射流混药农业控制系统
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本文作者：陈志刚 朱树礼 邱白晶 单位：江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室
目前，我国农药的有效利用率仅为20%～40%，喷施的大部分农药流失到了环境中，不仅浪费资源，而且造成环境污染［1］．提高植保机械技术水平，进行高效、低污染施药技术研究及机具开发是一项迫切的任务［2］．射流混合技术［3］是利用管道中水的能量直接吸入液体农药，它在石油化工行业已经得到了广泛的应用，但在植保机械方面应用得还比较少．射流混药不但可以减少药液对机件的损害，降低对机件的要求，而且节约了使用过程中多余的农药，减少了农药的倾倒所造成的污染［4］．因此，研制和开发在线射流自动混药装置，是安全、可靠、高效使用农药，以及降低残留物对环境污染的关键之一，同时也是发展植保机械的有力措施［5］．对于在线射流混药［6］，前人已经对其机理进行了相应研究，例如，何培杰等［7］对射流混药装置的混合管进行了数值模拟，得出了径向速度和轴向速度在混合管内的分布规律．邱白晶等［8］建立了射流混药装置数学模型，确定了射流混药装置数值模拟方案，并根据试验参数设计了射流混药器，进行了射流混药测试研究．但是存在的问题是混药比值远达不到实际生产中所需混药比要求，且无法精确控制射流混药器的进药量．为了解决上述问题，文中设计一种基于DSP和LabVIEW的在线射流混药控制系统，以增大混药比的可调范围，实现药量的精确控制．
1在线射流混药装置的结构
在线射流混药装置的结构如图1所示，由仪器控制柜、异步电动机、柱塞泵、电控阀、射流混药器、喷杆、电动机驱动模块、单向阀、流量传感器、压力传感器、转速传感器等装置构成．采用三相异步电动机为动力源，自行设计电动机的驱动板，利用TMS320F2812DSP的EV模块实现电动机的调速．电动机通过联轴器带动柱塞泵进而控制混药器进水口的流量．在线射流混药装置的核心部件射流混药器如图2所示，其基本结构参数:射流嘴收敛角α为16°，扩散管扩散角β为8°，混合管长度L为17.04mm，混合管直径dt为3.55mm，吸入角度γ为60°．在混药器进药口安装了流量控制阀，通过DSP的D/A模块控制阀门的开度来实时调节混药器进药量．在射流混药器的进水口、进药口及出水口都分别安装有压力及流量传感器，传感器的模拟信号通过DSP的A/D模块采集，DSP通过RS232将数据传给上位机．上位机实时显示管道中混药前后水的流量及压力的变化并保存试验数据．
2系统硬件组成
射流混药系统硬件组成如图3所示．
2.1工控机、TMS320F2812DSP处理器工控机作为上位机提供试验所需的基本参量如水流量和药流量等信息要求，通过RS232接口传递给TMS320F2812DSP处理器．DSP处理器的功能为采集流量、压力、转速信号，输出电动调节阀的控制信号，进行三相异步电动机的变频调速．同时，DSP将采集的信号通过RS232上传回工控机，实现数据信号的实时显示和保存．
2.2实时信号采集由于射流混药器的流量传感器、压力传感器及电动机转速传感器输出4～20mA的模拟信号，而DSP处理器的I/O口只能接受3.3V的电压信号，所以选用光电隔离芯片TLP521，对传感器检测信号进行转化，处理后的检测信号送入DSP的A/D模块．
2.3变量执行器变量执行器主要由三相异步电动机和高精度电控调节阀构成．三相异步电动机的控制芯片选用TI公司的TMS320F2812DSP，其硬件电路主要由DSP控制电路、供电电路、驱动电路、信号处理电路等组成．DSP输出的PWM信号经过光电隔离后送入驱动芯片，由驱动芯片驱动MOSFET，由其组成的三相全桥驱动电路对电动机进行控制．高精度电控调节阀的工作电压为24VDC，接受0～10V或4～20mA的模拟量控制信号，为此采用DAC8532扩展了DSP的D/A模块，通过D/A模块输出的模拟信号控制阀门的开度，进而控制进药口药液流量．
3系统软件设计
3.1系统的上位机软件设计选用LabVIEW为开发平台，设计简单友好的人机交互界面，实现数据的实时显示及实时保存，能够根据实际要求适时改变射流混药器的进水量和进药量．同时利用串口与下位机DSP进行实时通信．其人机交互界面如图4所示．
3.2系统的下位机软件设计系统的下位机软件采用C语言开发，软件的设计采用了模块化的方法．第1步对水流量控制模块进行设计．通过对电动机转速和管道中水的流量进行标定，拟合得电动机转速与水流量的关系曲线(见图5)，函数关系为Qw=0.018n+0.84，(1)式中:Qw为管道中水的流量，L/min;n为电动机转速，r/min．电动机控制程序中定义Qw为给定管道中水的流量，n为给定电动机转速，nt为测得的电动机转速，则水流量的控制流程如图6所示．第2步对药量控制模块进行设计．在高精度电控调节阀的前后安装压力传感器，阀前安装流量传感器，通过DSP的D/A模块输出的电压信号控制电控阀的开度，进而对药流量调节．由于电控阀为机械装置，所以存在几十ms的响应时间和延迟时间，但是对试验结果影响极小．对电控阀两端的控制电压和实际药流量进行标定，得出药流量与电控阀的输入电压之间的关系曲线，如图7所示．图中U为电由图7可知，当药流量小于0.29mL/s时，电控阀的输入电压与实际药流量基本为线性关系;当药流量大于0.29mL/s时，两者的关系曲线近似为二次曲线，拟合得到两者的函数关系式为。
4控制系统试验
4.1试验方案设计流量控制是影响混药效果的主要因素，为了验证本控制系统的实际控制效果，对系统的软件及硬件进行综合测试．在水箱和药箱中分别加入纯水和红色的染色剂，用红色染色剂代替药原液，进行流量控制测试研究．试验分为水流量跟踪试验、药液吸入量随水流量的变化试验、不同混合比情况下药液的控制试验。
4.2水流量控制跟踪性能测试为了检测水流量控制系统的性能，测试了在电动机不同转速工况下，流量管道中水流量的跟踪性能，测试结果如表1所示，QT为目标水流量，QP为实际水流量，ΔQ与er分别为绝对误差和相对误差．试验表明，实际水流量能够较好地跟踪目标水流量．水流量控制系统的相对误差在2%以内．
4.3药液吸入量随水流量变化试验在不加入药液控制系统的情况下，测试在电动机不同转速工况下，混药比值及变化情况．试验结果见表2．表中n为电动机转速;Qw1为试验所得水流量，L/min，为了计算混药比，把单位转化为mL/s后的水流量用Qw2表示;QM为药流量;R为计算所得混药比．由表2可见，未设置药液控制系统时，随电动机转速增大，射流器吸入的水流量与药流量的比值即计算混药比值逐渐减小，但变化不大，其变化关系如图9所示．由表2及图9可知，该混药比的量值仅为(5～8)∶1，与实用施药过程中混药比(一般为几百∶1)［9－10］相差甚远．按正常混药比(设为200∶1)计算，表2中工况所需吸入的药量范围应为0.72～1.63mL/s，而试验中吸入药量范围达18.16～65.15mL/s．说明此时射流器吸入的药液量远远大于所需吸入的农药量，即此时的混药比不能满足实用要求，这将导致无法在实际的混药机具上实施有效混药．为此必须加设药液控制系统，以实现对混药浓度的精确控制．
4.4药原液控制跟踪性能试验在加入药液控制系统以后，在恒定水流量的情况下，模拟实际混药过程，改变混药比，增大混药比的调节范围，测试药原液的跟踪情况．设定电动机转速分别为830r/min，水流量为16.61L/min，测试在不同混药比的情况下，药原液的跟踪情况．测试结果见表3，其中QMT为目标药流量，QMP实际药流量，ΔQ与er分别为绝对误差和相对误差．为了保证测试结果的可靠性，设计了对比试验，设定电动机转速为430r/min，水流量为8.7L/min，测试在不同混药比的情况下，药原液的跟踪情况．测试结果见表4．由表3，4可知，在加入药原液控制系统以后，无论电动机转速在830r/min还是430r/min的情况下，尽管改变了水药的混合比，但是实际药流量都能够跟踪目标药流量，且可以获得相对误差在3%以内的控制精度．可见混药控制系统对增大混药比的可调宽度、提高射流混药器的控制精度发挥了关键作用．
5结论
以DSP和LabVIEW为核心设计了一套在线射流混药浓度控制系统，解决了射流混药器混药比可调范围窄、控制精度低的问题，提高了混药的精度，能够根据实际要求适时调节混药比，实现精确智能混药．为射流混药机具的生产实用提供依据．1)该控制系统能实现对水量、药量的精确控制，从而可以获得适合实用的混药比值，显著(数十倍)增加混药比的调节宽度，优化控制性能，节能增效，提高安全性．2)水流量和药流量跟踪性能试验表明，水流量控制系统的相对误差在2%以内，药流量的控制系统的相对误差在3%以内．3)系统简便实用，能够根据实际施药过程，实时调节水流量和药流量，实现变量混药．