喷嘴直接注入式农药喷洒系统控制方法研究

为了实现农药变量喷洒,准确计量和控制农药的注入速率和注入量很有必要。提出了一种喷嘴直接注入式系统(DNIS)原型,并在此基础上研究了农药喷洒量的控制方法。该系统应用快速响应电磁阀(RRV)向水中注入农药,RRV由100 Hz的脉宽调制(PWM)信号驱动,通过改变PWM信号占空比调节农药注入速率。试验室环境下设计了基于比例-积分-微分(PID)算法的闭环控制策略,将农药注入速率快速稳定在设定值。通过试验测试了RRV、DNIS系统和PID控制器的工作性能。试验结果表明,采用RRV可准确计量农药注入速率,闭环控制策略可获得较稳定的农药速率控制效果,农药注入速率可在4 s内达到设定值,注入速率的稳定性相对于没有控制策略有明显提高。     

基于PWM技术的连续式变量喷雾装置设计与特性分析

使用电磁比例调节阀,开发了脉宽调制(PWM)连续式变量喷雾装置,并研究了此种变量喷雾装置的喷雾特性.结果表明:流量调节范围较宽,平口扇形喷嘴的流量调节范围达7:1;当减小占空比,以减小流量时,显著改变了喷雾发散度,雾量分布明显向中央集中,喷雾角变小;流量控制对雾滴粒径影响很小,随着流量减小,雾滴粒径稍有减小的趋势.     

电磁阀异步启闭的PWM喷雾系统设计与试验

PWM变量喷雾是国内外精准农业领域的研究热点，但PWM变量喷雾过程中电磁阀的快速启闭在管路内易形成压力脉冲，致使喷头喷雾压力发生变化，导致喷雾质量下降。为了降低压力脉冲，设计了一种相邻电磁阀异步启闭的PWM喷雾系统，由移动底盘、药箱、隔膜泵、稳压罐、PWM控制器、电磁阀及压力表等组成，通过延时控制，实现电磁阀异步启闭。在室内无风环境条件下，探究了喷雾系统电磁阀前管路内压力波动特性和沉积量分布均匀性。试验表明：与电磁阀同步启闭的PWM喷雾系统相比，电磁阀异步启闭可有效降低管路内压力峰值，不同PWM频率工况条件下，50%占空比时降幅最大，降幅最高为14%;20Hz频率条件下，异步启闭PWM喷雾的沉积量分布均匀性变异系数略高于常规连续喷雾，但均小于15%。上述结果符合喷杆喷雾机技术性能国家标准。     

基于卡尔曼滤波的PWM变量喷雾控制研究

构建了一套可采集测量喷头喷雾压力数据的PWM变量喷雾实验平台,通过喷头压力与流量关系特性,经卡尔曼滤波算法得出喷雾瞬时流量数据,并对其积分得到喷雾流量。设计了一种自动分段线性拟合方法将滤波后得到的喷雾流量与PWM信号占空比相关联,最终建立PWM喷雾流量模型。在喷雾压力为0.2、0.3和0.4 MPa条件下,对各喷雾流量模型进行喷雾流量控制精度实验,实验表明3种压力条件下所建立的PWM喷雾流量模型决定系数R2均在0.995以上,喷雾流量控制误差在±6%范围内,说明该方法可以为快速、在线建立喷雾控制模型提供参考。     

基于BOOST电路的电磁阀流量控制器设计与试验

精准施药过程中变量喷雾电磁阀对流量的控制起着至关重要的作用。为了提高电磁阀工作的线性区间,设计了由单片机、脉冲宽度调制(Pulse width modulation,PWM)发生器和电磁阀驱动电路组成的电磁阀流量控制器。该控制器利用电磁阀的电感特性,将BOOST电路和传统的电磁阀驱动电路相结合,为储能电容提供高电位电能。采用双电压驱动的电磁阀,无需额外的电源电压转换电路,通过对电磁阀高频通断工作模式的精准控制,实现了高电压打开、低电压高频率维持导通,关闭时快速释放能量。测试了改进前后不同压力(110、180、250、320、390 k Pa)和不同占空比(3%～97%)下的流量。结果表明,5种压力下,改进后的流量线性区间分别从10%～92%、10%～92%、10%～92%、10%～92%、8%～92%提高至4%～92%、4%～94%、4%～94%、4%～94%、3%～94%。与未改进的方法相比,设计的基于BOOST电路的电磁阀流量控制器适用于更宽范围的流量线性区间。     

基于PWM的农药变量注入控制系统设计与试验

针对目前农药定量喷洒技术的缺陷,设计了一种农药注入式管路混合的变量喷洒控制系统.该控制系统利用单片机通过脉宽调制方式,对蠕动泵(直流电机)进行控制,实现纯药量精确输出,再利用限流阀控制单位时间水的通过量,二者在管路中混合实现浓度匹配.用户在使用时,只需通过键盘输入单位面积喷洒药量,控制系统会通过预先设计好的算法,得到驱动蠕动泵(直流电机)工作的占空比值,便可控制电机的转速.同时,控制系统不断通过采样电机转速和车速对实际喷洒药量进行校验控制.     

变量混药系统的研究

针对传统预混式混药方式和现有射流混药系统、静态混药系统等在线混药系统存在的问题,设计了由电磁计量泵、比例溢流阀、单向阀所构成供药回路,配合打药机的主供水回路,形成农药注入计量系统,可按实际混药需求相应控制药、水流量,达到在线精确混药的目的。对设计的混药系统在喷雾性能综合试验台进行混药试验,结果表明:在理论喷雾压力0.3～0.5MPa范围内,可精确满足1:1～1:100范围内的稀释倍数,能实现较大的混药比,混药比稳定;在不同作业条件下,流量总体误差小于5%。     

基于靶标叶面积密度参数的变量喷雾控制系统开发与性能试验

变量喷雾技术是提高农药利用率、节省农药用量的重要手段之一。为达到果园施药减量增效的效果,本研究开发了一种变量喷雾控制系统,提出了叶面积密度参数与执行机构脉宽调制（Pulse Width Modulation,PWM）占空比的计算方法。该系统上位机基于激光LiDAR传感器探测的点云密度表征叶面积密度作为施药参数,并根据喷药处方计算各喷头对应电磁阀的PWM占空比,通过RS485通讯实时发送施药处方到下位机的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC）,下位机PLC根据接收的PWM占空比控制对应电磁阀的开关频率实现喷头喷雾流量的调节。通过试验测量了施药单元网格尺寸、系统延时时间以及PWM占空比与喷头流量之间的模型参数三部分关键系统参数。结果表明在0.2、0.3和0.4 MPa压力下PWM占空比与喷头流量之间均为线性关系,线性拟合优度均在0.98以上。最后,通过喷雾试验验证变量喷雾样机的有效性,试验结果表明,采样点水敏纸上单位面积（cm²）最少雾滴个数为35滴,达到了有效喷雾效果;当靶标冠幅与总冠幅比为39.9%时,变量喷雾模式相比于连续恒定式喷雾省药71.96%,相比于对靶开关式喷雾省药29.72%,达到了减量效果。     

基于PWM变量喷雾的单喷头动态雾量分布均匀性实验

为研究PWM变量喷雾系统的动态雾量分布均匀性特点,以胭脂红溶液为喷雾试剂,在输送带上放置矩阵式集雾穴盘收集雾滴,采用浓度-吸光度法测量雾量沉积浓度,对单个喷头分别测试了不同PWM频率、PWM占空比和喷雾压力对总体区域、喷雾前进方向和喷杆方向上雾量分布均匀性的影响。研究发现,相较于喷杆方向,PWM频率对单喷头在喷雾前进方向上的雾量分布均匀性影响更大,某一速度条件下PWM频率的最小值应至少保证喷雾的连续性,且无需过大,从而保证电磁阀的使用寿命;当PWM占空比增大到一定值使喷雾流量基本稳定时,PWM占空比的继续增大可同时提高单喷头在喷雾前进方向和喷杆方向上的雾量分布均匀性,而在PWM占空比增大到该定值之前,仅对喷雾前进方向上的雾量分布有明显影响;在雾化效果较好的前提下,喷雾压力对单喷头在喷雾前进方向和喷杆方向上的雾量分布均匀性均有较大影响,且影响效果相反,主要因为随着喷雾压力的增大,雾量更多地向喷杆方向上的两侧和喷雾前进方向上的中间聚集。     

基于激光扫描成像系统的一种农药喷洒方法

提高农药的利用率、降低污染，一直是农药喷洒技术的一个发展方向。为此，从分析传统农药喷洒方法入手，阐述了传统方法污染大、浪费严重的弊端，并在论述激光扫描成像系统原理的基础上，介绍了一种利用该成像装置的机载农药喷洒方法。有关实验数据表明，该方法具有节约、环保、高效等优点，具有极好的推广应用前景。     

PWM变量喷雾喷头流量模型

基于脉宽调制(PWM)的变量喷雾控制中,尤其对喷头进行独立控制时,喷头流量模型不可或缺。设计了能够精确控制喷雾压力,便捷设定PWM参数的试验平台,并使用该平台进行了二次回归正交试验,针对TEEJET AITXA 8002型、8003型和8004型喷头分别建立了喷头流量模型。参数检验和失拟检验表明喷头流量模型合适。模型普适性试验表明,8002型喷头模型最大相对误差为7.05%,最小相对误差为0.14%;8003型喷头模型最大相对误差为7.27%,最小相对误差为0.31%;8004型喷头模型最大相对误差为7.94%,最小相对误差为0.71%;模型计算流量和实际测量流量具有很好的一致性。     

可变喷嘴涡轮增压器电液控制阀仿真与实验

根据AVNT控制系统组成及工作原理,建立凸轮位置反馈式AVNT阀的数学模型,分析了控制系统的稳定性和电流-转角特性.仿真结果表明,由幅值裕量、相位裕量和响应时间可知控制系统稳定且具有较好的动态性能.AVNT阀安装到涡轮增压器上,通过曲柄轴转角随输入电流变化的实验,验证了仿真模型的可行性.     

脉宽调制型喷头电磁阀内流动数值模拟

脉宽调制型喷头广泛用于变量喷雾中,其流量的变化主要通过电磁阀在一定时间内开启和闭合来实现的,利用CFD软件对电磁阀内部流动进行数值模拟,研究电磁阀内的流动特征。结果表明,电磁阀开启瞬间出口处会形成负压,产生气体回流,延时期会有倒吸气体排放,影响雾化质量,同样关闭延时期也会产生雾化不完整的情况。电磁阀开启状态时,出口压力等于入口压力,当刚开启和关闭时,流量和压力达到峰值。另外在电磁阀刚开启和闭合过程中,伴随有涡旋运动的产生、发展和输运的复杂过程。     

PWM间歇喷雾式变量喷施控制器设计与测试

为实现基于脉宽调制(PWM)间歇喷雾的流量调节式变量喷施控制,以DSP56F805数字信号控制器为核心,设计了一种PWM间歇喷雾式变量喷施控制器.控制器有单机和联机两种工作模式,可输出12路独立调节的PWM信号,实时检测喷雾机组前进速度、隔膜泵输入轴转速、喷杆压力和喷施流量,并采用预测比例控制方法,通过比例溢流阀在线调节喷杆压力.将控制器安装到一台经过改装的商购喷杆式喷雾机上,构建了一套PWM间歇喷雾式变量喷施系统,并进行了系统测试.测试结果表明:PWM信号有效频率小于等于5 Hz、流量调节范围大于10,喷雾机组前进速度检测误差在±0.1 km/h范围内、隔膜泵输入轴转速检测误差在±1.5 r/min范围内、喷杆压力检测误差在±0.01 MPa范围内、喷施流量检测误差在±0.05 L/min范围内,经2 s调节后喷杆压力调节误差在±0.01 MPa范围内.     

PWM间歇喷雾变量喷施系统中的压力损失和液压冲击

在PWM间歇喷雾式变量喷施系统中,流量变化会引起喷杆各管路中的压力损失的变化,电磁阀的快速启闭会在管路中形成液压冲击,致使各喷头的实际喷雾压力发生波动,导致其喷施流量和雾化特性出现畸变。为揭示其管路压力损失的变化特性和液压冲击特性,构建了一套PWM间歇喷雾式变量喷施系统,并对其进行了流体动力学分析,确定了不同喷雾流量下的管路药液流态,建立了压力损失和液压冲击的计算模型,分析了0.3 MPa设定喷杆压力下的管路压力损失变化范围和液压冲击幅度,并进行了实际试验测试。结果表明:在0.3 MPa设定喷杆压力下,同一喷头前端管路的压力损失的变化幅度可达140 kPa,不同喷头间的实际喷雾压力差异可达25 kPa,由于电磁阀快速启闭而引起的液压冲击幅值可达170 k Pa。     

直喷式柴油机喷油特性的测试分析

为分析柴油机的燃烧过程和性能，在喷油泵试验台上用W．Bosch长管法研究了喷油过程。介绍了试验装置和原理，分析了测试精度。试验结果表明：喷油管内气泡产生与压力波尾部形状有关；长管内残余压力很低，燃油声速接近理论声速；喷油率图近似于梯形，燃油喷射呈“先急后缓”的特征；喷油压力、喷油始点、喷油持续角和喷油率均取决于柴油机转速和负荷。     

不同喷孔夹角的直喷柴油机涡流室燃烧系统性能分析

为改善燃烧室内喷雾的空间分布,增强气流运动,促进油气混合,基于前期研究提出的新型直喷柴油机涡流室燃烧系统,对146°、150°、154°喷孔夹角的3种不同喷油嘴在燃烧室内的喷雾、混合气形成与燃烧过程进行了数值模拟.结果表明:从燃空当量比总体分布来看,采用146°喷孔夹角时混合气最均匀.燃烧涡流和逆挤流对速燃期的燃烧室内温度分布有较大的影响.154°喷孔夹角的NO排放量最低,而146°喷孔夹角的碳烟排放量最低.综合来看,150°喷孔夹角有较好的排放性能.     

高压喷射条件下非常态燃油喷嘴内部空化流动特性

为了改善柴油机喷嘴出口处燃油液滴的破碎状态并增加初始湍动能,采用了180 MPa的高压燃油喷射。推导了受高压喷射影响时非常态燃油各个物性参数与压力之间的关系。搭建了高压定容器喷雾闪光摄影试验台架,在AVL FIRE软件平台上建立了喷油嘴喷孔内部流场的三维CFD模型,通过喷雾测试结果对仿真模型进行了修正。分析了喷孔内部气液两相流场的三维流态以及空化流动特性。结果表明,非常态燃油物性参数的变化有利于增强空化效应;增大燃油喷射背压对孔内的空化效应具有抑制作用;随着喷孔直径增加,燃油高速区域扩大,空化效应增强;增大喷射夹角也有利于增强空化效应,但效果不明显。     

缸内直喷式天然气发动机的试验研究

进行了由一台汽油机改造成单一燃料天然气发动机的总体设计,着重论述了发动机的电子控制系统。发动机性能试验结果表明,其最大功率和最大转矩都与原汽油机相当,而HC和CO排放量则比原机有显著的降低。