自动控制技术在喷杆喷雾机变量喷施作业中的应用

陈治瑀

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

喷杆喷雾机是大面积农田植保作业的主力机型，具有工作效率高、可靠性好等优点，被广泛应用于玉米、小麦、水稻、大豆、棉花等病虫害的防治工作中，随着我国土地连片经营面积的扩大，喷杆喷雾机所能发挥的作用也明显提升。在喷杆喷雾机销售量不断提升的同时，由于我国农机企业对于喷杆喷雾机的研究起步较晚，喷杆喷雾机的技术还相对落后，机械作业过程的整体自动化程度相对较低，喷雾质量、喷施量、精确性等方面都有很大的提升空间。自动化技术作为农业机械发展所必需的技术，将其应用到喷杆喷雾机的功能优化中能有效提高植保作业质量，有利于变量喷雾和精确喷雾理念的实现。

1 喷杆喷雾机技术研究情况

近年来，我国农机研究人员在总结喷雾机应用质量和问题的基础上，结合国际先进技术对农用喷杆喷雾机进行了大量的研究与改良工作，为喷杆喷雾机的技术提升奠定了坚实的基础。邓伏栋[1]等针对喷杆喷雾机受多种因素影响而产生的喷雾不均匀问题展开研究，证实了要提高农药利用率，应当保证喷杆距冠层的距离保持在一定的范围内，并设计了喷杆平衡和高度调节结构，应用了一种喷杆自动平衡控制系统和高度自动调节系统，并对喷杆调整的液压回路进行了设计，建立了液压控制调整喷杆状态的计算机模型；吴彦强[2]等研制了一款风幕式高地隙喷杆喷雾机，该机利用风幕系统风机马达驱动风机产生高速气流,经风筒及风囊下方出风孔吹出,形成一道风幕，能有效隔绝或减弱自然风的影响，利用ANSYS Fluent软件对风幕系统内部速度场进行仿真分析，对风幕效果进行了优化，利用该技术，在30～120 cm喷施高度雾滴漂移量可减少42.8%～83.0%，有效提高农药利用率；吴兆鑫[3]等针对喷杆喷雾机的喷杆动态特性进行了研究和优化，建立了自走式喷杆喷雾机的铰接式主动差速转向模型，针对喷杆易发生变形导致喷雾沉积不均匀的问题进行了有限元分析，通过施加弹性拉索的方式有效抑制了喷杆弹性变形，有效提高了喷雾过程的稳定性；白海超[4]等对水田喷杆喷雾机喷雾装置进行了优化设计，分析了影响喷雾质量的主要因素，运用ANSYS Workbench软件建立喷杆的有限元模型，开展了自由状态下的模态分析，对喷药架的型材与结构进行了优化，有效降低了水田喷雾作业喷雾质量变异系数。

2 喷杆喷雾机结构特点与功能需求

2.1 主体结构

根据机械结构的不同，喷杆喷雾机主要包括自走式和悬挂式两类，自走式喷杆喷雾机具有专用的底盘、动力和驾驶系统，而悬挂式喷杆喷雾机需要安装于拖拉机上配套使用，对比来说自走式机型多为高地隙喷雾机，其底盘具有较高的离地间隙，能适应生产的中后期使用；悬挂式喷杆喷雾机受拖拉机底盘高度限制，多用于农业生产的前期和中期使用。总体而言，二者喷雾系统的结构和工作原理大体相同，如图1为喷杆喷雾机的主体结构，主要的药物喷施装置包括喷杆机构、输液管路、药液箱、水路阀、水泵等，喷杆能够实现升降和折叠，以适应不同的喷施需求[5]。

1.喷杆；2.悬挂连接机构；3.水泵；4.水箱；5.混药装置及控制器；6.行走机构；7.液压油散热器；8.液压阀；9.喷杆调节机构

2.2 功能需求

1)农药的自动混合需求。传统的喷杆喷雾机喷施农药前需要人工进行混药操作，这一过程不仅会因为人工操作不精确而导致农药配比不合理，还可能因为操作不当危害混药人员的人身健康，因此，研究自动混药功能十分必要[6]。

2)喷杆伸缩与升降控制。传统喷杆喷雾机作业时，喷杆需要通过人工进行展开和固定，作业完成后再通过人工进行折叠，费时费力，同时喷药高度的调整只能通过液压控制配合人工观察实施，缺乏控制过程的精确性，调整过程十分不便，需要通过自动控制技术实现喷杆伸缩与精确升降功能。

3)喷药系统压力控制。传统的植保作业过程中，喷雾系统的工作压力调整十分不便，通常只能根据喷施量匹配行驶速度以提高农药利用率，导致喷施过程过于粗放，喷施的合理性受驾驶速度影响较大，需要通过自动控制技术实现喷药泵压力的便捷调整。

4)变量喷药与智能控制。针对大面积的农田喷雾作业，传统模式只能采用统一的喷施量进行作业，不能针对不同农田区域的作物需求、病虫害情况进行喷施量的合理调整，普遍存在农药浪费、作物药害等问题，需利用自动化技术实现对喷施量的智能调整，能根据作物需求实施精确喷施。

5)线路规划与行驶路线监测。传统的生产过程中，喷杆喷雾机的行驶主要依靠驾驶员根据田间标识主观判断行驶路线与行驶直线性，但由于喷杆喷雾机幅宽很大，行驶中很难保证线路的精准，容易出现重喷、漏喷，因此，需利用自动控制技术提供行驶路线，并指导喷雾机准确行驶[7]。

3 变量喷雾机自动化硬件应用

现阶段，市场上具有变量喷雾技术特点的喷杆喷雾机相对较少，先进机型主要以进口设备和正在研发的机型为主，实际应用并不多。从喷杆喷雾机的自动控制和变量喷雾功能需求进行分析，通过自动控制技术实现变量喷雾作业需要应用以下硬件技术。首先，选择合理的上位机可编程控制器作为变量喷雾系统程序主控制器，主要负责处理监控数据并发出控制指令；其次，数据的输入、输出与功能扩展等功能通过下位机进行控制，下位机同样通过可编程控制器进行控制，下位机的可编程控制器根据功能的不同通常为2～3个，下位机同时布置信息输入接口、信息输出接口、模拟量输入(输出)接口及数字扩展模块和数字控制模块；再次，功能实施的硬件包括压力传感器、流量传感器、液位传感器、转速传感器、液压马达、离心泵、操作按钮、限位开关、电动阀、故障指示灯等组成。变量喷雾系统的硬件功能分布如图2所示[8]。

图2 变量喷雾系统的硬件功能分布

4 控制系统的运行逻辑

控制系统是变量喷药合理实施的基础保证，在喷雾幅宽确定的情况下，喷雾量的变化主要通过调整行驶速度、喷头流量两大参数来实现。在变量喷雾工作实施之前，工作人员应根据作物种类、病虫害情况、作业天气、农药种类等合理设计不同田间位置的喷雾需求量，并形成作业处方图。喷雾作业时喷雾机按照处方图的路线和喷雾量执行喷药作业，控制系统能够根据喷杆喷雾机的行驶速度和喷头流量计算出单位面积喷雾量，与预设方案的喷雾量进行对比后，调整喷头位置的喷雾量，使其满足预设方案要求。

喷雾量的控制主要从两方面进行，一是通过控制系统管路中的电液比例阀，调整阀门开口的大小，从而精确控制喷头位置的流量，并通过电液比例阀出口位置的流量传感器监测流量变化是否满足系统要求，使流量的控制满足闭环控制技术特征，确保流量控制的精确性；二是通过转速传感器监测喷杆喷雾机的行驶速度，进而协调速度与喷头流量之间的关系。

此外，自动控制系统还承担以下控制功能：1)自动混药功能，通过混药电机和供水阀门、供药阀门实现特定比例农药药液的混合配制；2)电液控制功能，通过电控技术控制液压系统，实现喷杆自动展开与关闭、喷杆高度自动调节，并利用传感器技术验证喷杆的展开情况和升起高度，确保控制的精确性；3)内置卫星定位模块，利用先进的差分定位技术实现高精度定位，监测喷杆喷雾机行驶路线的合理性[9]。

5 结语

在农业生产过程中，植保技术的合理应用十分重要，尤其在资源与环境问题成为社会关注热点的新时代，变量喷雾技术作为精确农业发展的关键技术，在农业生产中的应用前景十分广阔。但从我国农业生产的实际来看，先进的喷雾机械占比仍不高，生产过程中的中小型喷杆喷雾机仍存在质量低下、农药跑冒滴漏、故障频发、喷雾质量不合格等问题。因此，要真正提高变量喷雾技术的应用和普及程度，还应进一步提升基层喷杆喷雾机的整体应用水平，鼓励农民及时更新换代农机，保证先进的变量喷雾技术更快普及到农业生产中。