PWM变量喷施压力稳定控制系统

章少岑，山

（江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏

镇江

212013）

0引言

6013型常闭直动式电磁阀（德国，Burkert公司），工作压力0.3～0.5MPa、开启时间20ms、关闭时间30ms；采用DBEE6-1X/50型先导式比例溢流阀（德国，博世力士乐股份公司），操作电压直流24V、最大流量和最大工作压力分别为30L/min和5MPa、内部自带控制用集成电子元件。

常规机动农药喷施作业无法因地制宜、按需施药，变量喷施技术因其可根据施药区域病虫草害情况按需施药，提高农药的有效利用率成为了施药技术重要的发展方向[1-3]。变量喷施技术主要分压力调节式、浓度调节式和PWM间歇喷雾流量调节式3种[4]，PWM间歇喷雾流量调节式动态特性好、控制精度高，具有更加广阔的应用前景[5-7]。PWM间歇喷雾流量调节式变量喷施系统在作业过程中因隔膜泵周期性压力脉动、电磁阀快速启闭液压冲击以及设定施药流量的变化，系统喷雾压力波动较大，对施药效果造成较为严重的影响[8-9]。目前，国内外有关PWM变量喷施系统压力脉动特性及其消除方法的研究很少。

本文针对PWM间歇喷雾流量调节式变量喷施系统压力脉动的主要来源，为其设计压力稳定控制系统，并通过试验对该系统的性能及稳定性进行测试。

1.过滤器感器

2.隔膜泵3.隔膜泵动力输入轴4.隔膜泵动力输

6.比例溢流阀

7.压力传

9.显示器

入轴转速传感器5.喷施流量传器

8.“电磁阀+喷头组合”

图1

PWM变量喷施系统

1PWM变量喷施系统

1.1系统结构

PWM变量喷施技术是事先在容器中将化学药剂和水混合好，且在一定流量调节范围内保持压力的稳定，通过改变电磁阀动作频率和占空比来调节喷头喷雾流量[10]。

在实际运作过程中，通过对农田作物病虫草害的探测[11]及GPS定位装置生成各喷头喷施处方图，调节电磁阀动作频率及占空比，对“电磁阀+喷头”组合的流量进行调节，实现农药喷施的因地制宜，变量喷施。

设计PWM变量喷施系统如图1所示，采用自带手动溢流阀、排量40L/min、最高工作压力可达1.5MPa的隔膜泵供液；采用最高耐压2MPa的TR80-05型圆锥雾喷头（德国，Lecher公司）；采用总第209期

隔膜泵动力输入轴转速传感器采用JK8002C型霍尔式接近开关，在隔膜泵输入轴上对应安装1个磁钢，工作电压为直流5～24V，响应频率100kHz；喷杆压力传感器采用CYT-102通用型压力变送器（北京天宇恒创有限公司），工作电压为直流24V、测量范围0～1.5MPa、精度0.25%、输出为4～20mA；喷施流量传感器采用LWGY-15型流量传感器（北京天宇恒创有限公司），工作电压为直流24V、测量范围0.3～5m3/h、精度0.25%、输出为4～20mA。1.2PWM变量喷施压力稳定控制原理

PWM变量喷施系统在运行过程中存在很大的压力脉动，严重影响喷头的喷雾流量及雾化特性，其中隔膜泵周期性压力脉动为系统固有脉动，本文致力于减少和消除目标因喷施量变化及电磁阀启闭状态变化导致的流量波动所引起的压力脉动。

23

粤耘栽农业装备技术圆园19.1在实际喷施过程中，根据不同区域病虫草害的具体情况，目标喷施流量会有较大幅度的波动；此外，如图2所示，在每个电磁阀动作周期内，大量电磁阀同时开启，不同时关闭，电磁阀开启瞬间液压冲击大，电磁阀动作周期内流量变化大。目标喷施量变化及电磁阀启闭状态变化导致的大幅度喷施流量波动对喷施管路造成较大的液压冲击。

进行智能匹配，使一部分“电磁阀+喷头”组合在周期前半段开启，另一部分“电磁阀+喷头”组合在周期后半段开启，使喷施管路的喷雾流量在整个电磁阀周期内保持一定稳定性，减小电磁阀动作周期内因电磁阀启闭状态变化导致的喷雾流量的波动幅度，进而减少电磁阀启闭状态变化导致的喷雾压力脉动，并配置稳压气室以减少电磁阀启闭瞬间的液压冲击。

2PWM变量喷施压力稳定控制系统

2.1PWM变量喷施压力稳定控制系统硬件

PWM变量喷施压力稳定控制系统为整个PWM变量喷施系统的压力提供稳定性控制，根据系统控制需求，选用DSP56F805型数字信号控制器（美国，飞思卡尔半导体公司）作为其控制核心。DSP56F805具有5路A/D输入通道，可满足检测喷杆压力和喷杆实际的喷施流量的需要；具有4个通用四元定时器组件，可满足检测隔膜泵转速的需要；具有1个SPI串行外设接口来拓展A/D转换器，以控制比例溢流阀；具有2个6路可编程的PWM模块，以控制12路PWM信号；具有14路通用I/O接口、外部扩展接口，以键盘输入数据以及LCD显示。PWM变量喷施压力稳定控制系统原理图如图4所示。

图2电磁阀控制信号无匹配

通过比例溢流阀，使用预测控制及PID控制算法对目标喷施流量变化导致的压力波动进行，减少因目标喷施量变化造成的喷雾压力脉动；此外，如图3所示，对每个“电磁阀+喷头”组合的占空比

图4PWM变量喷施控制器的结构原理图

图3电磁阀控制信号匹配

24总第209期

圆园19.1章少岑等：PWM变量喷施压力稳定控制系统粤耘栽

2.2PWM变量喷施压力稳定控制系统软件2.2.1

隔膜泵转速、喷杆压力及喷施流量的检测DSP56F805可对其模拟量输入通道进行规定次数的顺序循检，并在循检完成后产生中断，获得循检结果的平均值。但电磁阀高速启闭及隔膜泵周期性压力脉动导致检测压力数据存在较大的波动及尖端噪声，因而需要将抽样时间配置为隔膜泵膜片脉动周期的整数倍，以消除隔膜泵脉动压力误差，并为压力检测电路添加低通滤波器，滤除电磁阀高速启闭产生的尖端噪声。

低通滤波器的截止频率设定为隔膜泵膜片的最大脉动周期即隔膜泵最大转速的1.2倍。

通过霍尔传感器，使用DSP56F805的四元定时器D的Timer1对隔膜泵输入轴转速进行测量，隔膜泵输入转速如式(1)所示。

n=60/TD

式中：n—隔膜泵输入轴转速，r/min；

TD—D组件Timer1计时值，s。

根据实时所得的隔膜泵转速，将检测时间配置为隔膜泵膜片脉动周期的整数倍。

CYT102型压力变送器为线性输出，试验所得标定公式为：

P=3X/26216

式中：P—喷杆压力，MPa；

X—喷杆压力信号的A/D转换结果。LWGY-15型液体涡轮流量传感器为线性输出，试验所得标定公式为：

q=25y+53788

式中：q—喷杆实施喷施流量，L/min；

y—喷杆喷施流量信号的A/D转换结果。在测控循环周期内，取喷杆压力及喷杆流量的检测平均值作为最终检测结果。2.2.2

电磁阀的控制

DSP56F805的PWM模块具有6路可调的PWM信号，通过寄存器PMCTL的PRSC[1∶0]位控制PWM信号的时钟频率；通过寄存器PWMVAL（0-5）的PWMVAL[15∶0]位控制各通道的占空比；通过寄存器PMCFG的TOPNEG[2∶0]位分别控制PWM0、PWM2、PWM4的输出极性，BOTNEG[2∶0]位分别控制PWM1、PWM3、PWM5的输出极性[12]。

采用电磁阀控制信号匹配对喷杆压力进行调总第209期

（3）（2）（1）

节。根据喷雾处方图对各个“电磁阀+喷头”组合的流量进行确定，设其为[Ax（]x=1~12），对其进行求和计算可得：

M=移Ax

121

（4）

式中：M—喷头总流量；Ax—喷头x的流量。然后对各喷头流量Ax进行冒泡排序，使其从小到大依次排列，设为[Bx]。对Bx进行累加，直到

H=B1+…+Bn≥M2即[Bx]的前n项之和大于M。

2为了对流量匹配进行进一步的优化，对B1到Bn-1项进行求和。

H0=B1+…+Bn-1

（6）（5）

式中：H0—[Bx]的前(n-1)项之和。

若H0≥(M-H)，则设置[Bx]前(n-1)项对应电磁阀PWM信号的输出极性为正，设置[Bx]其余项对应电磁阀PWM信号的输出极性为负，并对其占空比Dx(x=n～12)作如下处理：

Dx=（1-Dx')

（7）

式中：Dx'—PWM信号极性为正时的占空比。若H0＜(M-H)，则设置[Bx]前n项对应电磁阀PWM信号的输出极性为正，设置[Bx]其余项对应电磁阀PWM信号的输出极性为负，并对Dx(x=n+1～12)作式（7）处理。

最后，向各电磁阀输出系统匹配的控制信号，完成喷施管路内喷雾压力的大范围粗略调节。2.2.3比例溢流阀的控制

采用预测超前控制和PID实时控制相结合的方法，通过比例溢流阀对目标喷施流量变化导致的喷雾压力脉动进行。

根据霍尔传感器检测的隔膜泵输入转速n及系统设定压力ps计算隔膜泵设定排量：

Q=浊Tn9.549ps

式中：Q—隔膜泵设定排量；

浊—隔膜泵工作效率；T—隔膜泵扭矩。

根据喷雾处方图确定当前喷施区域所需的喷施量Q1，通过式（9）获得比例溢流阀的目标溢流量Q0

Q0=Q-Q1

（9）25（8）

粤耘栽农业装备技术圆园19.1然后根据喷杆压力传感器检测到的实际喷杆压力p与设定压力ps进行对比计算，对喷杆压力进行PID实时调节，控制模型为：

D=D0-k1(n-移qi-10)-k2e

15i=1

12

力稳定控制系统可以十分有效地稳定喷施管路中的喷雾压力。参考文献:

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[J].农机化研究，2011（2）：9-14.

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[3]M.E.R.Paice,P.C.H.Miller,W.Day.Controlrequirements

forspatiallyselectiveherbicidesprayers[J].ComputersandElectronicsinAgriculture,1996(14):163-177.[4]魏新华，蒋杉，孙宏伟，等.PWM间歇喷雾式变量喷施控

制器设计与测试[J].农业机械学报，2012，43（12）：87-93.[5]魏新华，于达志，白敬，等.脉宽调制间歇喷雾变量喷施系

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valveresponsetimesonwaterhammerinvariableratesprayingsystem[J].TransactionsofChineseSocietyofAgri－

（10）

式中：D—TLC5615的新控制量值（取整）；

e—喷杆压力测量值p与压力设定值ps

之差。

经过试验测定得，当初始压力设定为0.5MPa时，k1=2.62、k2=135。

k1、k2—比例系数；

3试验

如图6所示，将搭建有PWM变量喷施压力稳定控制系统的3WX-200型悬挂式喷杆喷雾机挂接在上海—50型拖拉机上，构成PWM变量喷施压力稳定控制系统试验机组。

图5PWM变量喷施压力稳定控制系统试验机组

culturalEngineering,2016，32(3):-68

[10]邓巍,丁为民，何雄奎.变量喷施技术及其雾化特性评价

方法综述[J].中国农业大学学报，2009，14(3)：:94-102.[11]邱白晶，闫润，马靖，等.变量喷雾技术研究进展分析[J].农

业机械学报，2015，46（3）：59-72.

[12]奚正平.基于DSP56F805的PWM实现[J].微特电机，2004

（1）：18-20.

将隔膜泵输入转速调节在300r/min左右，将喷雾压力分别设定在0.3、0.4、0.5MPa，根据喷雾处方图对指定区域进行喷施作业，开启喷雾压力稳定系统，通过试验观察喷雾压力脉动情况及喷杆压力。

将隔膜泵输入转速分别调节在400r/min、500r/min左右，重复以上试验步骤。

基金项目：江苏省重点研发计划（现代农业）资助项目（BE2018331）。

4结语

由试验结果可知，本文设计的PWM变量喷施压

26总第209期