一種提高混藥裝置混藥濃度穩(wěn)態(tài)精度的實時控制方法
【專利摘要】本發(fā)明一種提高混藥裝置混藥濃度穩(wěn)態(tài)精度的實時控制方法，該方法具體如下4個步驟：步驟一：獲得藥液流量和水流量傳遞函數(shù)的一階慣性延遲表達(dá)式；步驟二：導(dǎo)出被控對象在PI(比例積分)控制器作用下穩(wěn)態(tài)振蕩幅度的關(guān)系表達(dá)式；步驟三：確定PI控制器參數(shù)Kc和τi對穩(wěn)態(tài)振蕩幅度a的影響機(jī)理；步驟四：調(diào)節(jié)PI控制器參數(shù)，對控制系統(tǒng)被控量——藥液流量和水流量的穩(wěn)態(tài)振蕩幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明構(gòu)思科學(xué)、巧妙，經(jīng)過實驗驗證，自適應(yīng)和實時性強(qiáng)，為混藥濃度的精密控制過程提供了一種操作簡便、快速、低成本的穩(wěn)態(tài)精度提高方法，為實際工業(yè)控制系統(tǒng)的精密控制提供了一條新的途徑。
【專利說明】一種提高混藥裝置混藥濃度穩(wěn)態(tài)精度的實時控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種提高混藥裝置混藥濃度穩(wěn)態(tài)精度的實時控制方法。該方法能實現(xiàn) 通過動態(tài)調(diào)整控制器參數(shù)來提高混藥濃度的穩(wěn)態(tài)控制精度。屬于智能化裝備與控制領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 與傳統(tǒng)的預(yù)混藥方式相比，在線混藥的特點是藥箱和水箱分離，工作時通過混藥 裝置在線混藥。在線混藥裝置可以實現(xiàn)農(nóng)藥濃度根據(jù)病蟲害的嚴(yán)重程度按需變化，在病蟲 害嚴(yán)重區(qū)域提高藥液濃度，在病蟲害較輕區(qū)域降低藥液濃度，達(dá)到根據(jù)病蟲害程度按需混 藥。
[0003] 在線混藥是當(dāng)前提高農(nóng)藥利用率、減小環(huán)境污染的最有效手段之一，也是提高農(nóng) 藥使用安全性的最有效手段之一。藥水混合比的動態(tài)檢測和穩(wěn)定控制是在線混藥裝置保證 噴霧濃度均勻穩(wěn)定的關(guān)鍵，考慮到噴霧機(jī)組作業(yè)過程中藥水混合比一般在1:300?1:500 之間，因此，對農(nóng)藥的小流量高精度檢測是在線混藥裝置應(yīng)用到實際作業(yè)過程中必須解決 的一個核心問題，尤其是目前市場上尚未見到能對農(nóng)藥小流量檢測的體積流量計，一些科 里奧利質(zhì)量流量計雖能對農(nóng)藥流量進(jìn)行檢測，但高精度的傳感器價格很高，因此目前必須 尋求農(nóng)藥的低成本、高精度計量手段。
[0004] 在現(xiàn)有技術(shù)中， 申請人:未發(fā)現(xiàn)通過動態(tài)調(diào)整控制器參數(shù)提高混藥濃度的穩(wěn)態(tài)控制 精度的混藥裝置，如果能通過動態(tài)調(diào)整控制器參數(shù)，在不增加任何硬件成本和不改變硬件 結(jié)構(gòu)情況下使穩(wěn)態(tài)控制精度得到提高，具有一定現(xiàn)實意義。對相近技術(shù)現(xiàn)有專利進(jìn)行檢索 時發(fā)現(xiàn)，申請?zhí)枮?00510041334. 4的中國專利1《一種噴霧機(jī)構(gòu)藥與水分離的方法》公開 了噴霧機(jī)中農(nóng)藥和水分離的方法，在該方法中預(yù)先將農(nóng)藥和水分別存放在帶有刻度的容器 中，對農(nóng)藥和水進(jìn)行精確計量。專利2 (申請?zhí)枮?00810027898)公開了一種《變量噴霧自 動混藥裝置》，該裝置考慮一種或多種農(nóng)藥單獨或同時噴施、噴霧濃度實時變化的情況；專 利3 (申請?zhí)枮?01010132393. 3)公開了《一種自動混藥裝置》，該裝置包括射流部分和螺旋 部分，其特點是：農(nóng)藥和水分離單獨存放，并利用負(fù)壓和湍流混合原理實現(xiàn)農(nóng)藥和水的自動 快速均勻混合，但該裝置無法實現(xiàn)對藥和水精確計量，無法實現(xiàn)對藥水混合比的精確控制， 而藥水混合比在實際噴霧過程中直接關(guān)系到對病蟲害防治效果的一下重要指標(biāo)，直接關(guān)系 到噴霧效果的實現(xiàn)，當(dāng)實際藥水混合比小于所要求混合比時，藥液濃度太小，達(dá)不到防治病 蟲害目的，反之，藥液濃度過大，不僅對作物造成損傷，還會造成環(huán)境污染。專利4 (申請?zhí)?為201210585002. 2)公開了《一種車載式混藥裝置》，主要考慮藥液和水分開存儲并實現(xiàn)在 線均勻快速混合，但仍不能夠控制藥水混合比；專利5 (申請?zhí)枮?9228118. 0)公開了一種 利用正壓和負(fù)壓原理進(jìn)行藥水混合的《混藥裝置》，該裝置主要包括盛水瓶、藥液袋和混藥 液組成，在混藥器上設(shè)置了注水孔和吸液孔，工作時盛放在藥液袋中的農(nóng)藥經(jīng)過混藥器上 縮頸部分時產(chǎn)生負(fù)壓，注水孔產(chǎn)生正壓，在正負(fù)壓共同作用下使得農(nóng)藥從藥液袋進(jìn)入混藥 裝置實現(xiàn)藥、水混合。專利6 (申請?zhí)枮?01310670806. 7)公開了一種《植保機(jī)械噴藥系統(tǒng) 動態(tài)比例混藥裝置》，考慮采用藥水二次混合的混藥方式，即將藥和水在初混箱進(jìn)行初次混 合，然后通過比例混藥泵將初混液和水吸入噴施管道進(jìn)行二次混合（難于準(zhǔn)確控制藥水混 合比）。專利7 (申請?zhí)枮?00920202638. 8)公開了一種《噴霧機(jī)用機(jī)械蠕動式混藥裝置》， 該裝置將柱塞泵曲軸與安裝在凸輪上的滾柱形狀的壓輥采用同一動力軸帶動，使柱塞泵和 蠕動管的流量同步變化，試圖實現(xiàn)定比動態(tài)混藥，但該裝置只能適用于固定藥水混合比的 情況，不能對藥水混合比比進(jìn)行改變。上述專利中大多通過溢流閥對水流量和壓力進(jìn)行控 制，通過高精度流量傳感裝置和高精度控制閥對藥液流量進(jìn)行測控，通過控制水流量和藥 液流量對混藥濃度進(jìn)行控制， 申請人:未發(fā)現(xiàn)通過動態(tài)調(diào)整控制器參數(shù)提高混藥濃度的穩(wěn)態(tài) 控制精度的混藥裝置。
[0005] 混藥裝置中對水流量和藥液流量精密控制就需要有相應(yīng)的高精度的傳感器和執(zhí) 行機(jī)構(gòu)，高精度傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)一方面價格高，另一方面無論多高精度的傳感器和執(zhí)行 機(jī)構(gòu)，由于實際控制系統(tǒng)受執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器死區(qū)及分辨率的影響使得各個被控量在達(dá)到 穩(wěn)態(tài)時并不能準(zhǔn)確的穩(wěn)定在設(shè)定值，而是在平衡位置附近以一定幅度一定周期波動，各個 被控量的穩(wěn)態(tài)振蕩幅度、振蕩周期和振蕩相位這3個參數(shù)并不相同，這3個參數(shù)波動情況的 不同會產(chǎn)生不同的穩(wěn)態(tài)控制精度，如果通過動態(tài)調(diào)整控制器參數(shù)使各個被控量的穩(wěn)態(tài)振蕩 幅度降低，從而獲得較高的穩(wěn)態(tài)控制精度，這種在不增加任何硬件成本和不改變硬件結(jié)構(gòu) 情況下使穩(wěn)態(tài)控制精度得到提高的方法，具有一定現(xiàn)實意義。由混藥濃度計算公式：
[0006]

【權(quán)利要求】
1. 一種提高混藥裝置混藥濃度穩(wěn)態(tài)精度的實時控制方法，其特征在于：該方法具體步 驟如下： 步驟一：獲得藥液流量和水流量傳遞函數(shù)的一階慣性延遲表達(dá)式； 實際控制系統(tǒng)中，藥液流量和水流量控制系統(tǒng)可表示成一階慣性延遲系統(tǒng)或通過模型 降階方法簡化為一階慣性延遲系統(tǒng)，一階延時慣性過程傳遞函數(shù)可表示為：
(2) 其中，k為放大倍數(shù)，τ為時間常數(shù)，Θ為系統(tǒng)延遲； 通過階躍響應(yīng)實驗，可確定（2)中的k、τ和Θ3個參數(shù)的值，即獲得被控系統(tǒng)的一階 慣性延遲系統(tǒng)的傳遞函數(shù)表達(dá)式； 步驟二：導(dǎo)出被控對象在ΡΙ (比例積分）控制器作用下穩(wěn)態(tài)振蕩幅度的關(guān)系表達(dá)式； (1)穩(wěn)態(tài)振蕩幅度的表達(dá)式的導(dǎo)出 受限制（低）輸入分辨率的反饋控制會導(dǎo)致極限環(huán)；對輸入分辨率的一個簡單的代表 就是使用一個被量化的輸入；量化器的輸出為： uq = q · round (u/q) (3) 其中，u和u,分別為量化器的輸入和輸出；q為量化步長，這里量化器代表受限的執(zhí)行 機(jī)構(gòu)分辨率；round為取整函數(shù)； 帶有量化器的反饋系統(tǒng)中，G(s)為控制對象（過程）傳遞函數(shù)，K(s)為控制器，y和r 分別為過程輸出和參考輸入，u為被控量；由于執(zhí)行器低分辨率導(dǎo)致了階梯式的輸入，從而 使得控制對象輸出y以幅度a(從波谷到波峰的總幅度）在平衡位置震蕩； 含有量化器的反饋系統(tǒng)中，若控制器中有積分作用存在，則極限環(huán)是不可避免的； 穩(wěn)態(tài)時，輸出y的平均值等于參考輸入r，即yss = r，> = ，對應(yīng)的輸入
(4) 其中G(0)為過程的穩(wěn)態(tài)增益，由于測量噪聲的存在，一般情況下，uss不可能正好等于 量化器級別1，則量化器輸出u,必然至少在兩個量化器級間震蕩； 假定該過程由周期性持續(xù)輸入u(t)信號激勵；該信號由不帶遲滯環(huán)的繼電器產(chǎn)生；其 中qi、q2為極限值，h為u,保持qi的時間，T為振蕩周期（T = h+t2)，該信號可表示為頻域 上一系列時延項；不失一般性，假定q2 = 〇, Qi = Q，則：
(5) 將此信號作用到式（2)表示的過程，輸出信號會出現(xiàn)震蕩；震蕩的最大（小）值存在于 集合？=乜4 =辦+冊71 + 6>，/歷已#}，最小（大）值存在于集合^ = 0卜=77, + 6?，/講€#};在 θ +T < t < Θ +ti+T范圍內(nèi)最大值為 轉(zhuǎn)換到時域得 (6) (8) (7) 這樣，最大（?。┲禐? 因此，最大（?。┲悼蓴U(kuò)展為
(9) 即
(10) 當(dāng)n-c?時，（e^)n-〇,式（9)的有限和為
(11) 則
(12) 同樣地，可導(dǎo)出在e+h+Tsts Θ+2Τ范圍內(nèi)最大值：
(13) 震蕩幅度a = yextl_yext2，即
(14) 式（14)中a依賴于&和T，為此必須確定它們的值； ^心和！1的導(dǎo)出 u(s) = K(s) [r(s)-y(s)] (15) 其4
, r (s) = r〇/s, y (s) = G(s)uq(s),

(16) 考慮PI控制器，將式（16)代入（15)，并轉(zhuǎn)換成時域形式，則有
(17) 當(dāng) 0〈t〈tQ+0 時， 在區(qū)間 t〇+ Θ <t<t〇+t!+ θ , (18) (20) (19) 同樣地，對于區(qū)間 1：。+!^+ Θ〈iXta+ti+t；^ θ， 上式中，《(0= 其中

PI) 其中round為取整函數(shù)；將 t = t0, t = to+tp t = to+i^+i^ 分另ij代入式（18), (19), (20)得：
由于 u(t。）=11(1^+1:) =11(1^+1^+1:2),結(jié)合式（22)?（24)，得： (22) (23) ^4)
(25)
(26) 特別地，當(dāng)τ = τ Σ時，式（18)?（20)可分別變?yōu)椋?br> (27)
P8)
(29) 由于 u(t。）= 11(1:。+!^) = uUo+ti+i^),將 t = t。，t = to+ti+ty t = to+h 分別代入式 (27)，（28)，（29)并求解得： (0) (31)
(32) 當(dāng)τ尹^時，對式（22)?（24)進(jìn)行數(shù)值求解，可得到&和1\然后代入式（14) 即可求得被控系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)振蕩幅度a ; 步驟三：確定PI控制器參數(shù)Kc和τ Σ對穩(wěn)態(tài)振蕩幅度a的影響機(jī)理； 通過實驗和仿真確定Kc和τ Σ對穩(wěn)態(tài)振蕩幅度a的影響規(guī)律，為穩(wěn)態(tài)過程中通過適當(dāng) 調(diào)節(jié)Kc和τ Σ降低穩(wěn)態(tài)振蕩幅度a，提高穩(wěn)態(tài)控制精度奠定基礎(chǔ)； 步驟四：調(diào)節(jié)PI控制器參數(shù)，對控制系統(tǒng)被控量--藥液流量和水流量的穩(wěn)態(tài)振蕩幅 度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
【文檔編號】G05D11/13GK104156012SQ201410378184
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月1日
【發(fā)明者】李晉陽, 魏新華 申請人:江蘇大學(xué)