王亞林，印祥，楊爽，姚海斌，馬文鵬，金誠(chéng)謙，2

(1. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院,山東淄博,255000;2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,南京市,210014)

0 引言

作物病蟲(chóng)草害防治是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié),決定著農(nóng)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量,目前,施用農(nóng)藥仍然是最有效和使用最廣泛的防治方式[1-3]。我國(guó)是農(nóng)藥生產(chǎn)和使用大國(guó),農(nóng)藥生產(chǎn)技術(shù)處于國(guó)際先進(jìn)水平,但植保機(jī)械和農(nóng)藥使用技術(shù)卻比較落后,存在農(nóng)藥有效利用率低、環(huán)境污染嚴(yán)重、殘留超標(biāo)等問(wèn)題[4-6]。傳統(tǒng)高地隙噴桿噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)各噴頭噴藥量相同,而農(nóng)田病蟲(chóng)草害的區(qū)域性分布則要求噴藥機(jī)根據(jù)田間實(shí)際情況按需施藥[7-9]。因此,實(shí)現(xiàn)每個(gè)噴頭獨(dú)立控制噴藥量,使得控制系統(tǒng)能根據(jù)植保機(jī)械的行進(jìn)速度和田間病蟲(chóng)草害及作物生長(zhǎng)的差異性實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整農(nóng)藥的施用量,對(duì)保護(hù)環(huán)境以及提高變量噴霧精準(zhǔn)度有重要意義[10-11]。

國(guó)內(nèi)外專家從不同方面對(duì)變量噴霧技術(shù)進(jìn)行了深入研究。Grella等[12-13]研究了PWM占空比和前進(jìn)速度對(duì)葡萄樹(shù)噴霧覆蓋率的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明在實(shí)際工作中占空比和前進(jìn)速度對(duì)噴霧均勻性的影響不大。楊文超等[14]基于北斗定位系統(tǒng)和機(jī)器視覺(jué),設(shè)計(jì)了一種變量噴霧系統(tǒng),研究了植株稀疏度和車體速度對(duì)噴霧覆蓋率的影響,實(shí)現(xiàn)了依據(jù)植株稀疏度和車速進(jìn)行變量施藥。王潤(rùn)濤等[15]基于模糊控制,設(shè)計(jì)了一種車速跟隨自適應(yīng)變量噴霧系統(tǒng),研究了不同車速下單位面積噴藥量的誤差。王定康等[16]針對(duì)變量噴霧系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種基于單神經(jīng)元PID控制的變量噴霧系統(tǒng),實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PID參數(shù),精準(zhǔn)調(diào)節(jié)噴霧流量。陳曉明[17]設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)精確變量噴霧系統(tǒng),在噴藥時(shí)對(duì)藥液濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整。Lebeau等[18-19]設(shè)計(jì)了基于噴桿速度變化的PWM變量施藥控制系統(tǒng),研究了噴桿速度變化對(duì)噴霧沉積分布均勻性的影響,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)采用頻率為16 Hz 的控制器進(jìn)行補(bǔ)償。Mangus等[20]設(shè)計(jì)了PWM噴霧控制系統(tǒng),研究了行駛速度和噴霧帶寬度變化對(duì)噴霧覆蓋度的影響。上述研究對(duì)PWM變量噴霧的噴霧特性和控制策略提供了重要理論依據(jù),但是在田間噴霧作業(yè)中,還需要提高噴霧控制器的響應(yīng)速度及控制精度。

針對(duì)現(xiàn)有變量噴霧系統(tǒng)精準(zhǔn)化程度低、農(nóng)藥有效利用率低等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了基于PWM的電控精量噴霧控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、噴霧控制器、電子開(kāi)關(guān)、電控噴嘴體組成,輸出多路PWM信號(hào)獨(dú)立控制每個(gè)噴頭,實(shí)現(xiàn)每個(gè)噴頭流量的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。通過(guò)不同壓力下實(shí)際占空比和設(shè)置占空比的對(duì)比試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)際控制效果,以期實(shí)現(xiàn)噴頭獨(dú)立控制,提高變量噴霧精度。

1 精量噴霧控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 精量噴霧控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求

針對(duì)現(xiàn)有變量噴霧系統(tǒng)精準(zhǔn)化程度低、農(nóng)藥有效利用率低等問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了基于PWM的電控精量噴霧控制系統(tǒng),所研制的電控精量噴霧控制系統(tǒng)安裝在自走式高地隙噴藥機(jī)噴桿上,如圖1所示,由于自走式高地隙噴藥機(jī)的噴幅較寬,在噴霧覆蓋范圍內(nèi)施藥量是不同的,需根據(jù)車速、作物、病蟲(chóng)害等情況調(diào)整,所以需要獨(dú)立控制每個(gè)噴頭,實(shí)現(xiàn)施藥量的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。為了滿足噴藥機(jī)基本噴霧參數(shù)和噴頭獨(dú)立控制的需求,控制系統(tǒng)需要輸出多路PWM信號(hào),獨(dú)立控制每個(gè)PWM變量噴頭,根據(jù)500 L、1 000 L、1 500 L容量的自走式高地隙噴藥機(jī)的噴頭數(shù)量,分別需要18、30、36路PWM信號(hào)。要求精量噴霧控制系統(tǒng)能夠輸出多路PWM信號(hào)獨(dú)立控制每個(gè)噴頭,為了便于擴(kuò)展和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,采用分組控制,每個(gè)控制器輸出6路PWM信號(hào)。為了保證噴頭獨(dú)立控制時(shí)的控制精度和工作性能,對(duì)電控噴嘴體提出如表1所示的技術(shù)指標(biāo)。

表1 電控噴嘴體主要技術(shù)指標(biāo)Tab. 1 Main technical indexes of electronic control nozzle body

圖1 自走式高地隙噴藥機(jī)

1.2 精量噴霧控制系統(tǒng)構(gòu)成

基于PWM的電控精量噴霧控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、噴霧控制器、GNSS接收機(jī)、電子開(kāi)關(guān)、電控噴嘴體等組成,如圖2所示。上位機(jī)用于輸入噴藥量,并將其發(fā)送給噴霧控制器,同時(shí)用于實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)工作狀態(tài);GNSS接收機(jī)選用美國(guó)天寶BD982雙天線定位定向接收機(jī),用于實(shí)時(shí)采集作業(yè)設(shè)備的位置和速度信息,并通過(guò)CAN總線發(fā)送給噴霧控制器;噴霧控制器以PIC18F258單片機(jī)作為核心,根據(jù)接收到的噴藥量和作業(yè)速度信息,輸出PWM控制信號(hào),控制多個(gè)電子開(kāi)關(guān)通斷;電控噴嘴體與電子開(kāi)關(guān)相連,在電子開(kāi)關(guān)閉合時(shí),噴頭打開(kāi),藥液噴出,在電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí),噴頭關(guān)閉,藥液停止噴出。通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比和頻率就可以改變噴霧流量的大小。

圖2 PWM電控精量噴霧控制系統(tǒng)組成

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電控噴嘴體

如圖3所示,電控精量噴嘴體主要由電磁吸合機(jī)構(gòu)、連接螺帽、雙向通水閥、噴體、噴嘴等部分組成。

圖3 電控噴嘴體

電磁吸合機(jī)構(gòu)主要包括電磁線圈外殼、電磁線圈、繞線骨架、定鐵芯、閥芯、復(fù)位彈簧、套筒等。當(dāng)電磁吸合機(jī)構(gòu)的線圈通電時(shí),其內(nèi)部磁場(chǎng)磁化定鐵芯、閥芯,閥芯受磁場(chǎng)力作用被吸附遠(yuǎn)離雙向通水閥出水口,藥液從噴嘴出水口噴出;當(dāng)電磁線圈斷電時(shí),磁場(chǎng)消失,閥芯在復(fù)位彈簧的作用下向遠(yuǎn)離鐵芯的一端移動(dòng)將雙向通水閥的中央通孔堵住,藥液被阻斷。通過(guò)調(diào)節(jié)PWM占空比,即噴頭單個(gè)周期內(nèi)的通斷時(shí)間,就可以調(diào)節(jié)噴霧流量。

2.2 單片機(jī)選型

該控制系統(tǒng)控制器單片機(jī)選用Microchip公司的PIC18F258單片機(jī),共有28個(gè)引腳,最大時(shí)鐘頻率為40 MHz,可以與CAN總線接口、I2C、SPI和USART進(jìn)行通信,且包含AD轉(zhuǎn)換模塊和CCP模塊,可以輸出PWM信號(hào),工作溫度為-40 ℃～85 ℃。該單片機(jī)具有工作穩(wěn)定性和可靠性高、代碼效率高、外圍接口多和低功耗等優(yōu)點(diǎn),能夠適應(yīng)農(nóng)業(yè)場(chǎng)景下的惡劣環(huán)境,能夠滿足精量噴霧控制的需求。

2.3 噴霧控制器

噴霧控制器作為PWM電控精量噴霧控制系統(tǒng)的核心,用以接收上位機(jī)發(fā)送的噴藥量并將之轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)控制電子開(kāi)關(guān)通斷的頻率和占空比,使藥液按照設(shè)置的噴藥流量噴出。噴霧控制器以PIC18F258單片機(jī)作為中央處理器、PCA82C250為CAN總線芯片、MAX232為電平轉(zhuǎn)換芯片、MOS管作為電子開(kāi)關(guān),此外還包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等。噴霧控制器原理框圖如圖4所示。

電源通過(guò)電源穩(wěn)壓模塊與單片機(jī)相連,保證工作時(shí)可以穩(wěn)定的為單片機(jī)提供電源。上位機(jī)通過(guò)CAN總線與單片機(jī)相連,將預(yù)先設(shè)定好的噴藥量發(fā)送給單片機(jī)。噴霧作業(yè)過(guò)程中,根據(jù)實(shí)時(shí)接收的噴藥量,并換算成PWM信號(hào),通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比,控制每個(gè)電子開(kāi)關(guān)的通斷時(shí)間,獨(dú)立控制每個(gè)電控噴嘴體的噴霧流量。變量噴霧要求獨(dú)立控制每個(gè)噴頭的噴霧流量,自走式高地隙噴藥機(jī)的噴頭數(shù)量大部分大于18個(gè),需要多個(gè)控制器進(jìn)行控制,為實(shí)現(xiàn)多個(gè)噴霧控制器和上位機(jī)的實(shí)時(shí)傳遞,變量噴霧控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了CAN總線模塊,實(shí)現(xiàn)控制單元和各個(gè)子系統(tǒng)的信息傳遞,CAN總線模塊的電路原理圖如圖5所示。

圖5 CAN總線模塊

變量噴霧控制系統(tǒng)各個(gè)模塊的通信接口不一致, 需要進(jìn)行RS232串口和TTL串口轉(zhuǎn)換, 為了實(shí)現(xiàn)各模塊間的正常通信, 設(shè)計(jì)了串口轉(zhuǎn)換模塊, 其電路原理圖如圖6所示?？刂破鲗?shí)物如圖7所示,PIC單片機(jī)通過(guò)CAN總線與上位機(jī)通信,接收上位機(jī)設(shè)置的噴藥量,并將作業(yè)參數(shù)返回到上位機(jī)。

圖6 串口轉(zhuǎn)換模塊

圖7 噴霧控制器實(shí)物圖

PIC單片機(jī)通過(guò)CAN總線模塊與其他控制器進(jìn)行通信,將上位機(jī)接收到信息發(fā)送到每一個(gè)控制器。每個(gè)控制器包括六個(gè)電子開(kāi)關(guān),電子開(kāi)關(guān)電路圖如圖8所示,每個(gè)電子開(kāi)關(guān)由一個(gè)MOS管、三個(gè)電阻、一個(gè)LED燈組成,通過(guò)RC口輸入的電平信號(hào)控制電子開(kāi)關(guān)的通斷,RC口輸入高電平信號(hào)時(shí),電子開(kāi)關(guān)閉合,LED燈打開(kāi),噴頭噴出藥液;RC口輸入低電平信號(hào)時(shí),電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi),LED燈關(guān)閉,噴頭停止噴出藥液。

圖8 電子開(kāi)關(guān)電路圖

2.4 上位機(jī)

為了更好地進(jìn)行操作和顯示系統(tǒng)工作狀態(tài),本文采用HMI串口屏設(shè)計(jì)了上位機(jī)界面,進(jìn)行信息顯示和數(shù)據(jù)發(fā)送。上位機(jī)界面如圖9所示, 包括主頁(yè)面、手動(dòng)輸入頁(yè)面和顯示頁(yè)面,主頁(yè)面可以選擇常量模式、手動(dòng)輸入和處方圖施藥。常量模式為每個(gè)噴頭都是最大流量進(jìn)行噴霧;處方圖施藥是農(nóng)機(jī)當(dāng)前位置,自動(dòng)從處方圖中尋址讀取相應(yīng)的施藥量,按照設(shè)定好的處方值進(jìn)行噴霧;手動(dòng)模式是手動(dòng)輸入每個(gè)噴頭的流量發(fā)送到單片機(jī);顯示頁(yè)面用來(lái)顯示噴霧壓力、噴霧流量、剩余藥量、前進(jìn)速度、經(jīng)緯度等作業(yè)參數(shù)。上位機(jī)通過(guò)串口與單片機(jī)進(jìn)行通信,將每個(gè)電控噴嘴體的噴藥流量發(fā)送至PIC單片機(jī),并將噴霧工作的相關(guān)信息傳輸?shù)紿MI串口屏實(shí)時(shí)顯示。本文所采用的串口屏分辨率為800像素×480像素,工作溫度為-20 ℃～+70 ℃,工作電壓為4.65～6.5 V,采用ASCII碼字符串進(jìn)行串口通信。

(a) 主頁(yè)面

(b) 處方施藥頁(yè)面

(c) 設(shè)置頁(yè)面

(d) 顯示頁(yè)面

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 流量調(diào)節(jié)算法

本研究采用噴霧控制器輸出的多路獨(dú)立可調(diào)的PWM信號(hào)控制變量噴頭實(shí)現(xiàn)變量噴霧。PWM脈寬調(diào)制技術(shù)是利用處理器的數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制,通過(guò)改變脈沖信號(hào)的頻率和占空比,進(jìn)而改變高低電平的輸出時(shí)間。PWM占空比為單個(gè)脈沖周期高電平輸出時(shí)間與脈沖周期之比,脈沖信號(hào)占空比計(jì)算公式如下。

(1)

式中:α——脈沖信號(hào)占空比;

t0——導(dǎo)通時(shí)間(高電平輸出時(shí)間),s;

T——脈沖周期,s。

PWM占空比越大,高電平輸出時(shí)間越長(zhǎng),噴頭打開(kāi)時(shí)間越長(zhǎng),單位時(shí)間內(nèi)噴出藥量越多;反之,高電平輸出時(shí)間越短,噴頭打開(kāi)時(shí)間越短,單位時(shí)間內(nèi)噴出藥量越少。所以電控噴嘴體實(shí)際流量、脈沖信號(hào)占空比和電控噴嘴體最大流量存在以下關(guān)系。

Q0=a·α+b

(2)

式中:Q0——電控噴嘴體實(shí)際流量,L/min;

a、b——常數(shù)。

實(shí)際作業(yè)過(guò)程中,機(jī)器的行駛速度是變化的,作業(yè)速度變化大將直接導(dǎo)致單位面積施藥量不均勻,為了保證噴霧效果,在車速變化時(shí)要實(shí)時(shí)改變噴霧流量。機(jī)器行駛速度、施藥量、噴幅和噴霧流量之間存在以下關(guān)系。

(3)

式中:Q——施藥量,L/hm2;

v——機(jī)器行駛速度,km/h;

l——作業(yè)幅寬,m。

根據(jù)式(2)和式(3)可以得到脈沖信號(hào)占空比、機(jī)器行駛速度和施藥量之間的關(guān)系。

(4)

3.2 多路PWM信號(hào)

變量噴霧控制系統(tǒng)通過(guò)控制器輸出的多路獨(dú)立可調(diào)的PWM信號(hào)控制每個(gè)電控噴嘴體的通斷時(shí)間,其控制流程圖如圖10所示。

圖10 PWM信號(hào)輸出流程

因?yàn)槊總€(gè)控制器需要獨(dú)立控制多個(gè)噴頭,所以首先識(shí)別出噴頭ID,根據(jù)每個(gè)噴頭設(shè)置的不同噴藥量計(jì)算出每個(gè)噴頭的占空比。PIC單片機(jī)有自帶的PWM模塊,首先將PIC單片機(jī)的CCP模塊設(shè)置成PWM模式,并將PWM引腳設(shè)置為輸出,通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí),設(shè)置PWM信號(hào)的占空比,輸出PWM信號(hào)。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)變量噴霧的基本作業(yè)要求、流量調(diào)節(jié)算法等要求,基于MPLAB IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)了精量噴霧控制程序,設(shè)計(jì)了PWM電控精量噴霧控制系統(tǒng)的工作流程,如圖11所示。系統(tǒng)初始化后,PIC18F258單片機(jī)首先接收上位機(jī)輸入的噴藥量,并根據(jù)式(4)將噴藥量換算成PWM信號(hào),并輸出多路PWM信號(hào)控制每個(gè)電子開(kāi)關(guān)的通斷,每個(gè)電子開(kāi)關(guān)控制一個(gè)電控噴嘴體的通斷,當(dāng)電控噴嘴體打開(kāi)時(shí)藥液噴出,電控噴嘴體關(guān)閉時(shí)藥液停止噴出,通過(guò)改變單位時(shí)間內(nèi)電控噴嘴體的通斷時(shí)間,即可改變噴霧流量,實(shí)現(xiàn)精量噴霧。

圖11 PWM電控精量噴霧控制系統(tǒng)工作流程圖

根據(jù)圖11所示的工作流程,本文在單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境下,完成了PWM精量噴霧控制程序的編寫(xiě),并利用PICkit3燒錄器將程序下載到PIC18F258單片機(jī),進(jìn)行調(diào)試和試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

為評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的PWM電控精量噴霧控制系統(tǒng)的工作性能,將所研制的控制系統(tǒng)裝置安裝于精量噴霧測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)上,于2022年9月在山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備實(shí)驗(yàn)室對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)際控制效果進(jìn)行試驗(yàn)。

4.1 性能試驗(yàn)

作為PWM精量噴霧技術(shù)的主要參數(shù),占空比直接決定了噴霧流量的大小,如果噴頭單個(gè)周期內(nèi)的通斷時(shí)間與設(shè)置的通斷時(shí)間誤差較大,會(huì)導(dǎo)致噴霧精度下降。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的PWM電控精量噴霧控制系統(tǒng)的控制精度,測(cè)試了噴霧系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和噴嘴噴霧的實(shí)際占空比。

試驗(yàn)裝置包括精量噴霧測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)、高速相機(jī)、補(bǔ)光燈、噴霧控制器、電控精量噴嘴體等,如圖12所示。噴頭上連接的噴嘴為11003標(biāo)準(zhǔn)扇形噴嘴,噴霧角為110°。試驗(yàn)時(shí),用清水代替藥液,在上位機(jī)界面中輸入相關(guān)參數(shù),其中工作壓力分別為0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa,脈沖頻率設(shè)置為10 Hz,占空比從30%遞增到80%,每次遞增1%。啟動(dòng)精量噴霧實(shí)驗(yàn)臺(tái),用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上安裝的壓力表測(cè)量工作壓力,通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出不同的工作壓力,得到需要的工作壓力。等系統(tǒng)穩(wěn)定后,采用高速相機(jī)進(jìn)行拍攝,將單個(gè)周期內(nèi)有噴霧霧滴的照片數(shù)量乘以高速相機(jī)的幀時(shí)長(zhǎng),得到電控精量噴嘴體單個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間;將噴霧信號(hào)發(fā)出到噴頭完全噴霧之間的照片數(shù)量乘以高速相機(jī)的幀時(shí)長(zhǎng),得到系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性,高速相機(jī)測(cè)量每組占空比下5～6個(gè)周期噴霧時(shí)間,取中間3組通斷時(shí)間數(shù)據(jù)的平均值求出單個(gè)周期內(nèi)的噴霧時(shí)間。

圖12 試驗(yàn)平臺(tái)

本文采用的高速相機(jī)為Phantom VEO 410,選取的拍攝速率為5 200幀/s,曝光時(shí)間為200 μs,圖片像素為1 280×800。

為評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的PWM電控精量噴霧控制系統(tǒng)的控制精度,對(duì)占空比測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析,表2為系統(tǒng)壓力分布為0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果。由表2可知在系統(tǒng)壓力分別為0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa,電控噴嘴體通斷時(shí)間誤差最大值分別是2.5 ms、2.98 ms、2.9 ms,相對(duì)誤差最大值分別是6.6%、6.6%、6.8%,RMS誤差分別為2.37 ms、2.54 ms、2.27 ms,系統(tǒng)最大延時(shí)時(shí)間分別為0.179 s、0.176 s、0.167 s。各系統(tǒng)壓力下,其相對(duì)誤差和RMS誤差均較小,系統(tǒng)延時(shí)時(shí)間較短,表明控制系統(tǒng)具備良好的控制精度和穩(wěn)定性,能夠滿足精量噴霧控制的基本要求。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果Tab. 2 Analysis results of test data

圖13為實(shí)際占空比與設(shè)置占空比的對(duì)比分析圖,由圖13可知在脈沖頻率10 Hz,占空比范圍30%～80%,在系統(tǒng)壓力分別為0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa時(shí),實(shí)際占空比曲線與設(shè)置占空比曲線基本重合,實(shí)際占空比曲線線性度高,線性回歸決定系數(shù)分別為0.983 9、0.982 1和0.988 3。表明所研制的電控精量噴霧控制系統(tǒng)具備快速收斂性且穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度較高,在不同的系統(tǒng)壓力下能夠滿足精量噴霧的控制需求。

(a) 0.3 MPa

(b) 0.4 MPa

(c) 0.5 MPa

4.2 流量測(cè)試

理論上,噴霧壓力和頻率一定時(shí),噴霧流量與占空比成線性關(guān)系,為了驗(yàn)證噴霧流量與占空比的關(guān)系,本文在0.3～0.5 MPa壓力下,10 Hz頻率,20%～100%占空比下測(cè)量11003標(biāo)準(zhǔn)扇形噴嘴的流量。

在噴霧頻率為10 Hz,噴霧壓力分別為0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa。占空比20%～100%范圍內(nèi),每隔4%測(cè)試噴霧流量。試驗(yàn)時(shí),用清水代替藥液,用量杯接住噴霧的液體,用秒表記錄30 s的噴霧時(shí)間,用1 500 mL 量杯測(cè)出30 s內(nèi)液體體積,進(jìn)而計(jì)算得出噴頭流量,每次試驗(yàn)重復(fù)3次,取平均值。

占空比與流量關(guān)系變化如圖14所示,試驗(yàn)結(jié)果表明,噴頭流量與噴霧壓力和占空比有關(guān),在噴霧壓力和頻率一定時(shí),占空比20%～80%時(shí),噴頭流量與PWM占空比成線性正相關(guān)關(guān)系,達(dá)到一定占空比之后(80%～100%)流量增長(zhǎng)速度減慢。將試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa下的線性擬合度分別為0.958 6、0.956、0.953 4,可以看出壓力變化對(duì)流量與占空比的擬合關(guān)系影響較小。通過(guò)線性擬合得到不同壓力下流量與占空比的關(guān)系。

圖14 不同壓力下噴頭流量與PWM占空比的關(guān)系

0.3 MPa壓力下噴頭流量與占空比的線性方程

Q0=0.012 1a+0.182 8

0.4 MPa壓力下噴頭流量與占空比的線性方程

Q0=0.128a+0.249 6

0.5 MPa壓力下噴頭流量與占空比的線性方程

Q0=0.014 5a+0.267 8

5 結(jié)論

1) 針對(duì)現(xiàn)有變量噴霧系統(tǒng)精準(zhǔn)化程度低、農(nóng)藥有效利用率低等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了基于PWM的電控精量噴霧控制系統(tǒng),能夠根據(jù)施藥需求獨(dú)立控制每個(gè)噴頭的噴藥量。

2) 所設(shè)計(jì)的電控精量噴霧控制系統(tǒng),以HMI串口屏為上位機(jī),在線設(shè)置和實(shí)時(shí)顯示作業(yè)參數(shù);以PIC單片機(jī)為核心,獲取上位機(jī)的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成PWM控制信號(hào),將控制指令發(fā)送至電子開(kāi)關(guān)以控制電控噴嘴體通斷的頻率和占空比,進(jìn)而獨(dú)立調(diào)節(jié)每個(gè)電控噴嘴體的流量。

3) 試驗(yàn)結(jié)果表明:在系統(tǒng)壓力分別為0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa,噴頭流量與PWM占空比之間均為線性關(guān)系,線性擬合度均大于0.95;電控噴嘴體通斷時(shí)間誤差最大值分別是2.5 ms、2.98 ms、2.9 ms,相對(duì)誤差最大值分別是6.6%、6.6%、6.8%,RMS誤差分別為2.37 ms、2.54 ms、2.27 ms,系統(tǒng)最大響應(yīng)時(shí)間分別為0.179 s、0.176 s、0.167 s。各系統(tǒng)壓力下,其相對(duì)誤差和RMS誤差均較小,系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較短。