PWM变量控制喷头雾化特性研究

为研究基于高频电磁阀的变量喷雾系统对不同喷头的喷雾特性的影响,选取Lu120-02扇形、TR80-02型锥形和AD120-02型防漂3种不同喷头,采用基于高频电磁阀的变量喷雾系统,通过改变脉宽调制(PulseWidth Moderation,PWM)控制信号,测试了不同喷头在不同频率和占空比下的流量和雾滴粒径。结果表明:在高频信号下,3种不同类型的喷头流量和占空比均呈线性变化趋势,且和频率呈正相关性; AD120-02型喷头流量调节倍数在相同测量条件下均大于其余两种类型喷头,在10Hz达到最大调节倍数2.01倍; 3种喷头的雾滴的体积中值中径和控制信号的占空比、频率呈负相关性趋势变化; TR80-02号喷头雾滴分布相对跨度和粒径变化幅度均最小,其雾滴分布展现出最好的稳定性和均匀性。     

果园对靶喷药控制系统的设计及试验

针对目前果园喷药作业现状,设计了果园对靶喷药控制系统。该系统根据霍尔(测速)传感器实时检测拖拉的行驶速度,采用红外传感器列阵探测果树树冠,根据靶标检测信息和行驶速度来控制电磁阀的频率与占空比,从而调节喷头流量,实现了基于果树树冠检测的对靶变量施药。室外对靶施药试验结果显示:在传感器探测范围内,果树靶标识别率100%,喷药覆盖率100%;当拖拉机速率不超过1.16m/s时,对于同一靶标区域,速度几乎不影响靶标的检测宽度;同等条件下,速度越大,喷药宽度的相对误差越小。     

基于超声靶标探测的果园变量喷药控制系统设计

开发了一套基于超声波靶标探测的果园变量喷药控制系统,采用超声波传感器列阵探测果树靶标,通过对调压阀的PID调节来稳定管道压力,通过高压电磁阀的PWM驱动来调节喷头施药量,实现了果园对靶变量施药。喷药主控制系统以西门子S7-224XP作为控制核心,电磁阀驱动模块控制核心采用mega16单片机,二者通过485总线进行数据交互。果园施药试验结果表明:系统可以在一定程度上稳定管道压力,并根据果树靶标探测数据实现了变量施药,单喷头流量调节最大误差为9.5%。     

脉宽调制间歇喷雾变量喷施系统施药量控制

采用6013型直动式高速电磁阀、TR80-05型圆锥雾喷头、DBEE6-1X/50型先导式比例溢流阀和自制的PWM变量喷施控制器,设计了一套PWM间歇喷雾式变量喷施系统.就隔膜泵输入轴转速、喷头位置、喷雾压力、PWM控制信号频率和占空比等因素对喷头喷雾流量的影响进行了试验测试,采用单因素线性拟合法建立了0.2、0.3和0.4 MPa喷雾压力下TR80-05型圆锥雾喷头的喷雾流量计算模型,得出了相应的施药量控制模型,并对整个PWM变量喷施系统的施药量控制性能进行了试验测试.测试结果表明:喷雾流量受喷头位置和PWM控制信号频率的影响很小,而受喷雾压力和PWM控制信号占空比的影响很大;在启用喷雾压力稳定控制功能的情况下,隔膜泵输入轴转速对喷雾流量的影响很小;在该电磁阀与喷头组合下,系统流量调节范围约为10∶1;当目标喷雾流量大于等于0.3 L/min时,喷雾流量控制误差在±4％范围内;整个系统的施药量控制误差在±6％范围内.     

基于模糊PI控制的变量施药系统设计与试验

针对国内现有农田喷药机的定量施药方式,设计了一套基于模糊PI控制的变量施药系统。该系统采用多传感器实时采集喷药机车速、流量、压力等参数,并以此为控制依据,通过改变比例阀开度实时调整管道内药液流量,同时控制多组喷头的开闭。该系统采用主路流量调节方案,5组开关电磁阀控制多组喷头。喷药机喷头流量控制试验与田间喷药试验结果表明,单个喷头流量误差＜2.5%,模糊PI控制优于传统PI控制,田间喷药误差＜2.2%。      

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控制的变量喷药技术体系及流量控制试验研究

以精准农业技术理论和研究为基础,讨论了我国喷药实施现状,分析了传统喷药技术的弊端,并提出了基于国产变量喷药机的PWM变量控制技术.变量控制系统包括脉宽调制(PWM)电磁阀、变量控制器及以地理信息系统为核心的变量实施上位计算机.通过试验证明,采用PWM方法实现变量喷药,流量控制范围可达到4:1,基于PWM的变量喷药控制方法符合变量喷药机对流量控制要求.     

多回流式变量喷药控制系统设计与试验

针对目前大型宽幅喷药机在喷药过程中施药方式不合理、控制方式单一等问题,在3WP-1200型喷杆式宽幅(22 m)喷药机基础上,设计了一种多回流式变量喷药控制系统。该控制系统可根据喷药机行驶速度来调节比例控制阀,通过改变回流口的开口度来改变喷药流量,实现变量喷药。该控制系统分5路控制所有喷头,每一路可单独控制开断,一路或几路断开的同时可打开相对应的回流口,使系统在不改变流量的情况下,其余喷头喷药量不变;多回流式的控制方法使系统压力更稳定,控制精度更高。同时设计了该系统的硬件和软件,并对该控制系统进行了液位标定与喷药精度试验。液位标定试验中,对不同液位对应的药液容积进行了标定,其标定模型决定系数R2为0. 994;流量控制精度试验中,单个喷头的目标流量与实际流量相差不大,其相对误差不大于4. 1%;喷药量控制试验中,喷药流量可随速度变化而变化,但其设定喷药量与实际喷药量相差不大,相对误差在6%以内,实现了变量喷药,且控制精度较高。     

基于PWM调速的变流量喷药系统

针对目前便携式和手推式喷药机的不足,设计了可变流量的喷药控制系统.采用控制器调节PWM,控制电机转速,从而控制喷药系统的流量,实现根据实际需要对喷药流量的精确控制.在相同试验条件下,通过设置不同占空比和频率,做了流量的相应试验.试验和实际运行结果表明,该系统运行可靠,自动化程度高,有利于对喷药技术的改进,适用于便携式喷药机和手推式喷药机.     

PWM变量喷雾系统动态雾滴分布均匀性实验

由于PWM变量喷雾作业过程中喷头不连续作业,喷雾的均匀性特别是喷雾机运动方向上的均匀性较难控制,为此通过高速电磁阀、不锈钢压力罐、压力传感器、气泵、调速输送带等构建了一套动态PWM变量喷雾实验平台,并对该平台动态喷雾雾滴分布特性进行实验研究。采用水敏试纸作为获取动态雾滴分布状态手段,通过图像处理技术以区域内雾滴覆盖率的变异系数作为动态雾滴分布均匀性判定指标,评估了在不同PWM控制信号频率、不同PWM控制信号占空比及不同喷雾压力下的单个喷头动态雾滴分布均匀程度。经实验表明,变异系数随控制信号占空比的增大而减小,控制信号频率对动态喷雾雾滴分布均匀性有较大影响,变异系数随控制信号频率增大而减小,喷雾压力对变异系数影响较小,喷雾压力越大变异系数越大。     

温室轨道施药机器人系统设计

针对温室人工施药效率不足,且容易中毒的现状,设计开发了温室轨道施药机器人系统。结合探测、限位传感器输入信号及输出执行元件的特点,系统采用三菱PLC作为控制核心,控制移动搭载平台、电机、电磁阀及药液泵等各个部分,通过探测传感器定位作物行,调控PWM波占空比实施变量施药作业,从而实现温室自动化精准施药。实验结果表明:机器人定位准确率高,喷头流量与PWM占空比呈正相关,随着施药距离的增加,药液沉积量呈递减趋势;系统操作简单,自动化程度高,可以有效提高温室施药工作效率和农药利用率。     

基于DSP和单片机的实时变量喷药系统设计

为防治玉米农田杂草危害,设计了一种基于DSP识别和单片机控制的杂草实时变量喷药系统。数字信号处理器(DSP)实时数据处理能力强,单片机控制能力强。DSP作为喷药系统上位机图像处理模块的CPU,对田间玉米杂草图像实时采集、处理,分离出杂草,生成杂草位置信息表,发送给作为系统下位机控制模块CPU的单片机;单片机通过电磁阀控制6个喷头的开闭实现精准变量喷药。田间试验表明:系统在室外田间复杂情况下可以满足实时精准喷药要求,在作业机械速度为4km/h时,喷药精确度可以达到91.4%。     

大型喷灌机喷头PWM变量脉冲的实现

独立喷头变量喷灌(IS-VRI)能够实现更精细化的地块管理,提高水资源利用率。目前,针对IS-VRI的研究多集中于流量分配及分解算法,考虑分配和分解结果的具体执行,给出了对大型喷灌机上众多喷头进行独立PWM变量控制的具体实现。首先,结合大型变量喷灌机存在的复杂解算与实时控制并存、受控电磁阀分布跨度大且数量多,以及行走约束等实际情况,介绍了由无线透传中继有线的串行总线构成的分级分布控制系统;然后,基于该系统,给出从机发出多路独立PWM脉冲的硬件设计和软件处理流程;最后,从大型喷灌机整体性能角度,阐述采用在一个计量周期中配置不同占空比的PWM脉冲来取得均化后较低的变量比下限和变量比分辨率的方法,且针对PWM脉冲带来的机械激振和压力脉动,给出了站间错相和站内错相两种缓解措施。通过实物实施,验证了所述系统和方法的正确性和有效性。     

基于PWM技术的比例电磁阀的控制方法

精细农业是现代农业发展的必然趋势,施药方面通过深入研究变量喷雾技术,来提高农药利用率、减小环境污染等问题。本文在研究比例电磁阀等效电路模型的基础上,设计一种通过脉宽调制(PWM)技术控制比例电磁阀阀芯开口的方法。通过产生一定频率的PWM信号,在不改变频率的前提下调节该PWM波的占空比,获到适当的输出电流,然后将电流放大加载到比例电磁阀线圈上,进而控制管路内流量变化,最后得到不同的雾滴粒径和速度。根据植株病虫害的具体情况,调节系统参数,提高雾滴沉积率,改善喷雾效果。     

基于PWM的远程控制新型变量喷雾系统设计

针对目前地面植保喷雾机械的局限性,开发了一种新型的变量喷雾系统。该系统在保持电动离心喷头压力和流量不变的前提下,采用离心雾化方式,雾化盘由三相无感无刷直流电机带动,利用ARM控制器输出频率固定占空比不同PWM信号作为无刷直流电机电子调速器的油门转速信号,改变雾化盘的转速,从而改变雾滴的粒径大小及覆盖率等参数。该系统采用了一个功率较大的无线收发模块SI4432,最大距离达到2km范围(这也是和其他远程喷雾系统相比根本的优势),用单片机和上位机远程实时地控制雾化盘的转速,同时在上位机和液晶屏幕上显示占空比。最后,利用设计的变量喷雾平台,在喷头压力为0.5MPa、流量为2L/min、雾化盘直径为5 8 mm的条件下,获得了离心雾化喷头在不同的占空比对应的雾滴中值直径和覆盖率大小,通过上位机就可以实现电动离心喷头转速的较大范围的调整,可以在不同喷雾环境下针对不同的农作物使用这套系统。     

PWM控制在喷雾器均匀精准施药中的应用

为了实现喷雾均匀化精确控制,基于PWM控制方式设计了喷雾精确控制系统及其检测装置。采用PWM方式调整喷雾电磁阀开启频率及占空比,实现对于喷雾均匀性的调节,探究PWM占空比和频率对于前进方向上雾量累计程度和均匀性影响。以PWM占空比、频率和前进速度为自变量,分布变异系数为应变量,建立喷雾均匀性模型,并通过统计学方法化简模型,分析模型得到最优化喷雾均匀性时对应的各控制变量。采用重复实验验证模型的可靠性,并采用拟合方法验证模型精度。     

基于嵌入式的喷药控制系统的设计

本文以精准农业研究中的变量喷药分支为基础,提出了一种依据处方图自动调节喷药量的控制方案,该系统以ARM9作为核心控制元器件,通过GPS定位获取当前喷药机的位置,借助压力传感器、流量传感器给出的压力及流量信息与处方图中理想的喷药量进行比对,有效的调节电动阀、电磁阀做出开关的动作,进而控制实际喷药量。系统嵌入Linux操作系统,实时快速的控制各个部件协作运转。该系统的设计对提升农业科技自主创新,提升农业资源利用率,保护生态环境具有一定的参考价值。     

基于PWM的电控精量喷雾控制系统设计与试验

针对现有变量喷雾系统精准化程度低、农药有效利用率低等问题,设计一种基于PWM的电控精量喷雾控制系统。该系统以PIC18F258单片机为核心,主要由上位机、喷雾控制器、电子开关、电控喷嘴体组成。采用HMI串口屏作为上位机,接收用户设置的喷药量,通过CAN总线通讯实时发送到喷雾控制器;喷雾控制器根据接收的施药量计算出对应喷头的PWM占空比,实时调节各个喷头单位时间的通断时间,从而实现喷头的独立控制。为验证系统控制的精确性,在脉冲频率为10 Hz,系统压力分别为0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa时,测量喷雾系统在单个周期内的喷雾时间、系统响应时间以及不同占空比下的喷头流量。试验结果表明：在系统压力分别为0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa下,喷头流量与PWM占空比之间均为线性关系,线性拟合度均大于0.95。电控喷嘴体通断时间误差最大值分别是2.5 ms、2.98 ms、2.9 ms,相对误差最大值分别是6.6%、6.6%、6.8%,RMS误差分别为2.37 ms、2.54 ms、2.27 ms,喷雾系统最大响应时间分别为0.179 s、0.176 s、0.167 s。     

PWM间歇式变量喷雾的雾化特性

采用频率在20Hz以内可调、占空比可调的方波信号驱动开关电磁阀,改变电磁阀门开通和关断的时间,实现了基于脉宽调制(PWM)技术的间歇式脉动变量喷雾.以农业喷施中常用的平口扇形喷嘴为例,从间歇式脉动变量喷雾的流量调节范围、雾量分布、喷雾角、雾滴粒径、雾滴速度及喷雾动态特性随流量的变化规律等方面,分析讨论了PWM间歇式脉动变量喷雾的雾化特性.研究结果是,流量调节范围为4.17;随流量的减小,雾量分布向中央集中的趋势很小,雾滴粒径稍增大,喷雾角、雾滴粒径随流量的变化率分别为0.0433(°)/%、0.616μm/%,影响程度很微小;随流量的减小,雾滴速度基本无变化,动能中值直径(KEMD)和比能(SE)随流量的变化率分别为-0.63μm/%、0.2451J/(kg·%),流量控制对喷雾动态特性的影响也较小.     

微型无人机低空变量喷药系统设计与雾滴沉积规律研究

针对我国施药机械和农药使用技术严重落后带来的农药用量大、资源有效利用率低、农作物产量和品质下降等问题,设计了微型无人机脉宽调制型变量喷药系统,并利用风洞的可控多风速环境,通过荧光粉测试方法对悬停无人机变量喷药的雾滴沉积规律进行了试验研究。变量喷药系统由地面测控单元和机载喷施系统两部分组成,基于Lab Windows/CVI的地面测控软件,采用频率为10 Hz、占空比可调的脉冲信号经无线数传模块远程控制机载喷施系统;机载喷施系统以ARM Cortex-M3系列的STM32F103VC微处理器为核心,接收地面控制信号实时调节电动隔膜泵电动机转速,以改变系统喷雾压力和喷药量,实现变量喷雾调节。悬停风洞试验中,选择了PWM占空比、喷孔直径、电动离心喷头转速等变量,对不同距离和风速条件下雾滴沉积效果进行了试验研究。试验结果表明,风速是影响雾滴沉积效果的最显著因素,雾滴沉积以抛物线形式分布在采集区域,沉积高峰区随风速增加不仅远离喷头,且飘移沉积量逐渐减少;雾滴粒径在风速小于3 m/s时对沉积效果影响不显著,当风速大于3 m/s时,不同粒径的雾滴均发生飘移,飘移沉积量明显减少且沉积范围向远离喷头运动;粒径101.74μm的雾滴更易发生飘移,沉积高峰区集中在距离喷头4 m以外,且飘移沉积量明显低于粒径164.00μm与228.16μm的雾滴。