变量喷雾控制系统论文

植物保护机械是指用于防治危害植物的病、虫、杂草等的各类机械和工具的总称，简称植保机械。本文主要介绍喷雾机械。今天小编为大家精心挑选了关于《变量喷雾控制系统论文(精选3篇)》仅供参考，希望能够帮助到大家。

变量喷雾控制系统论文 篇1：

多态自动对靶风送式喷雾试验台的设计与试验

摘要：针对果园喷雾存在的药液沉积量低、农药浪费及环境污染等问题，拟设计1种集传感器探测技术、电子信息技术和风送式喷雾技术于一体的多态自动对靶喷雾试验台。该试验台主要由机架、风送系统、探测及其控制决策系统、药液管路系统和组合喷头喷洒执行机构等组成。对关键部件进行设计仿真，以获得最佳设计方案;设计控制多组合喷头的控制决策算法，实现多态自动对靶喷雾;进行喷雾性能的对比试验。结果表明，设计的多态自动对靶喷雾试验台，可以实现对不同冠层宽度靶标的多状态喷雾，作业效果良好，雾滴沉积量比普通风送式喷雾提高了34.07%，变异系数降低了25.60%;多态自动对靶风送喷雾相较于普通风送式喷雾的綜合省药率大于20%，从而提高了农药的利用率，降低了农药残留量。

关键词：组合喷头;果园;多态喷雾;多态对靶决策

目前，果园植保作业仍以化学防治为主，该方法防治简便，效果明显，经济可靠，在果园水果保收、增收方面有着不可替代的地位[1]。但是，人工喷施及常规的机械喷雾有着较大缺陷：只有小部分药量能够沉积到果树冠层上，大部分农药沉积到地面，飘逸到周围环境中，造成土壤、水体污染;农药残留严重，影响果品品质[2-5]。20世纪80年代，我国引入风送式喷雾技术，利用风机风力提高了药液的穿透能力、沉积量及果园病虫害防治效果[1-2]，但是不足之处是只能按照设定的参数进行连续喷雾，不能根据果树冠层的实际参数调节喷量[4-8]。在幼小及稀疏果园中，连续喷雾会造成果树间隙无效喷雾、大量药液沉积到地面、浪费农药及环境污染等问题[7-10]。

本研究结合传感器、电子控制等现代新技术与传统的风送式喷雾技术，拟设计1种多喷头组合的多态自动对靶风送式喷雾试验台，简述其工作原理，提出并设计控制多组合喷头的控制部件;进行多喷头组合的喷量、雾滴沉积量及多态自动对靶喷雾等试验。采用决策算法，对其中关键部件进行设计仿真，以获得最优设计部件;进行多喷头组合的喷量、雾滴沉积量及多态自动对靶喷雾等试验。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构

多态自动对靶喷雾试验台由机架、风送系统、探测控制系统、药液管路系统和多态组合喷头等组成（图1）。多态自动对靶喷雾试验台的系统示意见图2。

主要技术参数如下：整机尺寸为1 900 mm×980 mm×1 150 mm;配套动力为5～10 kW;药箱容积 ≥200 L;药泵流量为0～6 L/min;风机风量≥2 000 m3/h;工作幅宽≤6 m;喷药作业速度为1.5～3.6 km/h;农药有效利用率≥30%。

1.2 试验台的工作原理

机具作业时，应根据实际果园的果树行间距，设定果树行距及传感器的探测距离阈值，防止出现隔行喷雾。机具在果园行驶时（机具应行驶在果树行中间），超声波传感器不断扫描检测左右两侧的果树冠层边界，将果树冠层边界与传感器的距离、速度编码器探测机具行驶的实时速度、管路压力传感器探测的压力值等实时传输给微处理器核心数据处理单元，制定喷雾决策，从而进行多态喷雾判断。

在系统反应时间内，若传感器在设定阈值内没有检测到植株冠层，则不喷雾;若检测到植株冠层，则进行多态喷雾判断，并控制相应电磁阀动作，实现多态喷雾。

2 风送系统及多态喷头的设计

2.1 风送系统的设计

2.1.1 风量的计算 多态自动对靶喷雾风送系统采用置换原则和末速度原则来计算喷雾风量。为了扰动枝叶以提高药液的穿透性，设计的喷雾机风量应大于置换空间的空气量，如下式所示：

式中：Q为风机风量，m3;V为喷雾机速度，0.3～0.7 m/s;h为风机出风口直径，取700 mm;H为果树高低树冠之间的距离，取1 500～2 000 mm;L为喷头至果树的距离，取400～600 mm;K为气流衰减和沿途损失确定的系数，一般为1.1～1.2。

2.1.2 分配器的设计 气流分配器（图3）可以将离心风机产生的气流均匀地分配给左右两侧多个扇形出风口，可以对多喷头组合所喷出的药液进行二次雾化并胁迫吹向植株。对设计的半圆柱式气流分配器的6个圆柱形出风口进行流体（fluent）仿真，如图4所示，半圆柱式分配器腔内外压差稳定，可以提供稳定的气流，而在稳定气流胁迫雾滴运动至目标冠层的过程中，保持雾滴均匀分布，使雾滴在植株冠层沉积均匀。

2.2 药液管路系统及多态喷头的设计

多喷头组合采用上下竖直的3个喷头，应使3个组合的喷头实现全喷、2个喷头喷雾（中间位置的喷头不喷）、1个喷头喷雾（中间位置的喷头喷）、不喷4种喷雾状态，故称多态。依据上述4种喷雾状态，确定3个竖直喷雾喷头的喷雾角度α（3个扇形喷头的规格相同）及安装间距k，其中超声波传感器的两两间距H为45 cm，试验台距离冠层轮廓边缘的最近距离L为40 cm。

由上式求得：k≥15 cm，α≥58.72°。考虑到扇形喷头系列，选择扇形喷头角度为80°，流量为0.8 L/min，k取15 cm，即3个多态组合喷头的安装间距为15 cm。

3 硬件设计及控制决策

3.1 硬件设计

本研究中的距离探测传感器选用抗干扰能力强、耐污性强、不易受外界环境影响的NU112F30TR-1MD型超声波传感器，其发射频率为112 kHz，发射角度为15°，工作盲区为 20 cm，工作电压为12～24 V（直流电），输出模拟电压信号为0～5 V（直流电）。

本研究选择的增量式正交旋转编码器型号为E6B2-CWZ6C，分辨率为2 000P/R（指每圈输出2 000个脉冲），电源电压（DC，直流）为5～24 V（集电极开路输出型），输出增量式位置信息，可与STM32F10x系列MCU直接连接。在短时间内，用旋转编码器计算车体的实际速度，如式（5）所示：

式中：v为车速，m/s;n为编码器分辨率，2 000P/R;λ为旋转时间内单片机（MCU）产生的中断数;t为旋转用时，s;r为编码器自带轮半径，m。

微控制器选用STM32F103ZET6单片机，当多态自动对靶喷雾试验台在果园中行驶时，速度编码器将机体的实时速度以脉冲的形式传给STM32单片机的计数器，产生中断并计数。同时，超声波传感器不断扫描检测左右两侧的果树冠层，返回冠层距超声波传感器的距离值（以模拟电压的形式），传递到STM32单片机的内部ADC（analog-to-digital converter，模拟数字转换器）进行模数转换。单片机根据转换得到的数据，进行植株冠层的多态判断，通过相应的I/O（input/output，输入/输出）口控制电磁阀的开启及关闭，实现多态喷雾。

由于STM32单片机内部ADC接受的合适电压为0～3.3 V，而超声波传感器输出的电压为0～5 V，因此可以利用2个反向比例运算电路将电压转换为0～3.3 V，如图6所示，其中RF1=30 kΩ，R1=20 kΩ，RF2=R2=RG1=RG2=10 kΩ。

3.2 多态喷雾的控制算法

多态喷雾系统的响应时间为从超声波传感器发出信号到多态喷头执行喷雾的系统响应时间t0，如式（6）所示，可以忽略t1，则t0取112.5 ms。

式中：t0为多态喷雾的响应时间，ms;t1为超声波传感器发送接收信号的时间，0.009 ms;t2为超声波传感器的响应时间，50 ms;t3为单片机响应时间，12.5 ms;t4为电磁阀响应时间，50 ms。

因此，超声波传感器相对于多态喷头的提前安装距离应为S;试验台的最大行驶速度为1 m/s。S的理论距离为 11.25 cm，同时试验台应提前进行植株冠层喷雾，以做到试验台不漏喷，控制程序可进行一定的延时处理，在实际设计中，S为25 cm。

4 喷雾性能试验

为了测试多态自动对靶喷雾试验台的喷雾效果，进行喷雾性能设计并进行相应试验。

4.1 多态喷头的喷雾测试

试验时，启动发动机，控制柱塞的压力阀，使其等于0.3、0.4、……、0.8 MPa，用量筒测试多态喷头组合中间喷头的喷量，测试时间为60 s，整个试验共测试4次，测得的结果见表1。

4.2 多态对靶喷雾的喷量及沉积量的测定

为了测定多态自动对靶喷雾、普通对靶喷雾及普通风送式喷雾这3种喷雾方式的区别，选择果树长度为10 m的果树行，进行3种喷雾方式的喷量及雾滴沉积量对比试验。喷雾试验装置见图7，试验地点为山东农业大学8号楼，气温为 23.8 ℃。

具体试验步骤如下：（1）选用冠层直径为2.2 m、冠层高度为1.4 m的纺锤形植株作为试验用植株。用纯净水调配体积分数为0.1%（1 g/L）的甲基橙溶液作为喷雾介质。（2）根据冠层轮廓以及枝叶稀疏程度，由下到上将冠层布置为4个横截面，每个截面的间隔为450 mm，截面距离地面的高度为1.05～2.45 m。每个截面设置5个采样点，分东、西、南、北、中将直径为 70 mm 的圆形滤纸在布样点处固定。（3）调整拖拉机的功率，试验台以1.8 km/h的速度行驶，并保证柱塞泵输出压力稳定在0.6 MPa，试验台在行驶过程中，一侧用于沉积量的测定，另一侧关闭超声波传感器，去掉喷头喷芯，用于收集试验台的喷量。（4）作业完毕后，收集每层滤纸并编号记录;收集并测量出多态喷头自动对靶、普通自动对靶、连续喷雾情况下的喷雾量见表3、表4。（5）用UV-2000型分光光度计（日本岛津公司）对收回干燥后的滤纸进行甲基紫浓度测定，得出沉积量，见表2。（6）为对比多态自动对靶喷雾与普通对靶喷雾及普通风送式喷雾的喷雾量，布置不同空隙比（果树间的空隙长度和与总果树行长度之比）及体积比（各分区冠层宽度与最大冠层宽度之比的平均值）的果树行，重复步骤（3）（4）;記录具体数据，详见表3、表4。

由表2可知，当样机工作速度为1.8 km/h时，多态自动对靶喷雾比普通风送式喷雾的沉积量提高了34.07%，变异系数降低了25.60%;与普通对靶喷雾相比，沉积量提高了17.22%，变异系数降低了13.66%，喷雾效果明显。

由表3、表4可知，多态自动对靶喷雾与普通自动对靶喷雾相比，在果树相同的体积比下，随着果树行空隙比的提高，前者的省药率没有明显提高;在果树相同的空隙比下，体积比的降低可较大地提升省药率;多态自动对靶喷雾特别适合在体积比小的稀疏果园作业。

5 结论

针对稀疏果园，特别是纺锤形果园，设计1种多喷头组合的多态自动对靶系统，该系统可以针对不同宽度的冠层，执行不同的喷雾状态。

通过超声波传感器、编码器等传感器探测果树冠层宽度及试验台的相关信息，提出并设计了1种针对果树冠层宽度的多态自动对靶喷雾决策，可以控制多喷头组合针对不同的果树冠层宽度，实现了不同喷雾组合，并且喷雾方式灵活多变，控制简单可靠。

本研究设计的多态自动对靶喷雾试验台，可以实现对不同冠层宽度靶标的多状态喷药，并且作业效果良好，雾滴沉积量比普通风送式喷雾提高了34.07%，变异系数降低了 25.60%;相比于普通风送式喷雾，多态自动对靶风送喷雾比普通风送式喷雾的综合省药率大于20%，从而提高了农药的利用率，降低了农药残留量。

参考文献：

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[2]姜红花，白 鹏，刘理民，等. 履带自走式果园自动对靶风送喷雾机研究[J]. 农业机械学报，2016，47（增刊1）：189-195.

[3]李瀚哲，翟长远，张 波，等. 果园喷雾靶标探测技术现状分析[J]. 农机化研究，2016（2）：1-5.

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[5]李素璇，高 明，魏东辉，等. 精准变量喷雾控制系统的设计[J]. 农机化研究，2018，40（6）：71-75.

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[7]Escolà A，Planas S，Rosell J R.Performance of an ultrasonic ranging sensor in apple tree canopies[J]. Sensors，2011，11（3）：2459-2477.

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[9]Jiang H Y，Zhang L J，Shi W N. Effects of operating parameters for dynamic PWM variable spray system on spray distribution uniformity[J]. IFAC，2016，49（16）：216-220.

[10]Hu Y，Kurose R. Nonpremixed and premixed flamelets LES of partially premixed spray flames using a two-phase transport equation of progress variable[J]. Combustion and Flame，2017，188：227-242.

作者：刘理民 张晓辉 石光智

变量喷雾控制系统论文 篇2：

植物保护机械之喷雾机械与农药有效利用

植物保护机械是指用于防治危害植物的病、虫、杂草等的各类机械和工具的总称，简称植保机械。本文主要介绍喷雾机械。

一、植物保护在农业生产中的地位

有关研究表明，在现有的科技成果中：优良品种可使农作物增产8%～12%；增施化肥并改进施肥方法可使农作物增产5%～6%；耕作方法和栽培技术的革新可使农作物增产4%～8%；而对农作物实施病虫草害综合防治技术可挽回产量损失10%～20%。

二、我国农药喷雾使用技术中存在的问题

目前，我国在植物保护中化学防治面积已达6亿公顷，并且还在以每年0.13亿公顷的速度递增，每年都有100万吨农药制剂、1亿吨药液喷洒到农田中。但我国在农药使用的技术理论和技术措施上的研究还严重不足，农药使用技术仍停留在大容量、大雾滴喷雾技术水平上。由于以上原因，我国农药有效利用率只有10%～30%，远低于发达国家50%的平均水平，喷洒的农药大部分流失到环境中，造成了严重的环境污染、地下水和地表水污染、害虫的天敌或其他益虫迅速减少以及人畜中毒，农药在食物和环境中残留毒性的积累效应日益成为威胁人类健康的严重问题。

我国农药有效利用率较低的主要表现：一是滥用、乱用农药，错用除草剂、杀菌剂等损失惊人。二是不能对症下药，防治效果不佳或者根本没有防治效果。三是缺少计量器具，这也是导致用药量过大的原因。四是不必要的加大用药量，是造成我国农药有效利用率低的又一重要原因。五是其他原因。如落后的农药使用手段；错误的施药方法；缺少田间喷雾标准，农药药液理化性质差等。

三、国外喷雾机械新技术与产品

植保产品在欧美国家大型化趋势较显著，普遍采用GPS、自动变量控制和作业参数监测技术，产品进一步向精准化方向发展，作业过程机械传动、电子设备、液压驱动集中控制，四轮独立减振、喷杆平衡性能好，作业质量高、速度快、可靠性好，驾驶舒适，适合于旱地。

日本、韩国根据本国土地资源特点开发的植保机械以小型自走式为主，机型轻巧、作业方便，以机械传动为主。而液压驱动（HST装置）刚开始采用，两轮驱动、四轮驱动切换，适合于水田、蔬菜作业。

四、国内喷雾机械现状

国产喷雾机械有20多个品种、80多个型号，其中80%处于发达国家20世纪50～60年代水平，尤其是年产量高达800万～1000万台（社会保有量1亿台）的各种手动喷雾器，常用机具仍是单管、压缩、背负式喷雾器等。

目前农民普遍采用单一机型防治各种作物的病虫害，且90%以上的喷雾器使用圆锥雾喷头，这是造成喷药不均匀、农药用量大、农产品农残超标、操作者中毒等的重要原因之一。

国内主要使用小型人力背负式喷雾器，该设备操作简单方便，不受种植条件影响。缺点是喷雾压力不稳定，雾化质量差，纯液压驱动力雾化射程近；人力背负，劳动强度大，效率低。使用机动背负式喷雾器的缺点是雾流集中成束，雾滴沉积不均匀，雾滴易蒸发、飘失；人力背负，劳动强度大，效率低。

其他人力、机动小型喷雾机械受水源限制，管路长，喷雾压力损失大；喷雾压力不稳定，施药量大；同时射程较远时呈水柱状，雾化质量差，造成大量农药流失。纯液压驱动力雾化穿透性差，果树冠层内雾滴沉积不均匀；人力背负，劳动强度大。

五、国内喷药技术的发展趋势

1. 发展低量喷雾技术

除了使用低量高效的农药外，还要发展低量喷雾技术，开发系列低量喷头。大力发展集成GPS、GIS和变量控制技术，在田间可根据作物处方图和机具的移动速度对农田实施因地喷药，实现精准、精量喷药。

2. 采用机电液一体化技术

采用机电液一体化技术以提高机具自动化和安全性水平，实现多方向缓冲的性能。电子显示和控制系统已成为大中型植保机械不可缺少的部分，电子显示系统一般可以显示机组前进速度、喷杆倾斜度、喷量、压力、喷洒面积和药箱药液量等；通过面板操作，可控制和调整系统压力、单位面积喷液量和喷射宽度等。系统还可根据机组前进速度自动调节单位时间喷洒量，依据施药对象和环境严格控制施药量和雾滴直径大小。

3. 控制药液雾滴的漂移

在施药过程中，控制雾滴的漂移，提高药液的附着率是减少农药流失，降低对土壤和环境污染的重要措施。在这方面欧美国家采用的是防飘喷头、风幕技术、静电喷雾技术和雾滴回收技术等。

静电喷雾技术是应用高压静电使雾滴带电，带电的细雾滴做定向运动趋向植株靶标，最后吸附在靶标上，从而使其沉积率显著提高，在靶标上附着量增大，覆盖均匀，沉降速度增快，尤其是提高了在靶标叶片背面的沉积量，减少了漂移和流失。

4. 采用自动对靶施药技术

目前国外主要有两种方法能实现对靶施药。一是使用图像识别技术。该系统由摄像头、图像采集卡和计算机组成。计算机把采集的数据进行处理，并与图像库中的资料进行对比，确定对象是草而不是庄稼、何种草等，以控制系统是否喷药。二是采用叶色素光学传感器。该系统的核心部分由一个独特的叶色素光学传感器、控制电路和一个阀体组成。阀体内含有喷头和电磁阀。当传感器通过测试色素辨别有草存在时，即控制喷头对准目标喷洒除草剂。

5. 全液压驱动技术

在大型植保机械，尤其是自走式喷杆喷雾机上采用全液压系统，如转向、制动、行走、加压泵等都由液压驱动，不仅能简化整机结构，还能增加传动系统的可靠性。有些机具上还采用了不同于弹簧减震的液压减震悬浮系统，它能根据负载和斜度的变化进行调整，从而保证了喷杆升高和速度变化时系统的稳定性。此外，有些牵引式喷杆喷雾机在牵引杆上还装有电控液压转向器，以保证在拖拉机转弯时机具完全保持一致。

6. 采用农药注入和自清洗系统，避免或减少人员与药液的接触

采用农药注入和自清洗系统，避免或减少人员与药液的接触，就是喷药前的药液配制不是在药液箱中进行，而是在喷雾管道中进行。农药制剂在计量器控制下从药瓶直接定量注入药液输送管道中，与从水箱恒速流出的清水在互动过程中混合形成喷雾液，从喷头喷出，完全消除了配药时人员与农药的接触，也消除了配药时农药对喷药机械表面的污染。目前销售的大中型喷杆喷雾机都装有农药注入系统。喷杆喷雾机上一般还备有两个清水箱，一个用来洗手，另一个用来清洗药液箱、加药箱和机具外部，人体基本上不与药液接触。

7. 积极研究生物防治技术，研制生物农药的喷洒装置

从长远来看，由于对环境的友好，利用生物农药防治农作物虫害是一种趋势，需要积极研究。生物农药对喷头的磨损较化学农药大，同时不易下沉，与化学农药的使用特点有显著差别，为使药物能够均匀地分布在作物上，需要研制新的喷洒装置。

六、施药技术的优化

1. 喷雾质量指标

喷雾质量指标由均匀性、飘移性、覆盖率组成。造成分布均匀性不高的原因很多，但主要原因是多喷头喷雾时喷头之间的间隔、高度布置不合适，或喷头雾型选择不当，造成漏喷或不均匀分布。另外，侧风也很容易造成不均匀分布。飘移性是指雾滴偏离目标的趋势，用偏离目标雾滴占总喷量的比例来表示。侧风是造成飘移的最直接原因。减小飘移的措施主要是通过应用低飘移喷头产生较大且大小较为均匀、初速度较高的雾滴来抵抗侧风的干扰，另外还可采取风助等抗飘移技术。显然，在相同喷量的情况下，小雾滴的覆盖率高于大雾滴。

2. 影响喷雾质量因素

雾滴能够到达目标物上的比例，在很大程度上要受到气温、相对湿度、风速和风向的影响。气温和相对湿度对雾滴运动的影响，主要表现为对雾滴的蒸发。另外，高温和湿度的极端情况还会影响雾滴在植物叶面上的附着。风速和风向对雾滴运动的影响更大，不但会加速雾滴的蒸发，更主要的是会造成雾滴飘移而脱离目标。

3. 雾滴大小和密度

雾滴是从喷头喷出来的，雾滴尺寸直接影响到病虫害控制和飘移控制。喷头是喷雾装置中最为重要的部件之一，雾滴的大小、密度、分布状况等在很大程度上都决定于喷头的类型、大小和质量。大田喷洒杀虫剂、杀菌剂和除草剂对雾滴大小的要求不同，在喷雾参数（喷头类型、大小、压力、流量和喷头高度）选择时，先根据作业要求的雾滴大小确定喷雾质量指标优先次序，再依据喷雾参数与优先指标的相关程度，选择喷雾参数。

农药作为现代农业生产的重要生产资料，其利用效率受人关注。随着现代科技的发展，随着我国各地土地流转和专业化统防统治政策的出台，大田农作物采用机动喷杆喷雾技术替代背负式手动喷雾，不仅可以改善农药雾滴的沉积分布均匀性，还能显著提高作业效率，减轻劳动强度，大幅度提高农药在植物叶片上的沉积回收率，提高农药的药效，减少农药流失。研究制定不同农药在作物叶片上的沉积分布密度标准，对于指导田间喷雾非常重要。随着各地对农药喷雾技术研究和推广工作的重视，逐步采用喷杆喷雾技术，并研究建立田间喷雾的雾滴密度标准，就可以显著提高农药的有效利用率，减少农药流失，降低农药的负面影响。

第一作者简介：南 浩，副站长，农业机械化及其自动化专业，长期从事农机推广工作，联系地址：吉林省洮南市大通农机管理服务站 邮编：137100；王世强 吉林省洮南市职业教育中心 邮编：137100。

作者：南浩 王世强

变量喷雾控制系统论文 篇3：

空心锥形喷嘴变量施药均匀性试验

摘要：在针对单个植株定靶施药过程中，为了减小空心锥形喷嘴喷洒域中心盲区，提高切向流空心锥形喷嘴施药均匀度，运用径向Wilcox-Swailes均匀度，自制变量调节器，通过单片机改变调节器PWM信号占空比，调整电机转速，改变喷嘴喷射角度，寻找最优占空比组合时间系数。在最优占空比时间组合系数的变量调节器的作用下试验，与未安装变量调节器的试验组作比较。结果表明：在最优占空比系数组合情况下，喷杆高度为500 mm时，径向Wilcox-Swailes均匀度相对未安装变量调节器的试验组提高作用明显。脉宽调制的变量调节器在针对单个植株定靶施药过程中对减小切向流空心锥形喷嘴喷洒域中心盲区、提高施药均匀度效果显著。

关键词：中心盲区；脉宽调制（PWM）；变量施药；径向Wilcox-Swailes均匀度

收稿日期：2014-12-28

基金项目：国家星火计划（编号：2013GA811002）；重庆市应用开发计划（编号：cstc2013yykfa80009）。

作者简介：黄河（1989—），男，陕西山阳人，硕士研究生，主要从事自动控制理论与应用研究。E-mail：huang_h_swu@126.com。

通信作者：谢守勇，博士，教授，主要从事设施农业及农业自动化研究。Tel：（023）68250802；E-mail：xsyswu@163.com。在农业生产过程中，化学防治、机械施药是目前综合防治病虫草害最有效、最主要的方式[1]。随着农药施用量的增加，农业生态环境、粮食安全问题日益突出。喷药设施和技术落后是农民过量使用农药的主要原因之一[2]。提高施药均匀性对于提高农药利用效率、减轻环境污染、有效利用水资源都有着重要的现实意义。切向流空心锥形喷嘴腔体宽内径设计能够有效防止堵塞，被广泛应用于气体调制系统、农业施药等领域。与此同时，脉宽调制（PWM）技术具有效率高、灵活可靠、动态响应好等优势。张伟采用斩波恒流型功率放大电路进行脉宽调制型变量喷雾作业，指出在一定范围内流量与占空比呈线性关系[3]。魏新华等采用自制的PWM变量喷施控制器，设计了PWM间歇喷雾式变量喷施系统，结合喷施机组前进速度建立了控制模型，测试结果表明，喷雾流量受喷雾压力、PWM控制信号占空比影响很大[4]。郝强等针对圆锥形喷头设计了正交试验，分析了喷雾压力、喷头高度、喷头类型对分布变异系数的影响，指出3个因素的影响显著性由大到小依次为喷头类型、喷头高度、喷雾压力[5]。陈勇等开发了基于机器视觉和模糊控制原理的可变量喷雾控制系统[6]。朱艳东等针对扇形喷头设计了喷雾均匀性自动化检测系统[7-9]。吴泽祎等设计了以单片机为核心的自动对靶喷雾控制系统[10]。目前关于影响喷嘴喷雾均匀度因素以及以纵向行走速度为主要影响因素的变量喷雾研究报道较多[11-17]；但针对切向流空心锥形喷嘴变量施药的试验研究鲜见报道。本研究探讨脉宽调制变量调节器对切向流空心锥形喷嘴施药均匀度的影响，旨在为进一步提高空心锥形喷嘴喷雾均匀性提供参考。

1材料与方法

1.1喷头与变量调节器

空心锥形喷嘴可分为轴流空心锥形喷嘴、切向流空心锥形喷嘴2种。试验所用喷嘴型号为BD844，是切向流空心锥形喷嘴，工作压力范围为0.02～0.70 MPa。该喷嘴能产生空心锥形喷雾形状，喷洒域呈环状，喷雾液滴直径小，具有大而通畅的流道，消除了阻塞现象。试验选用直流3210 HB型隔膜泵，最大功率100 W。从控制原理来讲，直流电机有3种基本调速方法：调节电枢电压、改变电枢回路电阻、调节励磁，其中采用全控型开关功率原件调制脉宽以实现电压调节的控制方式被广泛采用[18]。变量调节器以CC2530-F256单片机为主核，它整合了全集成的高效射频收发机及业界标准的增强型8051控制器，通过设置内置T3、T4定时器的初值实现不同占空比的脉冲波形输出，选用CC2530方便后续数据传输。采用具有制动回路的不可逆PWM控制电路，以极性相反的双极性PWM信号控制上下桥臂的功率管，以IR2110驱动功率管IRF540，通过功率管的通断调节施加于电枢的电压均值，从而实现控制电机转速[19]。功率管驱动电路如图1所示，图中C2为自举电容，VCC经D4、C2、电机绕组、Q2给C2充电，确保Q2断开、Q1导通时，Q1管的栅极依靠C1的储能驱动，从而实现自举式驱动[20-21]。

2结果与分析

2.1喷头水量分布

未安装变量调节器时，直径a上测点的水量分布均值的3次样条插值拟合曲线如图4所示。

由图4可知，未安装变量调节器时，直径a上r∈[3，5] 测点的雨量值之和占总雨量值的83.85%。 r∈[0，2]测点的雨量分布与r∈[3，5]测点的雨量分布对比鲜明，中心盲区问题突出。占空比分别为90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%时直径a上测点的水量分布均值3次样条插值拟合曲线如图5所示。

由图5可见，随着控制信号占空比的降低，r∈[0，2]的测点雨量分布逐渐增多；当占空比低于50%时，r∈[0，2]的测点雨量值超过总雨量值的50%，其中占空比为30%时，r∈[0，2]的测点雨量值分别达到总雨量值的58.06%。各种工况下，喷嘴喷雾的径向均匀度UWS（r）如表1所示。

由表1可见，各径向均匀度UWS（r）受占空比变化的影响较大，占空比大于40%时，随着占空比的降低，各径向均匀度呈现增加趋势。

2.2最优占空比组合时间系数的确定

在1个PWM信號周期内，组合上述8种不同占空比的PWM信号，通过曲线拟合、回归分析、迭代求解，确定各占空比状态的最优组合归一化时间系数为t=[0.102 0，0.030 6，0.010 2，0.010 2，0.030 6，0.102 0，0.204 0，0.510 4]，试验确定最终PWM信号频率为10 Hz。结合图1，可得在最优占空比组合下直径a上各测点的雨量分布的理论值，联合公式（1）可以求得最优占空比组合下喷嘴喷雾的径向Wilcox-Swailes均匀度理论值为88.72%。

2.3对比试验

在安装最优占空比组合的变量调节器和未安装变量调节器2种情况下重复试验，利用公式（1）。计算其径向Wilcox-Swailes均匀度，结果如表2所示。

由表2可知，有无变量调节器对径向均匀度的影响非常明显，有变量调节器时4条直径上测点的径向Wilcox-Swailes均匀度相对无变量调节器时分别提高了51.90、51.96、51.90、51.49百分点，与理论值相比，误差小于067%。脉宽调制的变量调节器对减小切向流空心锥形喷嘴的喷洒域中心盲区作用显著。

3结论

本研究结果表明，针对切向流空心锥形喷嘴施药的中心盲区问题，运用适用于圆形喷洒域的径向Wilcox-Swailes均匀度，为评价切向流空心锥形喷嘴施药喷雾均匀性提供了1种方法，同时为进一步提高喷雾均匀性提供依据。脉宽调制的变量调节器的作用使得切向流空心锥形喷嘴施药的4个径向均匀度分别提高了51.90、51.96、51.90、51.49百分点，效果显著，可用于高均匀度、喷洒域可控要求的单个植株的定点对靶施药环境。下一步可以利用机器视觉自动获取所需喷洒域的直径、圆心位置，利用PWM变量调节器实现单个植株定靶可变量均匀施药。脉宽调制的变量调节器在针对单个植株定靶施药过程中对减小切向流空心锥形喷嘴喷洒域中心盲区、提高施藥均匀度效果显著。

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作者：黄河 谢守勇 李佩原 詹攀