智能喷雾系统研究评述.doc

专业文献综述题 目: 智能喷雾系统研究评述 姓 名: 张诗权 学 院: 工学院 专 业: 自动化 班 级: 81班 学 号: 3228113 指导教师: 王玲 职称: 教授 2012 年 4月 14 日南京农业大学教务处制智能喷雾系统研究评述自动化专业学生 张诗权指导老师 王玲摘要：基于脉宽调制（PWM）技术的智能喷雾系统，现主要有连续式喷雾和间歇式喷雾两种。 本文综合了前人所研究的成果，归纳分析了这两种喷雾方式的技术实现，及各自的优缺点。经过比较，连续式喷雾流量调节范围较宽，流量减小时，喷布分布明显向中央集中，喷雾角变小，流量控制对雾滴粒径影响很小。间歇式喷雾流量调节范围较窄，随着流量的减小，雾量分布向中央集中的趋势较小，流量控制对喷雾动态特性的影响也较小。并在此基础上，概述了国内外这类植保机械的发展现状及趋势分析。关键词：PWM；连续式；间歇式；趋势Intelligent control system of electric sprayerAutomation major student ZhangShiquanTutor WangLingAbstract： The intelligent spray system based on pulse modulation (PWM) technology, which is now mainly a continuous spray and intermittent spray two. This article integrated the previous research results, summarized and analyzed two kinds of spray technology and their advantages and disadvantages. After comparison, the continuous flow regulating range of this set was wide. When the spray flow-rate was reduced, the spray distribution concentrated toward the center obviously and the spray angle became smaller. The effects of the flow control on spray droplet diameter were slight. But the intermittent flow regulating range of this set was narrow. When the spray flow-rate was reduced, the trend that spray distribution concentrated toward the center is smaller, and the spray control has less impact on spray dynamic characteristic.On this basis, this article summarized the development status and trend of such plant protection machinery.Key words: PWM; continuous; intermittent; trend0 引言： 精准喷施过程中变量喷施系统不断检测喷施目标的特性，用目标信息来决定所需要的喷雾输出特征，以改善农药喷施过程的有效性和准确率。精准喷施过程由探测喷施目标、喷施优化决策和变量喷施3个阶段组成。前两个阶段国内研究的较多，本文围绕第3个阶段，总结前人的成果，分别对基于PWM技术的连续式和间歇式喷雾方式做了比较，归纳出各自的优缺点。最后，针对目前国内外植保器械的现状，描述了未来的发展趋势。1 PWM调制方式的界定1.1 脉冲宽度调制的定义脉冲宽度调制技术是脉冲信号的调制方法之一。当保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制（pulse-width modulation，简称PWM），则=ton/T为导通占空比或导通比。1.2 连续喷雾与间歇式喷雾概念界定由于两种调节方式的阀门工作方式不一样，连续式电磁阀的阀门具有一定开度，通过PWM技术得到不同的输出电流，以改变阀门开度的大小，从而控制了喷雾流量的大小。而间歇式电磁阀的阀门只有两种状态，关闭和完全打开，喷出的水是断断续续的，因此而得名。2 连续喷雾与间歇式喷雾的比较 2.1 两种控制方式的原理基于PWM控制技术的连续喷雾流量控制原理如图1所示，控制波形如图2所示。图1 基于PWM技术的连续喷雾流量控制原理图图2 连续喷雾流量控制原理波形图PWM控制电路输出方波信号V(t)，负载为电磁比例调节阀，是电感性负载。图2示出三段不同占空比的方波信号。当方波信号为高电平时（图2a中ton时段），控制电路给负载供电，感性负载完成充电过程，负载电流逐渐上升，如图2b所示。当方波信号为低电平时，即输出电压处于断态时间（图2a中toff时段），控制电路不给负载供电，电感负载由于反向电动势会通过反向并联在负载两端的二极管反向放电，形成续流，使负载上的电流不会断续，如图2b所示。在PWM控制电路中一般称此二极管为续流二极管。因为有了续流二极管，使负载上的电流连续。如果感性负载中的感抗足够大，及，则负载电路就会接近、甚至成为恒流，即图2c中的。当PWM方波信号的占空比不同时，可改变电感的充放电时间，从而改变负载上的输出电流的大小，使输出功率得到调节，电磁比例调节阀的阀门开度得到控制，实现流量的控制。基于PWM控制技术的间歇式喷雾流量控制原理如下图3所示。图3 间歇喷雾PWM信号控制流量的原理是计算机产生的具有一定频率的控制信号，将该信号与调制信号进行比较，若在某时刻的值小于调制信号的值，则电路输出高电平，使阀门开启；否则电路输出低电平，使阀门关闭。从而得到如图3b所示的一系列脉冲控制信号。将这一系列控制信号施加到电磁阀的电磁铁线圈上，则在一个循环时间内，在期间阀门打开，有流量Q通过，在器件阀门关闭，无流量通过。调节占空比（=ton/T），即可调节流经开关电磁阀的流量。2.2 两种方式雾化特性比较基于PWM技术的连续式和间歇式喷雾方式，其雾化特性有所区别，具体请参看下表1。表1 连续式和间歇式喷雾方式特性对比 喷雾方式特性连续式喷雾间歇式喷雾流量调节范围24kHZ频率下，占空比从100%到40%时，平口扇形喷嘴为7.14；中空锥形喷嘴为3.57；实心锥形为3.70电磁阀分别用5、8、10Hz 3种频率的电信号驱动，在各种频率下调节占空比，从100%到10%时，得到相对流量，用最大流量除以最小流量，平口扇形喷嘴流量调节范围为4.17雾量分布随着占空比、流量的减小，药液量显著向中央区域集中随着流量的减小，喷雾分布从总体上有集中在喷嘴中央附近的趋势，但变化不显著喷雾角流量减小时，喷雾角显著减小，受流量控制的影响较显著流量变化对喷雾角有一点影响，但影响程度较小喷雾粒径流量减小时，喷嘴的喷雾粒径稍有减小，影响不是很大流量减小时，粒径增大，但影响幅度较小3.PWM波形产生方式PWM波形产生的方式有很多，软硬件方式都是可以的。3.1 硬件生成方式有很多芯片可生成PWM波形，如：TI公司生产的DRV101，它可输出占空比可调的PWM信号，其包括PWM输出、一个内部24kHz振荡器、脉宽调制器、数字控制输入、外部延迟和占空比调节。如图4，即为此芯片的一种外围电路连接方式。通过调节电阻器，亦可调节PWM输出信号的占空比，端脚6输出即为PWM方波信号。此种方式，调制简单，但是精度较低。图4 DRV101 PWM波形外围电路3.2 软件生成方式利用一些核心控制器MCU的中端定时功能，如TI公司MSP430F149，通过C代码的编写，可产生PWM信号。此种方式，软件的编写较麻烦，但精度高。4 我国植保机械的发展现状及趋势分析植保机械是用来施用化学药剂的机械的统称。其主要用途是喷洒化学药剂，用来防治危害农作物、果树、草场及森林的各种病、虫、草害，保证作物稳产、高产。因此，上述的智能喷雾系统也属植保机械类。4.1 国内外植保机械发展现状现今，欧美发达国家的植保机械以中、大型喷雾机为主。现代微电子技术、仪器与控制技术、信息技术等许多高新技术现已在发达国家植保机械产品中广泛应用，配有机、电、液一体化的复杂系统，设计完善，制作精美，工作安全可靠，操作方便。这类机械主要具备以下特点：1）采用机电一体化技术实现精准、精量施药。2）采用全液压驱动系统，不仅整机结构简化，而且传动系统的可靠性增加。3）采用农药注入和自清洗系统，减少了原药与水源、人体接触的机会，且可根据需要调节农药比例。4）完善的过滤系统，避免系统堵塞及因堵塞造成漏喷货喷头雾化不良。5）产品系列化、专用化程度较高。在国内，据统计，我国的手动植保机械有35个品种，保有量5900万架，占整个植保机械市场的80%。手动喷雾器以背负式手动喷雾器为主，产销量约占总销量的80%以上。由于受到农业生产规模的限制，机动植保机械的市场波动较大，有26个品种，保有量约为300万台。其他类植保机械占有量较小。我国农药生产技术处于世界领先水平，但植保机械和农药使用技术却严重落后于发达国家，仍在大量使用人背式小型机械，严重妨碍了农作物病虫草害的防治效果，造成农药利用率低、农产品中农药残留超标、环境污染、作物伤害、天敌死亡、操作者中毒等负面影响。我国的农药利用率很低，只有10%30%，与发达国家50%的利用率差距很大。改进施药机械或施药技术、提高农药利用率，对于节约成本、保护环境意义重大。4.2 我国植保机械发展趋势从目前情况来看，人多地少的基本矛盾将长期存在且越来越突出，这意味着小规模生产经营将长期存在，加之植保工作的特点使专业化统防统治难以实施，大型植保机械的应用受到了很大制约。因此，今后一定时期内中小型植保机械仍将是主流。从发达国家的植保机械发展历程看，随着现代农业的发展，植保机械从“人背机械”过度到“机械背人”，单一功能的机械将被多功能机械所取代。工程塑料、陶瓷和玻璃钢等非金属材料不仅可以减轻机具的质量，提高机具的耐蚀性能，而且能够节省大量的铜和不锈钢，必将得到越来越广泛的应用。随着科学技术的发展，越来越多的高新技术将逐步应用于植保机械，一些传统的机械将被数控化、信息化只能机械所取代。电子计算机及单片机的广泛应用使植保机械向自动化、智能化发展，使药液喷洒量随工作速度调节自动化及机械的远距离操纵成为可能，计量泵可以按预定比例直接将农药注入喷雾机管路，控制器能根据作业参数的变化调节农药泵的排量。另，环保机械具有发展前途。化学药剂的广泛使用，虽然给农业生产提供了有力保障，但也带来了负面影响环境污染。随着经济的发展和人民生活水平的提高，人们对环境生态安全和人类健康更加重视，因此植保机械必须向减少和避免污染的方向发展。现代植保技术的研究必将集中在以下几个方面：提高雾滴的附着性能，减少漂移，如静电喷雾技术；农药直接注入系统，尽量减少药液与操作人员的接触机会；非化学防治药剂。5 结语基于PWM技术的连续式喷雾和间歇式喷雾，各有优缺点。连续式喷雾装置流量调节范围较宽，其雾化特性为：当流量减小时，药液向中央明显集中，喷雾角显著减小，雾滴稍有减小，但影响较小；间歇式喷雾装置流量调节范围较窄，其雾化特性为：当流量减小时，对喷雾角和雾量分布的影响很小；我国目前仍以被背负式手动喷雾器和背负式机动喷雾机为主，科技含量低，而且产品质量不高。因此，应加强这方面的开发，使一种实用的、高性价比的智能喷雾系统得到最广泛的应用。参考文献：1邓巍,丁为民.基于PWM技术的连续式变量喷雾装置设计与特性分析J.农业机械学报，2008，39(6）:7780.2邓巍,丁为民,何雄奎.PWM间歇式变量喷雾的雾化特性J.农业机械学报，2009,40(1): 7478.3曹兴乔.我国植保机械发展现状及趋势分析J.农业科技与装备，2011,12(210):6263.4王沁,徐科军,姜鹏,王刚,蒋浩.具有反向PWM的阀门定位器控制方法及实现J.仪器仪表学报,2011,32(9):20162018.5王蒙.植保机械学M.北京：机械工业出版社，1990.6傅泽田,祁力钧,王俊红.精准施药技术研究进展与对策J.农业机械学报,2007,38(1):189192.7邓巍,丁为民,柳平增，等.基于MATLAB的雾化图像处理及雾化角的测定J.西北农林科技大学学报:自然科学版,2006,34(7):155159.8朱金文,吴惠明,孙立峰,等.叶片倾角、雾滴大小与施药液量对毒死稗在水稻植株沉积的影响J.植物保护学报,2004,(3):259263.9Panneton B, Theriault R, Lacasse B. Efficacy evaluation of a new spray-recovery spraye