基于plc的變量噴霧系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于PLC的變量噴霧系統(tǒng)及其控制方法，首先測量最佳霧化效果時的霧粒粒徑，將此時噴霧管道的流量值和壓力值大小作為系統(tǒng)控制的目標值，PLC控制模塊根據(jù)流量傳感器和壓力變送器獲取的噴霧管道中的流量值和壓力值，根據(jù)模糊PID控制原理控制流量電動調(diào)節(jié)閥的開度，進行噴霧工作，除此之外，對噴霧沉積量進行測量，即在選定好的噴霧效果后，噴灑在農(nóng)作物上，測量農(nóng)作物葉片上單位面積上有多少的藥物，本發(fā)明使得噴霧系統(tǒng)能夠均勻噴霧，在作物表面達到合理的藥物沉積量，在保證有效防治病蟲害的前提下，符合無公害農(nóng)產(chǎn)品要求低量、超低量高效施藥的要求，減少了用水量和用藥量，降低了成本，減少了藥物殘留。
【專利說明】
基于PLC的變量噴霧系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及自動化控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于PLC的變量噴霧系統(tǒng)及其控制方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，長久以來大面積的作物病蟲害防治大多采用化學(xué)防治的方法。長期的 噴灑農(nóng)藥，會給環(huán)境帶來深刻的影響，據(jù)統(tǒng)計，目前我國作物單位面積的施藥量約為llKg/ hm2,是美國單位面積施藥量的3.5倍，是歐洲單位面積施藥量的2倍。這是由于噴霧施藥技 術(shù)落后，且藥效低造成的。目前，我國年施藥量有增無減，這不僅對自然環(huán)境造成了嚴重危 害，增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本，而且還給農(nóng)產(chǎn)品帶來了更多的藥物殘留，給消費者帶來了極大 的食品安全隱患。
[0003] 農(nóng)業(yè)噴霧流量控制對作物精準施藥極其重要，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中能夠起到降低成本， 保護環(huán)境，提高產(chǎn)量的作用。目前有許多關(guān)于流量的控制方法，例如史巖等提出了一種壓力 式變量噴霧系統(tǒng)，通過控制管道壓力來控制噴霧流量，該系統(tǒng)比較簡單，容易搭建，但因為 是間接控制流量，所以導(dǎo)致流量的響應(yīng)速度變慢，流量控制不夠精準及時；史萬蘋等提出 PWM變量控制方法，通過改變電磁閥驅(qū)動線圈的PWM信號的占空比進行控制，該方法能夠較 為及時精準的控制流量，但是系統(tǒng)在帶寬、增益等配合參數(shù)的設(shè)計和調(diào)試等方面比較復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本申請通過提供一種基于PLC的變量噴霧系統(tǒng)及其控制方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中 農(nóng)藥噴霧不均勻而造成的一系列問題。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本申請采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：
[0006] -種基于PLC的變量噴霧系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)接收與處理模塊、PLC控制 模塊以及噴灑模塊，所述數(shù)據(jù)接收與處理模塊將所述數(shù)據(jù)采集模塊采集到的電信號轉(zhuǎn)化為 所述PLC控制模塊能夠直接接收和處理的信號，所述PLC控制模塊根據(jù)所述數(shù)據(jù)采集模塊采 集到的信息控制所述噴灑模塊對作物進行噴霧，其關(guān)鍵在于，
[0007] 該系統(tǒng)還包括雷達探測模塊和無線接收模塊，其中，所述雷達探測模塊包括用以 探測前方障礙物的前視雷達和用以檢測作物高度的下視雷達，所述雷達探測模塊的信息通 過所述數(shù)據(jù)接收與處理模塊傳輸給所述PLC控制模塊，所述噴灑模塊包括噴霧小車、安裝在 該噴霧小車上的藥箱以及將藥液霧化的噴頭，在所述藥箱和所述噴頭之間依次通過水栗、 回流電動調(diào)節(jié)閥、壓力變送器、流量電動調(diào)節(jié)閥、過濾器和流量傳感器連接形成一噴霧管 道，所述噴霧小車在動力裝置的驅(qū)動下沿鋪設(shè)的行駛軌道運行，所述噴霧小車上還設(shè)置有 根據(jù)所述下視雷達檢測的作物高度而自動調(diào)節(jié)噴頭高度的升降裝置，所述無線接收模塊安 裝在所述噴霧小車上，用以接收操作命令。
[0008] 進一步地，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括檢測所述藥箱中藥液高度的液位傳感器，檢測 所述噴霧小車啟動或停止時加速度的加速度傳感器，檢測所述噴霧小車瞬時速度的速度傳 感器，檢測所述噴霧小車剩余電量及充電速度的電量檢測儀，檢測噴霧管道壓力的壓力變 送器以及檢測噴霧管道流量的流量傳感器。
[0009] 進一步地，所述噴霧小車的動力裝置包括位于行駛軌道正上方的驅(qū)動輪，以及位 于行駛軌道側(cè)面，且沿行駛軌道上外沿運動的導(dǎo)向輪和位于行駛軌道側(cè)面，且沿行駛軌道 下外沿運動的穩(wěn)定輪，所述驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪以及穩(wěn)定輪通過所述底盤支架裝配在一起，所述 驅(qū)動輪采用輪轂電機，該驅(qū)動輪的兩側(cè)外沿向下延伸卡接在行駛軌道兩側(cè)。
[0010] 進一步地，所述行駛軌道由直線軌道和半圓軌道組成，相鄰兩條直線軌道之間通 過半圓軌道相切連接，在直線軌道與半圓軌道的切點處軌道的外側(cè)面設(shè)置有支板，半圓軌 道的上表面與半圓圓心所在平面成夾角。
[0011] 進一步地，在行駛軌道兩側(cè)各安裝一個升降裝置，所述升降裝置包括水管接頭、外 螺紋水管、固定平臺、齒輪以及角編碼器，其中，豎直設(shè)置的外螺紋水管的頂端連接所述水 管接頭，所述外螺紋水管的底端垂直設(shè)置了連接桿，在所述連接桿上設(shè)置有若干個噴頭，所 述水管接頭的另一端連接水管，所述外螺紋水管垂直穿過所述固定平臺，在所述固定平臺 上設(shè)置有升降變頻電機，在所述固定平臺的底面設(shè)置有檢測作物高度的下視雷達器，由升 降變頻電機驅(qū)動的齒輪與所述外螺紋水管齒合，所述齒輪旋轉(zhuǎn)帶動所述外螺紋水管縱向移 動，所述角編碼器的齒輪與所述外螺紋水管齒合，所述角編碼器的初始位置設(shè)為〇位，由所 述外螺紋水管的縱向移動帶動所述角編碼器的齒輪轉(zhuǎn)動。
[0012] 作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述固定平臺與地面之間距離為2m，所述外螺紋水管 的長度為150cm-180cm，所述噴頭與地面的最小距離為50cm，所述噴頭與地面的最大距離為 200cm〇
[0013] 進一步地，該系統(tǒng)還包括設(shè)置在噴霧小車上的顯示模塊，用以顯示所述噴霧小車 的啟停、所述噴霧小車所述噴霧小車的速度、所述水栗的啟停、所述藥箱液位以及障礙物報 警。
[0014] 一種基于PLC的變量噴霧系統(tǒng)的控制方法，包括如下步驟：
[0015] S1:將所述噴霧小車放置于行駛軌道上，所述PLC控制模塊初始化；
[0016] S2:打開所述水栗，向所述藥箱中注入藥液，并通過所述液位傳感器檢測藥箱中藥 液高度，若藥液高度小于最低水位線，發(fā)出警報，若藥液高度達到最高水位線，則所述水栗 停止工作，并發(fā)出警報；
[0017] S3:所述噴霧小車在所述PLC控制模塊的控制下開始行走并噴霧：
[0018] (1)在行走過程中所述前視雷達探測行駛軌道是否有障礙物，如果有，則向所述 PLC控制模塊發(fā)出信號，所述噴霧小車緊急停車，所述下視雷達實時檢測作物的高度，由所 述PLC控制模塊控制所述升降裝置的高度，從而根據(jù)作物的高度調(diào)整噴頭的高度；
[0019] (2)在所述噴霧小車前進過程中，所述PLC控制模塊根據(jù)所述流量傳感器和壓力變 送器獲取的噴霧管道中的流量值和壓力值，根據(jù)模糊PID控制原理控制所述流量電動調(diào)節(jié) 閥的開度，進行噴霧工作；
[0020] (3)當(dāng)所述噴霧小車的行程開關(guān)通過直線軌道與半圓軌道的切點處軌道的外側(cè)面 的支板時，產(chǎn)生一個脈沖信號發(fā)送給所述PLC控制模塊，所述PLC控制模塊結(jié)合所述噴霧小 車的瞬時速度發(fā)出加速或者減速的指令，即從直線軌道進入半圓軌道時，所述噴霧小車停 止噴灑并減速，在從半圓軌道進入直線軌道時，所述噴霧小車做加速運動并開始噴灑藥物；
[0021] S4:完成噴灑任務(wù)后，將所述外螺紋水管上升到最高位置，所述噴霧小車倒行返回 操作臺。
[0022]進一步地，所述PLC控制模塊根據(jù)模糊PID控制原理控制所述流量電動調(diào)節(jié)閥的開 度，進行噴霧工作的具體步驟包括：
[0023] A1:測量噴霧粒徑的大小，找到最佳噴霧效果，將此時壓力變送器測得的壓力值和 流量傳感器測得的流量值作為模糊控制的目標值；
[0024] A2:模糊推理：
[0025] A21:步驟A1得到的最佳噴霧效果時流量傳感器測得的流量值作為設(shè)定值R(t)，所 述流量傳感器實際測得的流量值作為測量值Y(t)，將設(shè)定值R(t)與測量值Y(t)進行比較， 得到誤差e以及誤差e經(jīng)微分運算得到的誤差變化率ec;
[0026] A22:誤差e乘以量化因子Ke得到E的模糊語言變量值{NB，NM，NS，0，PS，PM，ro}^ 差變化率ec乘以量化因子Kec得到EC的模糊語言變量值{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB};
[0027] A23:根據(jù)E、EC結(jié)合PID控制規(guī)則，經(jīng)模糊推理輸出U，其中，輸出U包含了UKp、UKi和 UKd三個PID參數(shù)，每個參數(shù)均設(shè)有7個模糊語言變量值{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB};
[0028] A24:輸出U乘以比例因子Ku，進行逆模糊化處理，得到參數(shù)Kp、Ki及Kd;
[0029] A3: PID 控制：
[0030] 將設(shè)定值R(t)與測量值Y(t)之間的誤差傳送給PID控制器，根據(jù)誤差情況，在模糊 規(guī)則表中選取相適應(yīng)的Kp、Ki、Kd參數(shù)，進行PID運算得到輸出U，即控制量U，將控制量U經(jīng)D/ A轉(zhuǎn)換后的信號輸送給所述流量電動調(diào)節(jié)閥，所述流量電動調(diào)節(jié)閥根據(jù)控制量信號的大小， 調(diào)節(jié)其開度，從而達到控制流量的目的，其中，利用離散增量式模糊PID控制算法計算出流 量電動調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)閥門位置的變化量：
[0031 ] AU(k)=U(k)-U(k_l) = Kp*[e(k)-e(k_l) ]+Ki*e(k)+Kd*[e(k_l )+e(k_2)]，式 中，e (k)、e (k-1)、e (k-2)分別是第k次、第k-1次、第k-2次的誤差，Kp為比例參數(shù)，Ki為積分 參數(shù)，Kd為微分參數(shù)。
[0032]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案，具有的技術(shù)效果或優(yōu)點是:該噴霧系統(tǒng) 能夠均勻噴霧，在作物表面達到合理的藥物沉積量，在保證有效防治病蟲害的前提下，符合 無公害農(nóng)產(chǎn)品要求低量、超低量高效施藥的要求，減少了用水量和用藥量，降低了成本，減 少了藥物殘留，提高了作物產(chǎn)量。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明的控制原理圖；
[0034]圖2為噴灑模塊硬件連接示意圖；
[0035]圖3為動力裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖4為行駛軌道規(guī)劃圖；
[0037]圖5為升降裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖6為模糊推理原理圖；
[0039] 圖7為PID控制原理圖。
【具體實施方式】
[0040] 本申請實施例通過提供一種基于PLC的變量噴霧系統(tǒng)及其控制方法，以解決現(xiàn)有 技術(shù)中農(nóng)藥噴霧不均勻而造成的一系列問題。
[0041] 為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實施方式，對 上述技術(shù)方案進行詳細的說明。
[0042] 實施例
[0043] 一種基于PLC的變量噴霧系統(tǒng)，如圖1所示，包括數(shù)據(jù)采集模塊1、數(shù)據(jù)接收與處理 模塊2、PLC控制模塊3以及噴灑模塊4,所述數(shù)據(jù)接收與處理模塊2將所述數(shù)據(jù)采集模塊1采 集到的電信號轉(zhuǎn)化為所述PLC控制模塊3能夠直接接收和處理的信號，所述PLC控制模塊3根 據(jù)所述數(shù)據(jù)采集模塊1采集到的信息控制所述噴灑模塊4對作物進行噴霧，該系統(tǒng)還包括雷 達探測模塊5和無線接收模塊6,所述無線接收模塊6安裝在所述噴霧小車401上，用以接收 操作命令。
[0044] 其中，所述數(shù)據(jù)采集模塊1包括檢測所述藥箱中藥液高度的液位傳感器101，檢測 所述噴霧小車啟動或停止時加速度的加速度傳感器102,以保證噴霧小車平穩(wěn)運行，檢測所 述噴霧小車瞬時速度的速度傳感器103,將此瞬時速度傳送給PLC控制模塊3,使得噴霧小車 的速度控制在一個安全的范圍內(nèi)，檢測所述噴霧小車剩余電量及充電速度的電量檢測儀 104,檢測噴霧管道壓力的壓力變送器105以及檢測噴霧管道流量的流量傳感器106。
[0045] 所述雷達探測模塊5包括用以探測前方障礙物的前視雷達501和用以檢測作物高 度的下視雷達502,前視雷達501向前發(fā)射超聲波信號，當(dāng)前視雷達501探測到前方有障礙物 時，所述PLC控制模塊3控制噴霧小車401緊急停車；用以檢測作物高度的下視雷達502向下 發(fā)射超聲波信號，該超聲波信號在接觸作物時，向上反射聲波信號，計算出發(fā)射和反射信號 的時間t，從而計算出固定平臺411c與作物間的距離s = vt/2,超聲波的速度v是已知的，所 述PLC控制模塊3根據(jù)測得的距離s來控制噴頭403的高度，所述雷達探測模塊5的信息通過 所述數(shù)據(jù)接收與處理模塊1傳輸給所述PLC控制模塊3。
[0046]所述噴灑模塊4包括噴霧小車401、安裝在該噴霧小車401上的藥箱402以及將藥液 霧化的噴頭403,如圖2所示，在所述藥箱402和所述噴頭403之間依次通過水栗404、回流電 動調(diào)節(jié)閥405、壓力變送器105、流量電動調(diào)節(jié)閥407、過濾器408和流量傳感器106連接形成 一噴霧管道，其中，當(dāng)噴霧管道中的壓力不在系統(tǒng)工作壓力范圍內(nèi)時，PLC控制模塊3控制回 流電動調(diào)節(jié)閥405的開度，改變回流量，使得噴霧管道壓力達到正常工作壓力值，所述過濾 器408過濾掉藥液中微小雜質(zhì)，防止雜質(zhì)堵塞流量傳感器106。
[0047]所述噴霧小車401在動力裝置410的驅(qū)動下沿鋪設(shè)的行駛軌道運行，在本實施例 中，如圖3所示，行駛軌道是由立柱支撐的，立柱的規(guī)劃和假設(shè)是根據(jù)耕種面積及噴霧單向 噴灑的寬度而設(shè)定的，各立柱的安裝高度盡可能保持一致，行駛軌道的各面應(yīng)平整，這種立 柱支撐的設(shè)計可以在運行軌道的下方種植作物，最大限度的利用了耕地。另一方面，噴霧小 車401是在軌運行，這使得噴霧小車401運行更加平穩(wěn)，不用過多考慮循跡問題。所述噴霧小 車401的動力裝置410包括位于行駛軌道正上方的驅(qū)動輪410a，以及位于行駛軌道側(cè)面，且 沿行駛軌道上外沿運動的導(dǎo)向輪410b和位于行駛軌道側(cè)面，且沿行駛軌道下外沿運動的穩(wěn) 定輪410c，每側(cè)兩個導(dǎo)向輪410b為噴霧小車401的驅(qū)動輪410a尋找方向，每側(cè)一個穩(wěn)定輪 410c在橫向上提供支撐，克服風(fēng)力、向心力等橫向作用力，所述驅(qū)動輪410a、導(dǎo)向輪410b以 及穩(wěn)定輪410c通過所述底盤支架410d裝配在一起，所述驅(qū)動輪410a采用輪轂電機，該驅(qū)動 輪410a的兩側(cè)外沿向下延伸卡接在行駛軌道兩側(cè)。
[0048]噴霧小車的行駛軌道的合理設(shè)計對噴霧效率與建設(shè)成本至關(guān)重要，所述行駛軌道 由直線軌道和半圓軌道組成，相鄰兩條直線軌道之間通過半圓軌道相切連接，在直線軌道 與半圓軌道的切點處軌道的外側(cè)面設(shè)置有支板，半圓軌道的上表面與半圓圓心所在平面成 夾角。
[0049]本實施例以1公頃的正方形土地為待噴灑的對象，假設(shè)噴霧小車401每一側(cè)可以噴 灑5m的寬度，那么噴霧小車401單個方向上就可以噴灑10m的寬度，1公頃行走10次5個來回， 總共需要鋪設(shè)10條l〇〇m長的長直軌道，為了使噴霧小車401在過彎是能夠平順的進行，相鄰 兩條軌道用半徑為5m的半圓形軌道相連接。直線軌道與半圓形軌道相切，半圓軌道面微微 上仰，與圓心所在平面成1°夾角，這樣做的目的是讓噴霧小車401轉(zhuǎn)向時，噴霧小車401重力 提供部分向心力，有助于噴霧小車401導(dǎo)向輪410b的轉(zhuǎn)向。在直線軌道與半圓形軌道的切點 處軌道側(cè)面做一小支板，噴霧小車401底盤上的行程開關(guān)通過小支板時，產(chǎn)生一個脈沖信號 給PLC控制模塊3，PLC控制模塊3結(jié)合目前噴霧小車401的速度大小做出減速或加運動，一般 在進入彎道時，噴霧停止，并做減速運動，在將要進入直線軌道時做加速運動，在進入直線 軌道時剛好達到噴霧速度，開始噴霧。噴霧小車401行駛軌道規(guī)劃圖如圖4所示。
[0050] 由于軌道立柱的影響，在行駛軌道兩側(cè)各安裝一個升降裝置411，如圖5所示，所述 升降裝置411包括水管接頭411a、外螺紋水管411b、固定平臺411c、齒輪411d以及角編碼器 41 le，其中，豎直設(shè)置的外螺紋水管41 lb的頂端連接所述水管接頭411a，所述外螺紋水管 411b的底端垂直設(shè)置了連接桿411f，在所述連接桿411f上設(shè)置有若干個噴頭403,所述水管 接頭411a的另一端連接水管，所述外螺紋水管411b垂直穿過所述固定平臺411c，在所述固 定平臺411c上設(shè)置有升降變頻電機411g，在所述固定平臺411c的底面設(shè)置有檢測作物高度 的下視雷達器502,由升降變頻電機411g驅(qū)動的齒輪411d與所述外螺紋水管411b齒合，所述 齒輪411d旋轉(zhuǎn)帶動所述外螺紋水管411b縱向移動，所述外螺紋水管411b升降最大值在30s 內(nèi)完成，則每秒移動50mm，設(shè)外螺紋管螺紋間距為d，則每秒應(yīng)移動50/d個螺紋，設(shè)齒輪齒數(shù) 為a，則電機轉(zhuǎn)速為3000/(a*d)，若電機磁極對數(shù)為b，則變頻調(diào)速的頻率應(yīng)為（50*b)/(a* d) 〇
[0051] 所述角編碼器411e的齒輪與所述外螺紋水管411b齒合，所述角編碼器411e的初始 位置設(shè)為〇位，在本實施例中，將噴頭403上升到最高位置時，角碼器411e的位置設(shè)為0位，由 所述外螺紋水管411b的縱向移動帶動所述角編碼器411e的齒輪轉(zhuǎn)動。設(shè)編碼器齒輪有k個 齒，則每個齒對應(yīng)角度為360°/k，若外螺紋水管下降距離為h，則編碼器對應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度為 (360° *h)/(k*d)，此時PLC控制模塊3斷掉驅(qū)動電機電源，電機電磁剎車抱死，停止外螺紋水 管縱向移動。
[0052]作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述固定平臺411c與地面之間距離為2m，可以滿足行 駛軌道下方的作物能夠正常生長，不受空間、光照及施藥的影響，為了滿足不同作物在各個 生長周期的噴霧距離要求，所述外螺紋水管411b的長度為150cm-180cm，所述噴頭403與地 面的最小距離為50cm，所述噴頭403與地面的最大距離為200cm〇
[0053]進一步地，該系統(tǒng)還包括設(shè)置在噴霧小車上的顯示模塊7,用以顯示所述噴霧小車 401的啟停、所述噴霧小車所述噴霧小車401的速度、所述水栗404的啟停、所述藥箱402液位 以及障礙物報警。
[0054]在本實施例中，所述PLC控制模塊3采用西門子公司的S7-200型PLC，所述數(shù)據(jù)接收 與處理模塊1采用EM235模擬量輸入輸出模塊，所述流量傳感器106采用LWGYC-4型渦輪流量 計，所述壓力變送器105采用FY2 11型壓力變送器，所述流量電動調(diào)節(jié)閥407采用 SR13G21520A1-E 型電磁閥。
[0055] 一種基于PLC的變量噴霧系統(tǒng)的控制方法，包括如下步驟：
[0056] S1:將所述噴霧小車401放置于行駛軌道上，所述PLC控制模塊3初始化；
[0057] S2:打開所述水栗404,向所述藥箱402中注入藥液，并通過所述液位傳感器101檢 測藥箱中藥液高度，若藥液高度小于最低水位線，發(fā)出警報，若藥液高度達到最高水位線， 則所述水栗404停止工作，并發(fā)出警報；
[0058] S3:所述噴霧小車401在所述PLC控制模塊3的控制下開始行走并噴霧：
[0059] (1)在行走過程中所述前視雷達501探測行駛軌道是否有障礙物，如果有，則向所 述PLC控制模塊3發(fā)出信號，所述噴霧小車401緊急停車，所述下視雷達502實時檢測作物的 高度，由所述PLC控制模塊3控制所述升降裝置411的高度，從而根據(jù)作物的高度調(diào)整噴頭 403的高度；
[0060] (2)在所述噴霧小車401前進過程中，所述PLC控制模塊3根據(jù)所述流量傳感器106 和壓力變送器105獲取的噴霧管道中的流量值和壓力值，根據(jù)模糊PID控制原理控制所述流 量電動調(diào)節(jié)閥407的開度，進行噴霧工作；
[0061 ] A1:測量噴霧粒徑的大小，找到最佳噴霧效果，將此時壓力變送器105測得的壓力 值和流量傳感器106測得的流量值作為模糊控制的目標值；
[0062]噴霧飄移一方面會造成噴霧不均勻，浪費農(nóng)藥，提高噴霧成本，另一方面還會給生 態(tài)環(huán)境造成嚴重的破壞。在噴霧過程中，細小的噴霧會很好的覆蓋到植株表面，但是由于風(fēng) 力的作用，常常會造成較大的飄散;噴霧霧滴過大，風(fēng)力作用效果減弱，不易飄散，但是它的 覆蓋性卻下降。因此，需要首先研究噴霧粒徑的大小，找到合適的噴霧效果，使其既能滿足 噴灑時有良好的覆蓋效果，又能抵抗風(fēng)力作用，減少飄散。
[0063]本實施中采用多譜勒粒子分析測試設(shè)備測試噴霧系統(tǒng)在不同的壓力，流量下，噴 霧粒徑的大小。根據(jù)系統(tǒng)配置，分別設(shè)置了壓力在0.5MPa、0.4MPa、0.3MPa、0.2MPa、0.1 MPa， 以及流量在〇 · lm3/h、0 · 08m3/h、0 · 07m3/h、0 · 06m3/h、0 · 05m3/h、0 · 04m3/h的測量條件，結(jié)果顯 不，像素點在1_3之間，即噴霧粒徑大約在66 · 3μηι-198 · 9μηι之間，認為是噴霧效果最好，此 時，壓力為〇.3MPa左右，流量在0.08m3/h左右。在粒徑在200μπι以上(像素點在3以上）的噴霧 效果差。因此，壓力〇. 3MPa、流量0.08m3/h作為系統(tǒng)控制的目標值。
[0064]隨后需要對噴霧沉積量進行測量，即在選定好的噴霧效果后，噴灑在農(nóng)作物上，測 量農(nóng)作物葉片上單位面積上有多少的藥物，沉積量的大小，直接決定了農(nóng)藥對作物病蟲害 的殺滅效果。
[0065] A2:如圖6所示，模糊推理：
[0066] A21:步驟A1得到的最佳噴霧效果時流量傳感器106測得的流量值作為設(shè)定值R (t)，所述流量傳感器106實際測得的流量值作為測量值Y(t)，將設(shè)定值R(t)與測量值Y(t) 進行比較，得到誤差e以及誤差e經(jīng)微分運算得到的誤差變化率ec;
[0067] A22:誤差e乘以量化因子Ke得到E的模糊語言變量值{NB，NM，NS，0，PS，PM，ro}^ 差變化率ec乘以量化因子Kec得到EC的模糊語言變量值{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB};
[0068] A23:根據(jù)E、EC結(jié)合PID控制規(guī)則，經(jīng)模糊推理輸出U，其中，輸出U包含了UKp、UKi和 UKd三個PID參數(shù)，每個參數(shù)均設(shè)有7個模糊語言變量值{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB};
[0069] A24:輸出U乘以比例因子Ku，進行逆模糊化處理，得到參數(shù)Kp、Ki及Kd;
[0070] A3: PID控制，如圖7所示：
[0071] 將設(shè)定值R(t)與測量值Y(t)之間的誤差傳送給PID控制器，根據(jù)誤差情況，在模糊 控制規(guī)則表中選取相適應(yīng)的Kp、K i、Kd參數(shù)，表1所示為Kp、K i、Kd的模糊控制規(guī)則表。
[0072] 表1 Kp、K i、Kd的模糊控制規(guī)則表
[0073]
[0074]在表1中，每格包含了Kp、Ki、Kd三個參數(shù)的模糊語言變量值，當(dāng)知道誤差，誤差的 變化率就可以自動的根據(jù)此表，來找出相應(yīng)的PID參數(shù)，而不用像傳統(tǒng)的PID，參數(shù)需要人工 手動調(diào)節(jié)。
[0075] 接著，進行PID運算得到輸出U，即控制量U，將控制量U經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后的信號輸送給 所述流量電動調(diào)節(jié)閥407,所述流量電動調(diào)節(jié)閥407根據(jù)控制量信號的大小，調(diào)節(jié)其開度，從 而達到控制流量的目的，其中，利用離散增量式模糊PID控制算法計算出流量電動調(diào)節(jié)閥 407的調(diào)節(jié)閥門位置的變化量：AU(k)=U(k)-U(k-l)=Kp*[e(k)-e(k_l)]+Ki*e(k)+Kd*[e (k_l )+e(k_2)]，式中，e(k)、e(k_l)、e(k_2)分別是第k次、第k_l次、第k_2次的誤差，Kp為比 例參數(shù)，Ki為積分參數(shù)，Kd為微分參數(shù)。
[0076] 流量電動調(diào)節(jié)閥407的閥門動力來源為電動機，電動機帶動減速機構(gòu)，控制閥門的 開度，從而達到控制流量的目的。設(shè)電動機的轉(zhuǎn)速為ω :，經(jīng)過減速后的轉(zhuǎn)速為ω 2，忽略電磁 慣性和機械慣性的影響，初始狀態(tài)設(shè)為〇，電動機的轉(zhuǎn)速ω i = 1(0?，減速后的轉(zhuǎn)速ω 2 = Κ2* Ur，可得公式1: ω 2 = KAK^Ur(1)式中，Ki為轉(zhuǎn)換系數(shù)，心為減速比系數(shù)，Ur為電動機的額定工 作電壓。
[0077] 在一定的液壓條件下，流量值與流量電動調(diào)節(jié)閥的閥門開度有關(guān)，流量與流量電 動調(diào)節(jié)閥的閥門開度成一 Γ型曲線關(guān)系。ω 2 = d0/dt，令K = KAK2，公式1可表示為公式2: d0 =K*Ur*dt (2)
[0078] 由于Ur是一個常數(shù)，對公式2進行積分運算得到公式3:
[0079] 0=K*Ur*(t-to) (3)
[0080]式中，to為電磁慣性和機械慣性，對公式3進行拉氏變化，得到控制器的運算關(guān)系 式4:
(4)
[0081 ] 經(jīng)查詢相關(guān)資料可知，K*Ur的值可以取1.738，電動機的啟動延時時間在0.005s到 0.01s之間，本實施例仿真to取0.01s，所以，上述的傳遞函數(shù)可以轉(zhuǎn)化為公式5:
(5)
[0082] (3)當(dāng)所述噴霧小車401的行程開關(guān)通過直線軌道與半圓軌道的切點處軌道的外 側(cè)面的支板時，產(chǎn)生一個脈沖信號發(fā)送給所述PLC控制模塊3,所述PLC控制模塊3結(jié)合所述 噴霧小車401的瞬時速度發(fā)出加速或者減速的指令，即從直線軌道進入半圓軌道時，所述噴 霧小車401停止噴灑并減速，在從半圓軌道進入直線軌道時，所述噴霧小車401做加速運動 并開始噴灑藥物；
[0083] S4:完成噴灑任務(wù)后，將所述外螺紋水管411b上升到最高位置，所述噴霧小車401 倒行返回操作臺。
[0084]本申請的上述實施例中，通過提供一種基于PLC的變量噴霧系統(tǒng)及其控制方法，首 先測量最佳霧化效果時的霧粒粒徑，將此時噴霧管道的流量值和壓力值大小作為系統(tǒng)控制 的目標值，PLC控制模塊根據(jù)流量傳感器和壓力變送器獲取的噴霧管道中的流量值和壓力 值，根據(jù)模糊PID控制原理控制流量電動調(diào)節(jié)閥的開度，進行噴霧工作，除此之外，對噴霧沉 積量進行測量，即在選定好的噴霧效果后，噴灑在農(nóng)作物上，測量農(nóng)作物葉片上單位面積上 有多少的藥物，本發(fā)明使得噴霧系統(tǒng)能夠均勻噴霧，在作物表面達到合理的藥物沉積量，在 保證有效防治病蟲害的前提下，符合無公害農(nóng)產(chǎn)品要求低量、超低量高效施藥的要求，減少 了用水量和用藥量，降低了成本，減少了藥物殘留。
[0085]應(yīng)當(dāng)指出的是，上述說明并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例， 本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改性、添加或替換，也應(yīng) 屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種基于PLC的變量噴霧系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊（1)、數(shù)據(jù)接收與處理模塊(2)、PLC 控制模塊(3)以及噴灑模塊(4)，所述數(shù)據(jù)接收與處理模塊(2)將所述數(shù)據(jù)采集模塊（1)采集 到的電信號轉(zhuǎn)化為所述PLC控制模塊(3)能夠直接接收和處理的信號，所述PLC控制模塊(3) 根據(jù)所述數(shù)據(jù)采集模塊（1)采集到的信息控制所述噴灑模塊(4)對作物進行噴霧，其特征在 于， 該系統(tǒng)還包括雷達探測模塊(5)和無線接收模塊(6)，其中，所述雷達探測模塊(5)包括 用以探測前方障礙物的前視雷達(501)和用以檢測作物高度的下視雷達(502)，所述雷達探 測模塊(5)的信息通過所述數(shù)據(jù)接收與處理模塊（1)傳輸給所述PLC控制模塊(3)，所述噴灑 模塊(4)包括噴霧小車(401 )、安裝在該噴霧小車(401)上的藥箱(402)以及將藥液霧化的噴 頭（403)，在所述藥箱（402)和所述噴頭（403)之間依次通過水栗（404)、回流電動調(diào)節(jié)閥 (405)、壓力變送器（105)、流量電動調(diào)節(jié)閥（407)、過濾器(408)和流量傳感器（106)連接形 成一噴霧管道，所述噴霧小車(401)在動力裝置(410)的驅(qū)動下沿鋪設(shè)的行駛軌道運行，所 述噴霧小車(401)上還設(shè)置有根據(jù)所述下視雷達(502)檢測的作物高度而自動調(diào)節(jié)噴頭高 度的升降裝置(411)，所述無線接收模塊(6)安裝在所述噴霧小車(401)上，用以接收操作命 令。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PLC的變量噴霧系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集模塊（1) 包括檢測所述藥箱中藥液高度的液位傳感器（101)，檢測所述噴霧小車啟動或停止時加速 度的加速度傳感器（102)，檢測所述噴霧小車瞬時速度的速度傳感器（103)，檢測所述噴霧 小車剩余電量及充電速度的電量檢測儀（104)，檢測噴霧管道壓力的壓力變送器（105)以及 檢測噴霧管道流量的流量傳感器(106)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PLC的變量噴霧系統(tǒng)，其特征在于，所述噴霧小車(401)的 動力裝置(410)包括位于行駛軌道正上方的驅(qū)動輪(410a)，以及位于行駛軌道側(cè)面，且沿行 駛軌道上外沿運動的導(dǎo)向輪(410b)和位于行駛軌道側(cè)面，且沿行駛軌道下外沿運動的穩(wěn)定 輪(410c)，所述驅(qū)動輪(410a)、導(dǎo)向輪(410b)以及穩(wěn)定輪(410c)通過所述底盤支架(410d) 裝配在一起，所述驅(qū)動輪(410a)采用輪轂電機，該驅(qū)動輪(410a)的兩側(cè)外沿向下延伸卡接 在行駛軌道兩側(cè)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PLC的變量噴霧系統(tǒng)，其特征在于，所述行駛軌道由直線 軌道和半圓軌道組成，相鄰兩條直線軌道之間通過半圓軌道相切連接，在直線軌道與半圓 軌道的切點處軌道的外側(cè)面設(shè)置有支板，半圓軌道的上表面與半圓圓心所在平面成夾角。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PLC的變量噴霧系統(tǒng)，其特征在于，在行駛軌道兩側(cè)各安 裝一個升降裝置(411)，所述升降裝置(411)包括水管接頭(411a)、外螺紋水管(411b)、固定 平臺（411c)、齒輪(411d)以及角編碼器(411e)，其中，豎直設(shè)置的外螺紋水管(411b)的頂端 連接所述水管接頭(411a)，所述外螺紋水管(411b)的底端垂直設(shè)置了連接桿(411f)，在所 述連接桿(411f)上設(shè)置有若干個噴頭(403)，所述水管接頭(411a)的另一端連接水管，所述 外螺紋水管(411b)垂直穿過所述固定平臺（411c)，在所述固定平臺（411c)上設(shè)置有升降變 頻電機(411g)，在所述固定平臺（411c)的底面設(shè)置有檢測作物高度的下視雷達器(502)，由 升降變頻電機(411g)驅(qū)動的齒輪(411d)與所述外螺紋水管(411b)齒合，所述齒輪(411d)旋 轉(zhuǎn)帶動所述外螺紋水管（411b)縱向移動，所述角編碼器(411e)的齒輪與所述外螺紋水管 (411b)齒合，所述角編碼器(411e)的初始位置設(shè)為0位，由所述外螺紋水管(411b)的縱向移 動帶動所述角編碼器(411e)的齒輪轉(zhuǎn)動。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于PLC的變量噴霧系統(tǒng)，其特征在于，所述固定平臺（411c) 與地面之間距離為2m，所述外螺紋水管(411b)的長度為150cm-18〇 Cm，所述噴頭(403)與地 面的最小距離為50cm，所述噴頭(403)與地面的最大距離為200cm〇7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PLC的變量噴霧系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括設(shè)置在 噴霧小車上的顯示模塊(7)，用以顯示所述噴霧小車(401)的啟停、所述噴霧小車所述噴霧 小車(401)的速度、所述水栗(404)的啟停、所述藥箱(402)液位以及障礙物報警。8. 如權(quán)利要求1所述的基于PLC的變量噴霧系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括如下步 驟： S1:將所述噴霧小車(401)放置于行駛軌道上，所述PLC控制模塊(3)初始化； S2:打開所述水栗(404)，向所述藥箱(402)中注入藥液，并通過所述液位傳感器（101) 檢測藥箱中藥液高度，若藥液高度小于最低水位線，發(fā)出警報，若藥液高度達到最高水位 線，則所述水栗(404)停止工作，并發(fā)出警報； S3:所述噴霧小車(401)在所述PLC控制模塊(3)的控制下開始行走并噴霧： (1) 在行走過程中所述前視雷達(501)探測行駛軌道是否有障礙物，如果有，則向所述 PLC控制模塊(3)發(fā)出信號，所述噴霧小車(401)緊急停車，所述下視雷達(502)實時檢測作 物的高度，由所述PLC控制模塊(3)控制所述升降裝置(411)的高度，從而根據(jù)作物的高度調(diào) 整噴頭(403)的高度； (2) 在所述噴霧小車（401)前進過程中，所述PLC控制模塊（3)根據(jù)所述流量傳感器 (106)和壓力變送器（105)獲取的噴霧管道中的流量值和壓力值，根據(jù)模糊PID控制原理控 制所述流量電動調(diào)節(jié)閥(407)的開度，進行噴霧工作； (3) 當(dāng)所述噴霧小車（401)的行程開關(guān)通過直線軌道與半圓軌道的切點處軌道的外側(cè) 面的支板時，產(chǎn)生一個脈沖信號發(fā)送給所述PLC控制模塊(3)，所述PLC控制模塊(3)結(jié)合所 述噴霧小車(401)的瞬時速度發(fā)出加速或者減速的指令，即從直線軌道進入半圓軌道時，所 述噴霧小車(401)停止噴灑并減速，在從半圓軌道進入直線軌道時，所述噴霧小車(401)做 加速運動并開始噴灑藥物； S4:完成噴灑任務(wù)后，將所述外螺紋水管(411b)上升到最高位置，所述噴霧小車(401) 倒行返回操作臺。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于PLC的變量噴霧系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述PLC控 制模塊(3)根據(jù)模糊PID控制原理控制所述流量電動調(diào)節(jié)閥（407)的開度，進行噴霧工作的 具體步驟包括： A1:測量噴霧粒徑的大小，找到最佳噴霧效果，將此時壓力變送器（105)測得的壓力值 和流量傳感器(106)測得的流量值作為模糊控制的目標值； A2:模糊推理： A21:步驟A1得到的最佳噴霧效果時流量傳感器（106)測得的流量值作為設(shè)定值R(t)， 所述流量傳感器（106)實際測得的流量值作為測量值Y(t)，將設(shè)定值R(t)與測量值Y(t)進 行比較，得到誤差e以及誤差e經(jīng)微分運算得到的誤差變化率ec; A22:誤差e乘以量化因子Ke得到E的模糊語言變量值{NB，匪，NS，0，PS，PM，PB}，誤差變 化率ec乘以量化因子Kec得到EC的模糊語言變量值{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}; A23:根據(jù)E、EC結(jié)合PID控制規(guī)則，經(jīng)模糊推理輸出U，其中，輸出U包含了UKp、UKi和UKd三 個PID參數(shù)，每個參數(shù)均設(shè)有7個模糊語言變量值{NB，匪，NS，0，PS，PM，PB}; A24:輸出U乘以比例因子Ku，進行逆模糊化處理，得到參數(shù)Kp、Ki及Kd; A3:PID 控制： 將設(shè)定值R(t)與測量值Y(t)之間的誤差傳送給PID控制器，根據(jù)誤差情況，在模糊規(guī)則 表中選取相適應(yīng)的Kp、Ki、Kd參數(shù)，進行PID運算得到輸出U，即控制量U，將控制量U經(jīng)D/A轉(zhuǎn) 換后的信號輸送給所述流量電動調(diào)節(jié)閥（407)，所述流量電動調(diào)節(jié)閥（407)根據(jù)控制量信號 的大小，調(diào)節(jié)其開度，從而達到控制流量的目的，其中，利用離散增量式模糊PID控制算法計 算出流量電動調(diào)節(jié)閥（407)的調(diào)節(jié)閥門位置的變化量： AU(k)=U(k)-U(k_l) = Kp*[e(k)-e(k_l) ]+Ki*e(k)+Kd*[e(k_l )+e(k_2)]，式中，e (k)、e(k-l)、e(k-2)分別是第k次、第k-1次、第k-2次的誤差，Kp為比例參數(shù)，Ki為積分參數(shù)， Kd為微分參數(shù)。
【文檔編號】A01M7/00GK106070156SQ201610615984
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月30日 公開號201610615984.3, CN 106070156 A, CN 106070156A, CN 201610615984, CN-A-106070156, CN106070156 A, CN106070156A, CN201610615984, CN201610615984.3
【發(fā)明人】宋樂鵬, 胡皓, 何蘭, 陳庭勇
【申請人】重慶科技學(xué)院, 宋樂鵬