0 引言

我國是農業生產大國,更是農藥使用大國.由于農業機械設備水平相對于世界其他先進國家還比較低,傳統施藥機械的施藥方式往往忽視一定區域內病蟲害災情的變化,采取相同的施藥量,使化學農藥在部分作業區內用量不足,而在有些地方施量過度[1],從而導致農藥的有效利用率較低,對自然環境造成危害.為了改善傳統粗放型噴藥手段、節能環保、降低生產成本,人們致力于研究對農藥的變量噴霧技術[2].以變量噴霧為基礎的精準農業機械可以有效提高農藥的田間利用率.其技術核心是通過信息定位,改變施藥管路中農藥的流量,以適應不同區域的農藥需求量;但對農藥的變量噴霧控制會造成噴藥壓力不穩定,從而對農藥噴施的霧化效果產生一定的影響[3].本文概括了國內變量施藥技術的研究現狀,針對變量施藥控制過程中壓力恒定問題做了一些探討,并對恒壓變量施藥技術研究進行了展望.

1 國內變量噴霧主要控制方法

1. 1 壓力式控制

壓力式變量控制是通過調節系統壓力實現變量控制[4]史巖[5]等提出了一種壓力式變量噴霧系統,并對系統進行了建模與仿真.計算機根據 CCD 攝像機和雷達傳感器傳入的信號、流量傳感器和壓力傳感器測出的實時流量和壓力數據,確定施藥量;將施藥量信號發送給減壓閥,每個噴桿的工作壓力隨減壓閥的動作得以調節,進而使噴桿上安裝的噴頭噴霧量發生變化.系統仿真表明:比例減壓閥控制的各噴桿工作壓力,能夠控制壓力式噴頭達到變量噴霧的要求.該控制系統能夠很好地依據行走裝置速度的變化和不同地區的施藥量信息自動控制各噴桿施藥量,從而實現精準噴藥.

劉曙光[6]建立了壓力式變量噴霧系統,依據雷達地速傳感器所測量拖拉機行走速度,結合 GPS 信號以及傳感器傳來的壓力和流量信號對系統進行閉環控制,由控制閥執行實現變量噴藥.實驗結果表明:在相同壓力情況下,使用扇形噴頭比使用實心錐形噴頭噴桿的噴霧均勻性要好;使用同種扇形噴頭時,同一噴桿上各噴頭流量變化較小,提高了噴霧均勻性.

1. 2 PWM 控制

PWM 控制即脈寬調制,是指通過改變驅動線圈的 PWM 信號的占空比進行控制.史萬蘋[7]等提出了基于國產變量噴藥機的 PWM變量控制技術,并對其進行了實驗研究.噴藥量脈沖寬度隨系統脈沖寬度的變化而變化,達到噴藥量變化的目的.該技術的特點是:在恒定的噴藥壓力下,噴頭流量的可控范圍大,霧滴粒徑變化范圍小,與壓力式變量控制相比流度的響應速度快.試驗結果表明:

通過控制電磁閥脈沖周期,可實現變量控制系統對噴頭流量的控制;隨著開關電磁閥控制頻率的增加,噴藥流量可控范圍縮小,噴藥流量明顯增加;當開關電磁閥頻率達到上限值時,噴藥流量無明顯變化.

魏新華[8]等采用 6013 型直動式高速電磁閥、TR80 - 05 型圓錐霧噴頭、DBEE6 - 1X /50 型先導式比例溢流閥和自制的 PWM 變量噴施控制器,設計了一套 PWM 間歇噴霧式變量噴施系統.在不同噴霧壓力、不同信號控制頻率和不同占空比情況下,對同一噴頭噴霧流量進行測試,結果表明:噴霧流量基本不受噴頭位置和 PWM 控制信號頻率的影響,而 PWM 信號占空比和噴霧壓力對其影響較大.在不同隔膜泵輸入轉速下,控制噴霧壓力恒定,測試不同噴頭的流量,結果表明:隔膜泵輸入軸轉速對噴霧流量的影響很小.

隨順濤[9]等設計了一種變量噴藥控制系統,該系統根據實時拖拉機速度的變化和設定的固定單位面積噴藥量,利用脈寬調制的方法實現變量噴藥.噴藥時,控制器根據拖拉機行駛速度的變化控制脈沖信號的占空比,從而改變噴頭流量,使其隨著拖拉機行駛速度的改變而改變,保證單位面積總的噴藥量不變.

對系統的仿真結果表明:通過溢流閥保持系統管路中的壓力穩定,控制電磁閥的 PWM 信號占空比將跟隨拖拉機速度的快慢變化做出相應調整.當車速快時,噴頭噴藥量將變大;當車速慢時,噴頭噴霧量將變小.

由此保證了單位面積噴藥量不變,實現了根據車速變量噴藥.

1. 3 滯環控制

翟長遠[10]等基于單片機 AT89C52,采用滯環控制法,設計了一種車載式變量施藥機控制系統.滯環控制原理:將噴藥量范圍設置在 0. 9 倍和 1. 1 倍目標噴藥量之間,當實際噴藥量小于 0. 9 倍目標噴藥量時,系統將增大電動閥門開度使噴藥量增大;當實際噴藥量大于 1. 1 倍目標噴藥量時,系統將減小電動閥門開度使噴藥量減小;當實際噴藥量在兩者之間時,電動閥門開度不變.該系統提前設置好單位面積的噴藥量,通過計算行車速度和噴藥流量調節電動球閥開度,使單位面積的施藥量基本不變.仿真和試驗表明:隨著拖拉機加速度的降低,平均實際噴藥量與設定噴藥量的平均誤差減小,當加速度小于一定值后,能滿足需求,但該系統所用噴頭對噴霧壓力要求很高;田間試驗時,由于在田地開頭和結尾的位置拖拉機行駛速度變化較大,導致田地兩端的噴藥量誤差相對于田地中間段較大,需要改進.

1. 4 PID 控制

黃勝[3]等基于 AT89S52 單片機,總管道藥液壓力采用 PID 控制法,噴藥量使用模糊控制法,設計了變量噴藥機的恒壓變量控制系統.PID 控制器將設定的噴藥壓力量和壓力傳感器接收的實際壓力量的偏差量作為輸入量,經過比例、積分、微分計算得到控制電液比例閥的電壓輸出量,調節比例閥開度實現穩壓控制.變量調節則是根據速度傳感器和流量傳感器接收的物理量計算出的實際噴藥量與設定量的偏差作為輸入量,模糊化后輸出控制電動球閥的電壓量實現噴藥量的調節.控制系統仿真結果表明:采用 PID 控制的噴藥壓力和采用模糊控制的噴藥量的控制系統仿真效果良好,系統響應時間短、超調量低、穩態誤差較小,可用于恒壓變量控制;但要想得到更精確的控制,還需要根據試驗得到的實際響應時間確定噴藥控制的超前時間.

1. 5 模糊控制

邵陸壽、戴之祥[11 - 12]等人設計了一種基于模糊控制的變量噴藥控制系統.該系統的模糊控制器將作物密度變化分為較稀、稀、適中、稠、較稠、很稠 6 個等級;將蟲害等級分為較輕、輕、重、較重、很重 5 個等級;結合作物密度和蟲害等級,把目標劃分成 30 種不同施藥區域.每一種噴藥區對應不同的進水量和進藥量;同時控制進水量和進藥量,使噴藥量變化滿足各個區域的要求.系統仿真結果和臺架試驗表明,施藥量符合專家預測.

陳樹人[13]等人根據雜草面積和噴藥機行駛速度設計了一種自適應神經模糊控制器.該控制器將噴藥機行駛速度分為 10 個等級,速度越快,噴藥量越多;將雜草面積分為 10 個等級,雜草面積越大,噴藥面積約多.兩兩結合共有 100 組噴藥數據.系統的仿真結果表明:在車速一定的情況下,噴藥量隨雜草面積的增減做正弦變化.在室內搭建的實驗平臺上試驗,噴藥量符合仿真結果,自適應能力強.

2 國外變量噴霧主要控制方法

Qamar Uz Zaman[14]等人為解決雜草生長早期\\(此時雜草高度在 35 ~ 55mm、藍莓高度在 12 ~ 30mm\\)對野生藍莓地的除草要求,利用超聲波傳感器傳來的雜草高度信號,準確定位雜草噴施除草劑.控制器綜合設定的參數、超聲波信號以及流量信號控制伺服閥變量噴灑除草劑.試驗結果表明:該噴藥器能夠根除野生藍莓地中比藍莓植株高但低于 55cm 的雜草.

Lei Tian[15]等人為解決田間除草劑浪費問題,研究了一種玉米大豆田間變量除草技術,并實現了裝置的搭建與試驗.試驗結果表明,該技術能減少 48% 的除草劑浪費.裝置由噴藥控制器、開關電磁閥、噴嘴、攝像機、圖像處理機及計算機組成.噴桿上平均分布12 個電磁閥和噴嘴,為提高噴灑精度,每個電磁閥都被單獨控制.圖像處理的算法有雜草覆蓋率和離散小波變換.噴藥控制器根據圖像處理機進行雜草和作物的圖像采集及處理,控制開關電磁閥的開合橫向控制有雜草的地方噴灑、有作物的地方停噴.

Young J. Han[1 6]等人根據美國東南部地區不規則的灌溉地形\\(長窄\\)的特點,研究了一種橫向灌溉系統代替傳統的中心樞紐系統.該系統根據濕度傳感器實時傳來土壤濕度數據,把灌溉區域劃分成若干小分區,通過固態繼電器控制開關電磁閥開閉和裝置速度的快慢.速度控制系統能讓灌溉裝置在濕潤的區域行走得快,在干燥的區域行走得慢.軟件程序可根據不同用戶的需求,設定不同參數,進行灌溉.

A. Escolà[1 7]等人設計實施了一種果園變量噴霧器,該控制器由能表征果園冠層的超聲雷達傳感器、變量運算控制器和執行器組成.雷達傳感器根據樹葉覆蓋率將樹冠劃分成若干區域,控制器運算出不同的噴藥量由執行器實現變量噴藥.

3 各類方法在恒壓控制上存在的問題

變量的過程將導致壓力不穩定,從而影響變量噴藥的霧化效果,因此在變量噴藥過程中解決壓力恒定問題顯得尤為重要.壓力式變量控制是通過壓力式變量噴頭實現變量噴霧的,因此在施藥過程中壓力要根據施藥流量的變化而變化;雖然達到了變量噴藥的目的,但在施藥過程中管路壓力是不穩定的.在PWM 變量噴施系統中,噴藥流量的控制由系統脈沖寬度變化完成,噴藥管路壓力的穩定性由比例溢流閥調節控制;霧滴粒徑的大小以及噴霧過程中霧滴速度的快慢等霧化特性受噴霧壓力的影響較大,而噴霧過程中流量的多少受其影響較小[18].在滯環控制的系統中,單片機作為計算中心,根據速度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器等收集到的模擬信號,經過 A/D 接口轉換成數字信號,進行計算;其輸出結果再經 D/A接口轉換成模擬信號來控制閥門的開度來實現壓力和流量的調節,一般利用溢流閥來保證壓力的恒定、電動球閥控制流量變化.在 PID 控制系統中,控制器將實際壓力與設定壓力的偏差量經過比例、積分、微分計算得到電壓輸出量,調節比例閥開度,實現穩壓控制;系統仿真效果良好,但要想得到準確控制,還需要通過試驗對系統進行完善.模糊控制是將噴藥目標模糊化,控制噴藥量滿足模糊化后的目標量實現變量噴藥.該控制系統未涉及壓力是否恒定問題以及針對恒壓問題采取的措施.國外的變量噴藥控制基本都是針對不同的施藥量區域改變噴藥流量,但在流量變化情況下噴藥壓力是否恒定及霧化效果是否改變沒有進行專門試驗研究.

4 結語

本文對當前國內主要的變量噴霧控制技術\\(壓力式、PWM 控制、滯環控制、PID 控制、模糊控制\\)和國外的一些變量噴霧控制做了總結和概括.通過對當前國內外變量施藥控制技術研究現狀的分析可知:我國精準噴藥技術取得了長遠的發展,變量精度在不斷提高;但對于在變量過程中壓力不穩的現象,國內外的變量噴藥控制系統沒有做出重點研究.對于該問題,有的控制系統沒有考慮,有的是通過溢流閥來調節控制,不夠精確.PID 控制技術對恒壓控制做了比較深入的研究,但只是在理論和系統仿真方面得以論證,沒有進行詳細的試驗數據支持,還需要進一步完善.

噴藥壓力的恒定對噴藥質量和霧化效果起到非常重要的作用,在以后的變量施藥控制技術的研究中,應把壓力恒定問題作為一項技術重點,探索出一條恒壓變量施藥新方法.

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