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。     

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.     

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。     

脉宽调制型变量喷雾系统雾量沉积分布

通过实验和理论分析建立了雾量分布模型,研究了雾量分布规律。研究表明:喷杆方向沉积变异系数在两喷头之间出现最低,而在两喷头正下方出现极高值;行驶方向的沉积变异系数沿着一定规律周期性变化,其周期与占空比相关;在相同压力的情况下,同一喷头的行驶方向及喷杆方向沉积变异系数的峰值均随着车速的提高而上升,随占空比的上升而下降;在研究范围内(40~60cm),变异系数的峰值随喷头高度的升高而降低;若车速和占空比均相同,110°扇形喷头的雾量分布较80°扇形喷头在时空方向上都更加均匀。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

圆锥形喷头喷雾二维分布均匀性试验研究

喷雾均匀性是喷头性能的重要指标之一,针对圆锥形喷头设计了正交试验,通过直观分析、方差分析和回归分析的方法,研究了喷头类型、喷雾压力、喷头高度对分布变异系数的影响。在喷雾均匀性自动化检测装置上完成试验,结果表明:3个因素的影响显著性由大到小的次序为喷头类型(T)、喷头高度(H)、喷雾压力(P);最优组合为:喷头类型TeeJet D5,喷雾压力0.3MPa,喷头高度250mm。     

山地果园管道自动喷雾系统设计与试验

基于管道的自动喷雾技术及设施可以解决山地果园植保作业中喷雾作业效率低、劳动强度大、移动式喷雾机械难以进入的问题。本研究设计了适用于山地果园的管道自动喷雾系统,主要包括喷雾首部、喷雾管道、自动喷雾控制器及喷雾小组等结构,计算了山地果园管道药液压力损失,研制了自动喷雾控制器,并开发了控制程序。喷雾作业时,喷雾首部将药液经管道引入果园,利用自动喷雾控制器控制电磁阀,逐次打开或关闭喷雾小组,实现手动控制或自动控制喷雾。为确定电磁阀持续开通时间,进行了喷雾有效性试验。结果表明,控制喷雾小组的电磁阀持续开通8 s即可保证喷雾的有效性;采用这种管道自动喷雾设施的喷雾作业效率为2.61 hm²/h,与人工喷雾相比,提高了喷雾作业的效率。本研究可为山地果园的喷雾技术及智能施药设施的研发提供参考和思路。     

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.     

脉宽调制型变量喷雾控制ECU设计与分析

提出一种脉宽调制型变量喷雾ECU设计方案，设计包含通讯单元及控制单元，通讯单元通过CAN总线可与拖拉机上配置的控制器直接联系；控制单元则利用斩波横流电路提高了系统电磁回路的响应速度。利用EDA手段并结合实验，对控制单元的斩波横流电路进行了分析和研究。结果表明使用斩波横流电路使电流上升时间为4．5ms，下降时间为9ms，并使流量随占空比线性增加。     

基于模糊控制的车速跟随变量喷雾系统设计与试验

针对目前大田宽幅机械变量喷雾精准化程度低、农机车速变化对喷雾效果影响考虑不充分的问题,为了提高精准施药、施肥能效,基于3WF-1000型喷杆式喷雾机,设计了一种自适应跟随车速的变量喷雾系统。该系统采用传感器实时采集农机行进速度、出水管流量与压力、药箱液位高度等信息,运用Bisector模糊控制算法优化控制策略,实现了比例阀阀门变化角度的动态控制,达到了对出水管流量精准调控的目标。为验证Bisector模糊控制算法应用于本系统的优越性,利用Matlab构建仿真模型,与PID算法、Centroid算法对比分析,Bisector模糊控制算法在调节时间、超调量、稳态误差方面均表现优越。田间试验过程中,进行了非行走设定车速、恒定车速跟随、动态车速跟随以及单位面积喷雾量试验,结果表明,3种车速运行状态,变量喷雾系统适应扰动达到稳定运行的调节耗时分别为13.4、27.6、17s,单位面积喷雾量的最大绝对误差比率分别为1.20%、2.27%、2.87%,能够满足大田精准施药的精度要求。     

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。     

基于模糊控制的车速跟随变量喷雾系统设计与试验

针对目前大田宽幅机械变量喷雾精准化程度低、农机车速变化对喷雾效果影响考虑不充分的问题,为了提高精准施药、施肥能效,基于3WF-1000型喷杆式喷雾机,设计了一种自适应跟随车速的变量喷雾系统。该系统采用传感器实时采集农机行进速度、出水管流量与压力、药箱液位高度等信息,运用Bisector模糊控制算法优化控制策略,实现了比例阀阀门变化角度的动态控制,达到了对出水管流量精准调控的目标。为验证Bisector模糊控制算法应用于本系统的优越性,利用Matlab构建仿真模型,与PID算法、Centroid算法对比分析,Bisector模糊控制算法在调节时间、超调量、稳态误差方面均表现优越。田间试验过程中,进行了非行走设定车速、恒定车速跟随、动态车速跟随以及单位面积喷雾量试验,结果表明,3种车速运行状态,变量喷雾系统适应扰动达到稳定运行的调节耗时分别为13.4、27.6、17 s,单位面积喷雾量的最大绝对误差比率分别为1.20%、2.27%、2.87%,能够满足大田精准施药的精度要求。     

农药喷雾试验研究的现状

总结了近年来国内外有关农药精确喷施的主要研究内容及其在农业工程领域中的应用情况,指出了农药精确喷雾的主要特点及影响因素,并提出了对该领域进一步研究的几点建议。     

喷杆运动与喷雾沉积分布变异系数关系试验研究

喷杆式喷雾机被广泛用于作物病虫草害的防治和液态化肥的喷施,可以增大农作物的产量;然而,喷雾机在起伏不平的田间行驶时,地面起伏会导致喷杆发生无规律运动。为了探明喷杆运动对喷雾沉积分布的影响规律,通过在喷杆末梢安装超声波测距传感器和加速度传感器,测量喷杆的滚转运动及垂向振动加速度,同时在田间布置水敏纸,测量沿着喷杆方向和行驶方向的雾滴分布均匀性变异系数。使用双GPS辅助的惯性测量系统获取喷雾机底盘的运动姿态和运动轨迹,将测得的喷杆运动与水敏纸测得的沉积分布量对应起来,通过对试验数据分析车体晃动、喷杆运动、喷雾分布变异系数之间的关系。结果表明:对无减振悬架的喷杆喷雾机底盘晃动越剧烈,喷杆的不规律运动及弹性变形越大;A组覆盖率试验采样位置处喷杆两侧高度差374mm,对应的横向喷雾分布变异系数为80.38%;B组位置处喷杆高度差118mm,对应的横向喷雾分布变异系数为65.48%;喷臂两侧高度差越大,雾滴分布的变异系数越大。同时,喷雾机垂向振动加速度比前进方向的加速度大,喷杆垂直面内的振动较大,导致测得的沿喷杆方向的雾滴覆盖率变异系数大于行驶方向的变异系数。     

实时混药式变量喷雾药液均匀性试验

实时混药式变量喷雾是依据作物对药液浓度的需求进行喷雾,对节约农药、减小污染有积极效果,而混合液的均匀性对喷药效果有重要的影响。依托3WY-A3型喷雾机完成了四喷雾头和单喷头的实时混药实验;为提高混药均匀性设计了药液混合器,并为之进行了混药对比实验。实验表明,无混合器时浓度均匀性稍低,最大平均相对偏差为±9%;使用混合器时药液的均匀性得到明显提高,最大平均相对误差为±3%,并达到均匀混液的要求。     

喷雾机械的喷雾均匀性试验研究

文章通过试验研究,分析了喷头的喷雾均匀性及其影响因素。借助由哈尔滨博纳科技有限公司开发研制的喷雾性能综合试验台,通过试验平台测试了变量喷雾喷头的喷雾均匀性;研究和测试影响变量喷雾喷头喷雾分布均匀性的主要因素和变化规律;对影响系统喷雾分布均匀性的几个主要因素通过正交试验进行了相应水平的试验测试,进行了标准偏差的分析和比较;最终产生了影响喷头喷雾均匀性各主要因素不同水平的最优组合。