基于模糊PI 控制的變量施藥系統設計與試驗

張成遠， 朱立成， 王瑞雪， 馬 明， 鄭永鑫， 賈曉峰， 徐慶忠

（1.中國農業機械化科學研究院集團有限公司，北京 100083； 2.吉林省農業機械化管理中心，吉林 長春 130000；3.吉林省農業機械研究院，吉林 長春 130028）

0 引言

隨著我國農業的迅速發展，農藥施用量也在逐年增加，2020 年我國水稻、小麥、玉米3 大糧食作物農藥利用率為40.6%，絕大部分農藥都流失到環境中[1]。農藥的長期不規范施用會造成作物對農藥依賴性加強，流失到環境中的農藥造成生態環境的破壞，農藥殘留量超標問題對人體產生危害，因此農藥合理使用是糧食生產需要考慮的重要問題。當前施藥多采用手動植保機械，此類機械作業效率低、安全隱患大，因此有必要開展植保機械的研究，進而提高農藥利用率、減少農藥污染、提高防治效果，是新形勢下現代農業的必然要求[2-4]。

本文設計一種基于模糊PI 控制的變量噴藥系統，可實時監測噴藥機具的流量、壓力、作業速度與液位信息等參數，并根據這些參數實時調整噴藥量，從而實現合理施藥。

1 總體結構設計

當前主流施藥系統作業方式相對單一，無法實時調節噴頭的開閉狀態，因此對作業時行進速度的一致性要求相對較高，可能發生重噴及霧滴分布不均勻的現象[5-6]。在課題組自研噴藥系統的基礎上，結合當前的變量施藥技術，本文設計一種主路節流的可控制多組噴頭的變量噴藥系統，如圖1 所示。

圖1 變量施藥系統組成與管路結構Fig.1 Composition and pipeline structure of variable spraying system

變量噴藥閥組包含手動調節閥與比例電磁閥。藥液在動力輸出隔膜泵的作用下依次流經主閥、過濾器，此時高壓藥液經過手動調節閥發生第1 次穩壓限流，當藥液流經手動調壓閥形成穩定壓力的藥液后，藥液發生分流，一部分經溢流閥回流至藥箱，另一部分流經比例電磁閥，發生第2 次穩壓限流后依次經過流量傳感器、壓力傳感器，最后輸送到噴頭。溢流閥安裝在回流管路上，用于防止藥液壓力過高，保護噴藥系統。流量傳感器、壓力傳感器、北斗測速裝置及液位報警裝置實時監控整機系統工作參數并分別與變量噴藥控制器相連。

本噴藥系統是基于課題組自研懸掛式噴桿噴藥機開發的，噴幅24 m，包含48 個霧化噴頭?？紤]到經濟原因，該系統只采用5 組開閉電磁閥同時控制48 個噴頭的開閉狀態，5 組電磁閥分別控制9、10、10、10、9個噴頭[7]。

2 控制系統設計

2.1 硬件部分

中央控制處理器選用STM32F429IGTb，主要功能是完成對噴霧機車速、流量、壓力信號的處理與計算，對觸摸顯示屏、電控調節閥與5 組開關電磁閥進行驅動及控制算法運行?；诒倍穼Ш较到y測算整機實時位置與速度。選用監測范圍為7.5～135 L/min 的渦輪電磁流量傳感器，最大承壓為6.3 MPa。采用靜壓投入式液位傳感器，檢測范圍為1～10 m。選用電流型壓力傳感器，其檢測范圍為0～2.5 MPa。

變量施藥系統中手動調壓閥與電控調壓閥分別對應手動與自動兩種模式，其中電控調節閥為變量施藥系統的主要調節元器件，控制器通過PWM 信號控制電機改變閥門開度從而改變藥液回流量，進而實現變量噴藥的目標[8-9]。變量施藥系統控制原理如圖2 所示。

圖2 變量施藥系統控制原理Fig.2 Control principle of variable spraying system

2.2 主要參數檢測

2.2.1 速度檢測

速度檢測是通過北斗衛星定位一定時間內機具行進距離差值計算行駛速度的。假設單位時間內北斗衛星檢測到機具分別在A與B點，則噴藥機速度v的計算公式為

式中C-A、B兩點之間距離，km

t1-A、B兩點采集時間間隔，h

R-地球半徑，km，取6 378.134 km

因我國地理位置原因，故經緯度無須特殊處理。由式（1）確定的是A點到B點的平均速度，當t1趨近于0 時，則該平均速度可視為瞬時速度。距離差值由主控解讀北斗GPRMC 報文中的經緯度信息獲得。

2.2.2 流量檢測

電磁流量計內部激勵線圈在導電藥液產生的激勵電流作用下，輸出感應電動勢信號。經由其內部的信號放大變送器將感應電動勢轉換為連續的脈沖信號，計算公式為

式中q1-實際藥液流量，L/min

n1-t2時間內檢測到的脈沖數量

t2-脈沖采樣時間間隔，s

K-儀表常數，取380脈沖/L

2.2.3 壓力檢測

主管路壓力檢測是將液體壓力信號轉化為電信號，通過一個濾波電路與AD 采集模塊實現的，其計算公式為

式中p-壓力檢測值，MPa

D-AD 采樣值，mA

I3-傳感器模擬量輸出下限，取4 mA

R-采樣電阻，Ω

F-AD 采集模塊精度，取12

P1-傳感器測量上限，取2.5 MPa

2.2.4 液位測量

靜壓投入式液位計是基于目標藥液靜壓與該液體高度成正比的原理，采用隔離型擴散硅的壓阻效應，將靜壓轉換為電信號。計算公式為

式中h-液位檢測高度，mm

H1-傳感器檢測高度上限，mm

H2-傳感器檢測高度下限，mm

I1-傳感器模擬量輸出上限，mA

I2-傳感器模擬量輸出下限，mA

I-模擬量檢測值，mA

該傳感器主要為報警作用。

2.3 主程序設計

變量施藥控制系統需要采集機具各項參數，使用模糊PI 調節實現流量控制、數據保存，并顯示在速控觸摸顯示屏上，如圖3 所示。

圖3 噴藥主程序流程Fig.3 Flow chart of main program of spraying

首先系統初始化，然后進行工作模式選擇，如果選擇手動模式則直接認為調控比例閥閥門開度。如果選擇自動模式，則先后讀取液位與管路壓力信息，判斷是否報警，不報警則進入下一步；采集速度信息計算理論流量，然后采集管路流量信息與理論流量作對比并計算二者偏差；將偏差與偏差的變化情況輸入模糊PI控制器，通過控制器修正PI 的參數，繼而控制電機調節比例電磁閥的閥門開度，最后將采集數據打包發送。

3 控制策略與仿真

3.1 控制策略

為了實現按需噴藥的精確變量控制，流量控制閥的輸出流量與閥的開口度和系統壓力兩個參數變量相關，3 者存在非線性關系。根據經驗，變量噴藥系統只需要PI 控制。本文采用模糊PI 控制算法作為變量噴藥系統的控制算法，相較于傳統PI 算法，模糊PI 控制具有調試難度低、魯棒性強、抗干擾能力強的優勢。

模糊PI 控制通過模糊算法設定PI 兩個參數，這兩個參數會隨著外界的干擾進行自我調節，進而適應外界不斷變化的環境，對系統的穩定起到關鍵的作用。

本系統是由觸摸屏向系統輸入作業速度、噴幅與噴藥量后，控制器進行運算得出理論流量，與流量傳感器采集的實時流量做差值運算得到二者的偏差，將該偏差作為系統輸入量，通過模糊PI 控制運算得出控制量，對比電控調節閥的開度進行調節，改變藥液回流量，從而實現實際噴藥量與理論噴藥量不斷接近直到最后保持一致。已知噴頭間距500 mm，理論噴藥量與噴幅、噴頭和作業速度的關系為

式中

q0-理論計算流量，L/min

Q-理論噴藥量，L/畝，1 畝=1/15 hm2

v-機具作業速度，km/h

D-作業噴幅，m

N-作業噴幅內噴頭關閉數量

由于變量噴藥部分一般不需要微分環節，因此在模糊PI 控制中只需要對KP、TI進行模糊化設計，模糊PI變量噴藥系統原理如圖4 所示。

圖4 變量噴藥部分系統PI 控制原理Fig.4 PI control principle of variable spraying part system

變量噴藥部分采集參數眾多，并且大部分傳感器數據需要進行二次處理?？紤]到控制器運算速度，在設計模糊集時設計5 級，即負中（NM）、負?。∟S）、零（ZE）、正?。≒S）、正中（PM）。變量噴藥部分KP、TI兩個參數的模糊規則分別如表1 和表2 所示。

表1 變量噴藥系統KP 模糊規則Tab.1 KP fuzzy rules of variable spraying system

表2 變量噴藥系統TI 模糊規則Tab.2 TI fuzzy rules of variable spraying system

變量噴藥系統偏差e和偏差的變化率ea論域為{-1，-0.66，-0.33，0，0.33，0.66，1}。通過模糊變量確定KP、TI的隸屬度函數，然后代入下式進行計算。

3.2 仿真分析

在MATLAB 的Simulink 中分別建立變量噴藥系統PID 仿真與模糊PID 仿真，如圖5 所示。

圖5 變量噴藥PI 與模糊PI 控制系統對比仿真Fig.5 Comparison and simulation of variable spraying PI and fuzzy PI control system

為驗證系統響應時間、幅頻特性與跟隨能力，對變量噴藥系統控制系統仿真對比輸入階躍信號與正弦信號，響應結果如圖6 和圖7 所示。

由圖6 與圖7 可以得出結論，變量噴藥系統模糊PI 控制與常規PI 控制第1 次達到信號幅值所需時間分別約為180、250 ms，超調量分別在0.2%與0.1%左右。PI 控制算法自接收信號到穩定需要約1 500 ms，而模糊PI 控制算法則只需要800 ms；跟隨特性上模糊PI 控制響應時間多于常規PI 控制，但超調量則明顯小于PI 控制。

圖6 變量噴藥系統階躍信號響應曲線對比Fig.6 Comparison of step signal response curves of variable spraying system

圖7 變量噴藥系統正弦信號響應曲線對比Fig.7 Comparison of sinusoidal signal response curves of variable spraying system

4 變量噴藥系統試驗

試驗分為局部試驗與綜合試驗兩部分，首先驗證噴頭流量部分是否符合植保機械作業精度標準，在其滿足作業要求后，進行田間綜合性能測試，驗證模糊PI控制的優越性。整個試驗用水代替藥液作為試驗介質。

4.1 噴頭流量控制試驗

為更方便獲取流量準確率數據，試驗采用手動模式。根據GB/T 20183.2-2006《植保機械噴霧設備液力噴霧機每公頃試驗方法》要求，首先調節噴藥機動力輸出主軸轉速為540 r/min，然后打開噴藥系統，調節流量開關閥將管道壓力穩定在0.3～0.5 MPa。

根據不同作物生長周期特點與噴藥經驗，施藥量范圍是100～400 L/hm2[10]。試驗時假設作業速度為7 km/h，考慮到噴頭流量的適用范圍，為提高噴藥機“快速多噴”的適應性能，保證作業時安全系數，分別設定試驗流量為30、40、60 L/min，同時設定噴頭關閉組數量為0、1、2、3。在每個目標流量與噴頭關閉數量水平下，用水桶采集任意5 個噴頭1 min 內流出的水，稱量并計算出實際流量，將實際流量與理論流量進行對比分析，結果如表3 所示[11]。

表3 噴頭流量精度對比試驗Tab.3 Comparison test of nozzle flow accuracy

由表3 可知，單個噴頭理論流量與實際流量相對誤差為-2.43%～2.24%，噴頭關閉數目對誤差無明顯影響，符合標準規定的平均誤差＜2.5%的液力試驗標準。

4.2 田間噴藥試驗

本文存在4 個可控因素：作業速度、噴幅內噴頭開閉數量、理論施藥量、控制策略。由于施藥系統本質是機具隨速噴藥，考慮到在作業過程中主要存在兩種作業模式，因此該試驗分為定速試驗與變速試驗。田間性能試驗如圖8 所示。

圖8 田間性能試驗Fig.8 Field performance test

試驗前給藥箱加水，直到達到額定水位；噴藥結束后用上位機讀取緩沖區內液位值計算出實際噴藥流量；設定溢流閥壓力為0.6 MPa，保護管路、開關閥組與噴頭。

4.2.1 定速噴藥試驗

當作業速度過小時，噴藥壓力過低，施藥效果不好，因此試驗速度選取為5～9 km/h，分別讓噴藥機保持在6、7、8、9 km/h 下進行試驗。本試驗性質是4 因素多種水平，考慮到正交試驗成本太高且嚴重浪費資源，故將行駛速度的4 個水平與理論施藥量2 水平逐個匹配完成8 組試驗，噴頭關閉組數平均分布在8 組試驗中，最后以實際流量與相對誤差作為試驗指標，其試驗結果如表4 所示。

4.2.2 變速噴藥試驗

該狀態是指噴藥機在實際作業過程中行駛速度存在變化，但在施藥系統的作用下實現噴藥量實時調整。試驗時行駛速度在5～9 km/h 范圍內實時調整，其余因素設定等同定速試驗，其試驗結果如表4 所示。

表4 田間綜合噴藥試驗Tab.4 Field comprehensive spraying test

由表4 可知，定速噴藥試驗中PI 控制算法最大誤差為2.4%，而模糊PI 控制算法最大誤差為1.73%。在變速試驗中，噴藥誤差明顯高于定速試驗，并且PI 控制算法誤差＜3.7%，而模糊PI 控制算法誤差＜2.15%，因此可認為在本變量噴藥系統中，模糊PI 控制算法優于傳統PI 控制算法。

5 結論

（1）在24 m 寬幅噴藥機上加裝了一種基于模糊PID 控制的變量噴藥系統。該系統采用5 路開關電磁閥控制多組噴頭開閉，結合多傳感器實時直接改變主路流量，該系統精度高、穩定性好，具有良好的作業效果。

（2）開展了噴頭流量控制與田間噴藥性能試驗。試驗表明，在不同噴頭開閉的情況下流量誤差為-2.43%～2.24%；田間噴藥試驗模糊PI 控制優于PI 控制，其定速噴藥試驗誤差＜1.73%，變速試驗誤差＜2.15%。