基于嵌入式PID的噴霧頭結構設計及霧化效果仿真

田 磊，靳繼紅，王明緒

(1.河南工業職業技術學院，河南 南陽 473000；2.焦作師范高等專科學校 計算機與信息工程學院，河南 焦作 454001)

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基于嵌入式PID的噴霧頭結構設計及霧化效果仿真

田 磊1，靳繼紅2，王明緒1

(1.河南工業職業技術學院，河南 南陽 473000；2.焦作師范高等專科學校 計算機與信息工程學院，河南 焦作 454001)

針對噴霧施藥過程中藥物的不合理利用現象，提出了一種噴霧頭結構設計方法，并設計了一種壓力流量自動調控噴霧頭。該方法結合了嵌入式PID控制和遺傳優化算法，將噴頭機械結構設計成空心圓錐霧化噴嘴形式，對壓力和流量調節過程進行遺傳編碼，采用積分和比例系數實現優化控制過程。為驗證所設計噴霧頭噴嘴的噴霧效果，對噴嘴內部流場和外邊噴霧場進行了數值仿真模擬，通過數值仿真模擬計算發現：采用嵌入式優化算法對噴嘴的流量和壓力進行控制，加大了噴霧的面積，增強了霧滴的粉碎程度，實現了均勻的噴藥過程，提高了藥物的利用率，為生態農業的發展提供了技術支持。

農藥噴施；空心圓錐；遺傳編碼；嵌入式PID

0 引言

噴霧施藥技術是農作物病蟲害防治的重要內容，被世界各個國家廣泛關注。當前國際噴霧施藥技術的主要發展趨勢是精細和低量，將藥物精量準確地施加到農作物上是當前施藥技術的發展方向。要實現精準施藥，必須對噴霧頭的結構進行優化設計，最終實現藥物的變流量控制。目前，我國農作物噴藥手動式噴霧的應用十分廣泛，如圖1所示。

圖1 農作物噴霧施藥示意圖

落后的施藥機械與農藥使用觀念導致農藥不合理利用現象極為嚴重，造成在農藥使用過程中經常發生“跑冒滴漏”現象，致使農藥利用率僅為20%-30%，農藥流失率高達70%以上，且農藥分布不均勻高達46.6%以上。藥物如果沒有被合理地利用，不僅會降低病蟲害防治的效果，而且會造成環境的極大破壞，阻礙生態農業的發展。

針對噴霧施藥過程中藥物的不合理利用現象，提出了一種新的噴霧頭結構設計方法，該方法結合嵌入式PID和遺傳優化算法，將其機械結構設計成空心圓錐霧化噴嘴形式，采用嵌入式優化算法對噴嘴的壓力進行控制，增大了噴霧的面積，提高了霧滴的粉碎程度，將農藥均勻的噴施在農作物上，從而最大限度地利用農藥。

1 農用壓力噴嘴結構原理設計

本研究采用壓力噴嘴對農用噴霧頭進行設計，其主要機械結構采用空心圓錐霧化噴嘴。該噴嘴通過在內部流道安裝環形墊片以實現(見圖2右圖)空心圓錐霧化噴霧形狀。實際外形如圖2左圖所示。噴射壓力范圍為0.6～6MPa，流量范圍為6.0～26kg/h, 噴霧錐角2θ=60°～90°。

為了提高噴霧裝置的設計精度，采用PID控制和遺傳算法對裝置的噴霧性能進行優化設計，并采用FLUENT數值仿真模擬軟件對噴霧效果進行仿真模擬。噴霧屬于典型的多相流，牽涉到以液滴形式存在的離散相、液滴周圍氣體介質連續相兩相，其總體設計框架如圖3所示。

圖2 壓力噴嘴噴霧示意圖

圖3 農藥壓力噴嘴設計優化總體框架

其設計過程主要采用PID算法和遺傳算法對噴霧頭的壓力進行調節和優化，采用數值仿真模擬對優化效果進行分析。采用數值模擬方法研究噴霧現象有助于更加深入地認識噴霧機理以及指導實驗過程。數值模擬可以提供完整的流場的局部分析結果，因此可以彌補實驗中因為客觀因素或是人為因素導致的結果不完整等缺陷。

2 基于自適應PID算法的噴嘴優化設計

PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器。本文運用嵌入式PID控制原理實現噴霧壓力的調節過程，主要控制流程如圖4所示。

圖4 噴嘴壓力調節

控制結構總體分為4部分，主要包括輸入部分、輸出部分、遺傳算法控制器和PID控制器，其控制過程如圖5所示。

圖5 嵌入式PID控制器結構示意圖

PID控制器主要包括流量控制環節、壓力控制環節和傳感控制環節，其壓力控制方程為

(1)

其中，kb為積分比例系數；kw為微分比例系數；T為采樣周期；e為計算誤差。將控制誤差可以寫成二進制遺傳序列，則

(2)

(3)

其中，x是一個隨機的實數，且x∈[0,1]。對速度序列進行變異操作，則

(4)

其中，N為一個大的正數；s為n維空間的一隨機方向。嵌入式系統的自適應值和編解碼可以通過編程的方式實現，使用的主要程序如下：

適應值函數

function [sol, val] = gabpEval(sol,options)

nntwarn off

XX=premnmx(XX);YY=premnmx(YY);P=XX;

T=YY;R=size(P,1);S2=size(T,1);S1=25;

S=R*S1+S1*S2+S1+S2;

for i=1:S,

x(i)=sol(i);

end;

編解碼函數

function [W1, B1, W2, B2, P, T, A1, A2, SE, val]=gadecod(x)

nntwarn off;XX=premnmx(XX);YY=premnmx(YY);

P=XX;T=YY;R=size(P,1);S2=size(T,1);S1=25;%

S=R*S1+S1*S2+S1+S2;

for i=1:S1,

for k=1:R,

W1(i,k)=x(R*(i-1)+k);

End end

......

3 農用壓力噴嘴霧化效果仿真模擬

為了驗證壓力噴霧控制數學模型和算法的有效性與可靠性，采用數值仿真模擬的形式對噴霧效果進行分析，選用的氣泡霧化噴嘴模型為外氣內液型，包括液體進口、氣體進口、混合腔、噴嘴出口4個主要結構，如圖6所示。

圖6 噴嘴內部結構

由圖6可以看出：由于混合腔計算域結構規則對稱，所以采用ICEM CFD中的結構化網格劃分方法。網格的劃分形式如圖7所示。

為了提高計算的精度，網格劃分采用六面體結構化網格，并對噴嘴中心側進行加密處理。計算區域的外側網格劃分如圖8所示。

為了提高計算速度，采用內密外疏的網格劃分方法，并在ICEM CFD中分別設置流體進口、注氣孔為進口邊界，噴嘴出口為出口邊界，混合腔壁為壁面邊界。

霧化射流場的瞬態模擬方法中液滴的位置將在每個時間步長內更新。當氣液兩相相互耦合時，液滴位置在每個時間步長內的耦合迭代計算時更新。時間步長設置為0.00001s，計算兩百步后射流充分發展，其形態如圖9所示。由圖9可以看出：數值仿真模擬和實驗的噴霧形態相吻合，從而驗證了數值仿真模擬的有效性和可靠性。

圖7 計算域網格劃分內側

圖8 計算域網格劃分外側

圖9 射流形態模擬圖

為了驗證本文設計的農藥噴霧頭噴霧效果，對不同的噴霧頭機械結構形式進行數值仿真模擬，得到了如圖10所示的仿真結果。其中，1表示本文采用嵌入式PID算法設計的壓力流量自動調控噴霧頭；2表示采用噴頭壓力噴霧噴嘴;3表示采用非壓力噴霧噴嘴。由霧化結果可以看出：本文設計的噴霧頭得到的霧滴最小，霧化效果最好，大大提高了農藥的利用效率。

圖10 不同噴霧頭霧化效果設計

4 結論

1)采用嵌入式自適應算法設計了一種新的流量和壓力可調控的農藥噴霧噴頭。該噴頭的機械結構采用空心圓錐霧化噴嘴的形式，增大了噴霧的噴施面積，提高了農藥的利用效率。

2)噴霧噴嘴的流量和壓力通過PID控制和遺傳算法進行優化設計。嵌入式系統的自適應值和編解碼通過編程的方式實現，提高了噴嘴設計的自動化控制程度，實現了農藥的變流量變壓力控制。

3)采用數值仿真模擬的形式對本文設計的噴霧頭噴嘴的噴霧效果進行了仿真模擬。通過對比分析計算發現：本文設計的噴霧頭得到的霧滴最小，霧化效果最好，提高了農藥的利用率，可以在生態農業的病蟲害防治工程中將其推廣，具有較好的應用前景。

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Atomization Effect Simulation and Structure Design of Spray Heads Based on Embedded PID

Tian Lei1, Jin Jihong2, Wang Mingxu1

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 2.School of Computer and Information Engineering, Jiaozuo Teachers College, Jiaozuo 454001, China)

Aiming at the phenomenon of unreasonable using drug pesticide spraying process, this paper presents a design method of spray head structure, and designs a kind of pressure flow automatic regulating spray head, the method combines the embedded PID control and genetic optimization algorithm, the nozzle of mechanical structure design into a hollow cone nozzle form, to adjust the pressure and flow process of the genetic code, using integral and proportional coefficient to achieve the optimization of process control. In order to verify the effect of the design of the spray nozzle of the spray head, nozzle internal flow field and outside the spray field numerical simulation. Through the numerical simulation calculation, it was found, the nozzle flow and pressure control by using embedded optimization algorithm to increase the spray area, enhance the degree of communication of the droplet. It realizes uniform spraying process, improves the utilization rate of the medicine, which provides technical support for the development of ecological agriculture.

pesticide application; hollow cone; genetic code; embedded PID

2016-01-27

河南省2015年度科技攻關項目(152102110161)

田 磊(1983-)，男，河南南陽人，講師，碩士。

王明緒(1986-)，男，河南唐河人，助教，碩士，(E-mail)34296064@qq.com。

S491

A

1003-188X(2017)02-0103-05