)計(jì)的變量施藥系統(tǒng)的縱向施藥均勻度較好，性能穩(wěn)定。

5.3 霧滴沉積性能試驗(yàn)

將水敏紙均固定在植株上端葉片，為避免由于采集時(shí)間過長而造成水敏紙局部甚至整張變色，同時(shí)為減少試驗(yàn)誤差，各個(gè)車速下隨機(jī)設(shè)置6個(gè)水敏紙取樣區(qū)域，每個(gè)取樣區(qū)域面積為1 m2，區(qū)域間隔保持5 m以上，各取樣區(qū)域內(nèi)采用五點(diǎn)取樣法選取5株植株作為取樣點(diǎn)，將水敏紙使用訂書器固定在葉片上。在田間設(shè)置車速區(qū)段提示物及車速變化緩沖帶，經(jīng)過提示物時(shí)駕駛員操縱手動(dòng)油門適時(shí)增速或減速。為了便于數(shù)據(jù)分析，取因素水平分別為5、6、7、8、9、10 km/h。噴霧機(jī)作業(yè)后取下水敏紙，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，試驗(yàn)取每平方厘米霧滴沉積數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)，將每個(gè)取樣區(qū)域內(nèi)5個(gè)取樣點(diǎn)水敏紙霧滴沉積數(shù)量統(tǒng)計(jì)并取平均值作為該取樣區(qū)域數(shù)值進(jìn)行分析。每個(gè)車速下取樣區(qū)域序號(hào)為1、2、3、4、5、6[32-33]。采用樣條插值法繪制車速動(dòng)態(tài)變化下液滴沉積數(shù)量如圖10所示。

圖10 車速動(dòng)態(tài)變化下液滴沉積數(shù)量Fig.10 Droplet deposition under dynamic change of vehicle speed

采用文獻(xiàn)[34]的計(jì)算方法，取各車速下液滴沉積數(shù)量平均值作為對(duì)比數(shù)據(jù)。隨著車速不斷增加，液滴沉積數(shù)量呈減少趨勢(shì)，原因可能是由于壓力增加后液滴粒徑尺寸變小，并且拖拉機(jī)高速行駛時(shí)后方流場(chǎng)作用和相對(duì)風(fēng)速增加而加劇了飄移，但極差為3.1個(gè)/cm2，表明數(shù)據(jù)變化浮動(dòng)不大。變量噴霧系統(tǒng)在車速變化時(shí)藥液沉積數(shù)量較穩(wěn)定。

對(duì)每個(gè)車速下的各取樣點(diǎn)計(jì)算霧滴沉積數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)差。由圖11可知，隨著車速增加，霧滴沉積數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)差并無明顯變化趨勢(shì)，均小于1.4個(gè)/cm2。說明變量噴霧系統(tǒng)在各個(gè)車速下霧滴沉積數(shù)量較穩(wěn)定，并無明顯差異。

圖11 各車速下霧滴沉積數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)差Fig.11 Standard deviation curve of droplet deposition number at different speeds

圖12為噴霧作業(yè)后沉積效果，國家標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行防蟲或防病噴霧作業(yè)時(shí)，作物上沉積液滴數(shù)量最低為30個(gè)/cm2。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，本系統(tǒng)工作時(shí)單位面積最低沉積數(shù)量為38個(gè)，作業(yè)效果高于國家標(biāo)準(zhǔn)[31]。綜上所述，采用本文設(shè)計(jì)的變量噴霧施藥方式下液滴沉積密度符合國家標(biāo)準(zhǔn)，其變異系數(shù)低，適用于大田作業(yè)。

圖12 噴霧作業(yè)后水敏紙液滴沉積效果Fig.12 Water-sensitive paper droplet deposition after spray operation

6 結(jié)論

(1)針對(duì)常規(guī)大田定量噴霧方式下容易產(chǎn)生藥害殘留及少噴的情況，同時(shí)為了提高現(xiàn)有變量噴霧控制系統(tǒng)的時(shí)效性，解決模糊決策的滯后性問題，設(shè)計(jì)了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID變量噴霧系統(tǒng)。

(2)運(yùn)用Matlab分別對(duì)3種控制策略進(jìn)行建模仿真，結(jié)果表明，基于BP-PID控制的上升時(shí)間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差分別為0.25 s、1.30%、±0.26%，明顯優(yōu)于其他2種常規(guī)控制方式。

(3)在馬鈴薯大田中分別進(jìn)行了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID變量噴霧系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)流量跟隨試驗(yàn)、流量控制精度試驗(yàn)、縱向施藥均勻度試驗(yàn)和沉積性能試驗(yàn)。當(dāng)車速在4～11 km/h范圍內(nèi)隨機(jī)變化時(shí)，試驗(yàn)實(shí)測(cè)噴霧量為151.9 L/hm2，與理論值相差1.3%，系統(tǒng)平均調(diào)節(jié)時(shí)間為0.72 s，平均超調(diào)量為2.1%；在進(jìn)行田間行走試驗(yàn)時(shí)，施藥控制誤差穩(wěn)定在3%以內(nèi)；當(dāng)車速大于等于4 km/h時(shí)，施藥量控制誤差穩(wěn)定在-5%～5%之間，且變異系數(shù)均小于6%；各速度下霧滴沉積數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)差均小于1.4個(gè)/cm2，且霧滴沉積數(shù)量高于國家標(biāo)準(zhǔn)。說明所設(shè)計(jì)變量施藥系統(tǒng)縱向施藥均勻度較好、性能穩(wěn)定。