阅读说明：本技术 一种自适应变量喷洒控制装置及方法 (Adaptive variable spraying control device and method ) 是由 秦五昌 罗长海 郭树霞 张光强 孟志军 崔红军 丛岳 尹彦鑫 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种自适应变量喷洒控制装置及方法,将流量传感器和压力传感器设于变量控制阀和喷头相连的管道中,首先实时采集多组互相对应的喷头压力和喷头流量,根据其中的多个喷头流量判断获知喷头的实时流量处于稳定状态,然后根据多组喷头压力和喷头流量,以及标准压力范围和标准喷头与标准压力范围对应的标准流量获取喷头校正系数,再根据喷头校正系数对喷头的实时流量进行校正和调整。本发明能在喷头堵塞和磨损、喷头的型号不同,以及管道杂质沉积带来的用水不洁的情况下,校正和调整喷头的实时流量,使得喷头的流量能自适应调整,由此精确控制喷头的实时流量,使喷头的实时流量接近未堵塞或磨损状况下的流量,或者接近标准型号喷头的流量。(The invention provides a self-adaptive variable spraying control device and a self-adaptive variable spraying control method, wherein a flow sensor and a pressure sensor are arranged in a pipeline connected with a variable control valve and a spray head, a plurality of groups of spray head pressures and spray head flows which correspond to each other are firstly acquired in real time, the real-time flow of the spray head is judged and known to be in a stable state according to the plurality of groups of spray head pressures and spray head flows, then a spray head correction coefficient is acquired according to the plurality of groups of spray head pressures and spray head flows, a standard pressure range and a standard flow of the standard spray head which corresponds to the standard pressure range, and then the real-time flow of the spray. The invention can correct and adjust the real-time flow of the spray head under the conditions of blockage and abrasion of the spray head, different types of the spray head and dirty water caused by impurity deposition of a pipeline, so that the flow of the spray head can be adjusted in a self-adaptive manner, thereby accurately controlling the real-time flow of the spray head and enabling the real-time flow of the spray head to be close to the flow under the conditions of no blockage or abrasion or to be close to the flow of the spray head with a standard type.)

一种自适应变量喷洒控制装置及方法

技术领域

本发明涉及农业喷洒技术领域，尤其涉及一种自适应变量喷洒控制装置及方法。

背景技术

由于传统的液态肥料与药液喷洒机械在喷洒作业中因喷头堵塞和磨损，或者喷头的型号不同如非标喷头的使用，以及管道的杂质沉积带来的用水不洁等问题，会导致液态肥料或药液喷洒不均的问题。为了解决该问题，往往需要多次喷洒而增加施药量，这样不但使得药液利用率低，而且还容易造成环境污染。

当前，主要通过两种方式来调节喷头的流量，第一种是通过调节喷头的压力来调节喷头的流量，常用的变量喷洒控制系统仅有压力传感器，通过控制调节喷头的压力来调节喷头的流量，作业前需要校准喷头的压力和流量之间的关系；第二种是利用流量传感器如涡轮式流量计对喷头的流量进行反馈，然后再调节喷头的流量，但是这种方法对喷头瞬时流量的计算误差较大，需要积累一定时间流量平滑后才能反馈，控制周期长，且流量传感器在紊流下的误差极大，因此并不能准确反馈喷头的流量，从而对喷头的流量调节也不够准确。

因此，目前的变量喷洒控制系统仅通过压力传感器或流量传感器对喷头的流量控制并不准确，不能适应喷头堵塞和磨损，或者喷头的型号不同如非标喷头的使用，以及管道的杂质沉积带来的用水不洁的情况，从而导致液态肥料与药液喷洒不均。

发明内容

为了解决目前的变量喷洒控制系统仅通过压力传感器或流量传感器对喷头的流量控制并不准确，不能适应喷头堵塞和磨损，或者喷头的型号不同如非标喷头的使用，以及管道的杂质沉积带来的用水不洁的情况，从而导致液态肥料与药液喷洒不均，本发明实施例提供一种自适应变量喷洒控制装置及方法。

第一方面，本发明实施例提供一种自适应变量喷洒控制装置，该装置包括：喷头、控制器，以及与所述控制器分别相连的变量控制阀、流量传感器和压力传感器，流量传感器和压力传感器均设于变量控制阀和喷头相连的管道之中；流量传感器用于测量喷头的实时流量，压力传感器用于测量喷头的实时压力；控制器用于在喷头的实时流量处于稳定状态下，根据多组喷头压力和喷头流量、标准压力范围以及标准喷头与标准压力范围对应的标准流量获取喷头校正系数，并根据喷头校正系数利用变量控制阀对喷头的实时流量进行校正和调整；其中，喷头压力为喷头在标准压力范围内的实时压力，喷头流量为喷头与实时压力对应的实时流量。

第二方面，本发明实施例提供一种自适应变量喷洒控制方法，该方法包括：S1、实时采集多组喷头压力和喷头流量，其中，喷头压力为喷头在标准压力范围内的实时压力，喷头流量为喷头与实时压力对应的实时流量；根据多个喷头流量，判断获知喷头的实时流量处于稳定状态；S2、根据多组喷头压力和喷头流量、标准压力范围以及标准喷头与标准压力范围对应的标准流量获取喷头校正系数，根据喷头校正系数对喷头的实时流量进行校正和调整。

优选地，步骤S2中，根据多组喷头压力和喷头流量、标准压力范围以及标准喷头与标准压力范围对应的标准流量获取喷头校正系数，具体包括：根据标准压力范围和标准流量之间的关系，以及每组互相对应的喷头压力和喷头流量之间的关系，分别获取多个初始喷头校正系数；根据多个初始喷头校正系数，获取喷头校正系数。

优选地，根据多个初始喷头校正系数，获取喷头校正系数，具体包括：将多个初始喷头校正系数的代数平均值，作为喷头校正系数。

优选地，步骤S1中，据多个喷头流量，判断获知喷头的实时流量处于稳定状态，具体包括：计算依次采集的多个喷头流量的差值积分的平均值，若差值积分的平均值不大于预设阈值，则判断获知喷头的实时流量处于稳定状态。

优选地，步骤S1和步骤S2之间，还包括：对采集的每个喷头压力和每个喷头流量分别进行平滑处理，获得经过平滑处理后的多组喷头压力和喷头流量。

优选地，喷头校正系数为：

其中，K_i为喷头校正系数，P_i为喷头压力，F_i为喷头流量，P_a为标准压力范围，F_a为标准压力范围P_a对应的标准流量。

优选地，依次采集的多个喷头流量的差值积分的平均值为：

其中，F_K为依次采集的多个喷头流量的差值积分的平均值，n为喷头流量的个数，n为大于2的自然数，i为2到n之间的自然数。

优选地，平滑处理的方法包括均值法和中值法。

本发明实施例提供一种自适应变量喷洒控制装置及方法，将流量传感器和压力传感器均设于变量控制阀和喷头相连的管道之中，首先实时采集多组互相对应的喷头压力和喷头流量，根据其中的多个喷头流量判断获知喷头的实时流量处于稳定状态，然后根据采集的多组喷头压力和喷头流量，以及标准压力范围和标准喷头与标准压力范围对应的标准流量获取喷头校正系数，根据喷头校正系数对喷头的实时流量进行校正和调整。本发明实施例能有效解决喷洒作业前变量喷洒控制系统需要校准的问题，也可以用于在喷洒作业前进行校准，解决校准复杂的问题；能在喷头堵塞和磨损，或者喷头的型号不同如使用非标喷头，以及管道的杂质沉积带来的用水不洁的情况下，校正和调整喷头的实时流量，使得喷头的流量能自适应调整，由此精确控制喷头的实时流量，使喷头的实时流量接近未堵塞或磨损状况下的流量，或者接近标准型号喷头的流量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的自适应变量喷洒控制装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的自适应变量喷洒控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

标准喷头的国标(GB/T18676-2009)中对不同型号喷头的流量和压力关系做了限定，例如在0.3Mpa的压力下，每分钟流量为喷头型号乘以0.4L。在其他压力条件下，喷头的流量在同种介质条件下大致与压力的平方根成正比例线性增减，基于此，任何喷头在某个确定的压力下的流量都可以计算出该压力下的流量。

具体而言，假设标准压力范围为P_a，标准喷头与标准压力范围P_a对应的标准流量为F_a，在喷头在标准压力范围P_a下的实时压力为P_i时，喷头与实时压力P_i对应的实时流量F_i理论上应该为：

但是，由于存在喷头堵塞和磨损，或者喷头的型号不同如非标喷头的使用，以及管道的杂质沉积带来的用水不洁的情况，喷头的实时流量实际上常常与理论上的值有出入。例如，如果喷头堵塞，则喷头的实时流量的实际值应当比理论值小；而如果喷头磨损，则喷头的实时流量的实际值应当比理论值大，而目前的变量喷洒控制系统无法对这些可能造成喷头的实时流量的实际值与理论值不同的情况进行校正和调整，由此无法使实时流量的实际值尽可能接近于理论值。

图1为本发明实施例的自适应变量喷洒控制装置的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供一种自适应变量喷洒控制装置，该装置包括：喷头5、控制器3，以及与控制器3分别相连的变量控制阀4、流量传感器1和压力传感器2，流量传感器1和压力传感器2均设于变量控制阀4和喷头5相连的管道之中；流量传感器1用于测量喷头5的实时流量，压力传感器2用于测量喷头5的实时压力；控制器3用于在喷头5的实时流量处于稳定状态下，根据多组喷头压力和喷头流量、标准压力范围以及标准喷头与标准压力范围对应的标准流量获取喷头校正系数，并根据喷头校正系数利用变量控制阀对喷头的实时流量进行校正和调整；其中，喷头压力为喷头在标准压力范围内的实时压力，喷头流量为喷头与实时压力对应的实时流量。

需要说明的是，喷头在标准压力范围内的实时压力为对喷头施加标准压力范围时，喷头所反应的实时压力。

具体地，将流量传感器1和压力传感器2均设于变量控制阀4和喷头5相连的管道之中，通过流量传感器1测量管道中即喷头5的实时流量，通过压力传感器2测量管道中即喷头5的实时压力，若喷头5的实时流量处于稳定状态，控制器根据多组互相对应的标准压力范围内的喷头压力和喷头流量、标准压力范围和标准流量，获取喷头校正系数，并根据喷头校正系数调节变量控制阀，即通过扩大或缩小变量控制阀的阀口对喷头的实时流量进行校正和调整，以使得喷头的实时流量与标准流量尽量接近。

本发明实施例提供的自适应变量喷洒控制装置，将流量传感器和压力传感器均设于变量控制阀和喷头相连的管道之中，根据多组互相对应的标准压力范围内的喷头压力和喷头流量、标准压力范围和标准流量，获取喷头校正系数，并根据喷头校正系数利用变量控制阀对喷头的实时流量进行校正和调整。

图2为本发明实施例的自适应变量喷洒控制方法的流程示意图，如图2所示，本发明实施例提供一种自适应变量喷洒控制方法，该方法包括：

S1、实时采集多组喷头压力和喷头流量，其中，喷头压力为喷头在标准压力范围内的实时压力，喷头流量为喷头与实时压力对应的实时流量；根据多个喷头流量，判断获知喷头的实时流量处于稳定状态。

具体地，在喷头的实时压力大于预设压力阈值时，采集多组互相对应的喷头压力和喷头流量，可将多组互相对应的喷头压力和喷头流量用矩阵A表示为：

其中，喷头压力P₁和喷头流量F₁对应，喷头压力P₂和喷头流量F₂对应……喷头压力P_n和喷头流量F_n对应。

根据其中的多个喷头流量F₁、F₂、…F_n中的部分或全部喷头流量，确定喷头的实时流量基本保持为一个稳定值，即喷头的实时流量处于稳定状态。

S2、根据多组喷头压力和喷头流量、标准压力范围以及标准喷头与标准压力范围对应的标准流量获取喷头校正系数，根据喷头校正系数对喷头的实时流量进行校正和调整。

具体地，基于标准压力范围和标准流量之间的关系，以及喷头压力和喷头流量之间的关系，引入喷头校正系数，用标准压力范围和标准流量之间的关系，对喷头压力和喷头流量之间的关系进行校正，由此对喷头的实时流量进行校正和调整。

本发明实施例提供的自适应变量喷洒控制方法，首先实时采集多组互相对应的喷头压力和喷头流量，根据其中的多个喷头流量判断获知喷头的实时流量处于稳定状态，然后根据采集的多组喷头压力和喷头流量，以及标准压力范围和标准喷头与标准压力范围对应的标准流量获取喷头校正系数，根据喷头校正系数对喷头的实时流量进行校正和调整。

进一步地，步骤S2中，根据多组喷头压力和喷头流量、标准压力范围以及标准喷头与标准压力范围对应的标准流量获取喷头校正系数，具体包括：根据标准压力范围和标准流量之间的关系，以及每组互相对应的喷头压力和喷头流量之间的关系，分别获取多个初始喷头校正系数；根据多个初始喷头校正系数，获取喷头校正系数。

需要说明的是，根据可知喷头校正系数K_i为：

其中，K_i为喷头校正系数，P_i为喷头压力，F_i为喷头流量，P_a为标准压力范围，F_a为标准压力范围P_a对应的标准流量。

例如，根据矩阵A，将P₁和F₁、P₂和F₂……P_n和F_n分别代入喷头校正系数的公式，可以获得多个初始喷头校正系数K₁、K₂...K_n。

进一步地，根据多个初始喷头校正系数，获取喷头校正系数，具体包括：将多个初始喷头校正系数的代数平均值，作为喷头校正系数。

例如，将初始喷头校正系数K₁、K₂...K_n的代数平均值作为喷头校正系数，则喷头校正系数为

基于上述实施例，步骤S1中，根据多个喷头流量，判断获知喷头的实时流量处于稳定状态，具体包括：计算依次采集的多个喷头流量的差值积分的平均值，若差值积分的平均值不大于预设阈值，则判断获知喷头的实时流量处于稳定状态。

具体地，依次采集的多个喷头流量的差值积分的平均值为：

其中，F_K为依次采集的多个喷头流量的差值积分的平均值，n为喷头流量的个数，n为大于2的自然数，i为2到n之间的自然数。

例如，n＝4，依次采集的多个喷头流量的差值积分的平均值为：

若F_K不大于预设阈值，则判断获知喷头的实时流量处于稳定状态。

基于上述实施例，步骤S1和步骤S2之间，还包括：对采集的每个喷头压力和每个喷头流量分别进行平滑处理，获得经过平滑处理后的多组喷头压力和喷头流量。

需要说明的是，平滑处理的方法包括均值法和中值法。

例如，将矩阵A中的每个元素分别进行平滑处理，获得平滑矩阵为：

若根据标准压力范围和标准流量之间的关系，以及经过平滑处理后的每组互相对应的喷头压力和喷头流量之间的关系，分别获取多个初始平滑喷头校正系数；根据多个初始平滑喷头校正系数，获取平滑喷头校正系数。

因此，平滑喷头校正系数

为：获得多个初始平滑喷头校正系数为

平滑喷头校正系数为

需要说明的是，喷头是在一定的工作压力范围的，校正系数在喷头的某一段工作压力范围内是适用的，但是在超出该段工作压力范围而处于另一段工作压力范围后，那就需要重新校正，从而重新确定校正系数。

下面给出三个具体实施例，用于详细说明该自适应变量喷洒控制方法的应用过程。

需要说明的是，这三个具体实施例的喷洒设备采用中联3WP-600HB型自走式喷杆喷洒机，包括22个力成VP110型2号喷头(工作压力0.3-0.5Mpa，喷幅宽11.5米，工作压力0.3-1Mpa)，变量喷洒控制设备采用AMC-3001型精准喷洒控制系统。将该喷洒控制系统串联在自走式喷洒机的管路系统中，将该自适应变量喷洒控制方法嵌入到该喷洒控制系统中。

实验一

将自走式喷杆喷洒机的22个喷头更换为11个3号喷头和11个2号喷头(相同压力下3号喷头的喷洒量比2号喷头的喷洒量大)，喷头型号设为2号，验证在喷头磨损的情况下该自适应变量喷洒控制方法的有效性。

1)采用手动工作模式，将喷洒机发动机转速调整到2000r/min，调整比例阀开度，将压力调整到0.3Mpa，稳定压力一段时间，观察实时流量稳定后，记录系统输出的4对(n＝4)互相对应的喷头压力与喷头流量平滑后的数据。

平滑矩阵

为：

取P_a＝0.3Mpa，则F_a＝0.8L/min，则初始平滑喷头校正系数为

则平滑喷头校正系数为：

关闭喷洒机，关闭该自适应变量喷洒控制方法，将获得的校正系数写入控制系统。将所有喷头分别用收集袋包裹固定，准备收集喷洒的液体。

重新打开喷洒机，将压力调整到0.3Mpa，收集3分钟液体，将喷洒机关闭，称量所有收集袋内的液体体积，得到体积为51.9L。

2)采用手动工作模式，将喷洒机发动机转速调整到2000r/min，调整比例阀开度，将压力调整到0.5Mpa，稳定压力一段时间，观察实时流量稳定后，记录系统输出的4对(n＝4)互相对应的喷头压力与喷头流量平滑后的数据。

平滑矩阵为：

取P_a＝0.5Mpa，则F_a＝1.03L/min，则初始平滑喷头校正系数为

则平滑喷头校正系数为：

关闭喷洒机，关闭该自适应变量喷洒控制方法，将获得的校正系数写入控制系统。将所有喷头分别用收集袋包裹固定，准备收集喷洒的液体。

重新打开喷洒机，将压力调整到0.5Mpa，收集3分钟液体，将喷洒机关闭，称量所有收集袋内的液体体积，得到体积为68.2L。

3)采用手动工作模式，将喷洒机发动机转速调整到2000r/min，调整比例阀开度，将压力调整到0.8Mpa，稳定压力一段时间，观察实时流量稳定后，记录系统输出的4对(n＝4)互相对应的喷头压力与喷头流量平滑后的数据。

平滑矩阵

为：

取P_a＝0.8Mpa，则F_a＝1.3L/min，则初始平滑喷头校正系数为 则平滑喷头校正系数为：

关闭喷洒机，关闭该自适应变量喷洒控制方法，将获得的校正系数写入控制系统。将所有喷头分别用收集袋包裹固定，准备收集喷洒的液体。

重新打开喷洒机，将压力调整到0.8Mpa，收集3分钟液体，将喷洒机关闭，称量所有收集袋内的液体体积，得到体积为87.6L。

实验一得到的数据和误差如表1所示。

表1

其中，校正后误差为校正后的11个3号喷头与11个2号喷头实际喷洒量与22个2号标准喷头喷洒量之间的误差，非校正误差为未校正的11个3号喷头与11个2号喷头实际喷洒量与22个2号标准喷头喷洒量之间的误差。可以看到，根据非校正数据和标准数据之间求得喷头校正系数，然后利用喷头校正系数对非校正数据进行校正，从而对非校正数据进行校正，使得非校正数据尽可能接近标准数据。

实验二

将自走式喷杆喷洒机的22个喷头更换为11个1.5号喷头和11个2号喷头(相同压力下1.5号喷头的喷洒量比2号喷头的喷洒量小)，喷头型号设为2号，验证在喷头磨损的情况下该控制方法的有效性。

1)采用手动工作模式，将喷洒机发动机转速调整到2000r/min，调整比例阀开度，将压力调整到0.3Mpa，稳定压力一段时间，观察实时流量稳定后，记录系统输出的4对(n＝4)互相对应的喷头压力与喷头流量平滑后的数据。

平滑矩阵

为：

取P_a＝0.3Mpa，则F_a＝0.8L/min，则初始平滑喷头校正系数为

则平滑喷头校正系数为：

关闭喷洒机，关闭该自适应变量喷洒控制方法，将获得的校正系数写入控制系统。将所有喷头分别用收集袋包裹固定，准备收集喷洒的液体。

重新打开喷洒机，将压力调整到0.3Mpa，收集3分钟液体，将喷洒机关闭，称量所有收集袋内的液体体积，得到体积为53.3L。

2)采用手动工作模式，将喷洒机发动机转速调整到2000r/min，调整比例阀开度，将压力调整到0.5Mpa，稳定压力一段时间，观察实时流量稳定后，记录系统输出的4对(n＝4)互相对应的喷头压力与喷头流量平滑后的数据。

平滑矩阵

为：

取P_a＝0.5Mpa，则F_a＝1.03L/min，则初始平滑喷头校正系数为

则平滑喷头校正系数为：

关闭喷洒机，关闭该自适应变量喷洒控制方法，将获得的校正系数写入控制系统。将所有喷头分别用收集袋包裹固定，准备收集喷洒的液体。

重新打开喷洒机，将压力调整到0.5Mpa，收集3分钟液体，将喷洒机关闭，称量所有收集袋内的液体体积，得到体积为68.7L。

3)采用手动工作模式，将喷洒机发动机转速调整到2000r/min，调整比例阀开度，将压力调整到0.8Mpa，稳定压力一段时间，观察实时流量稳定后，记录系统输出的4对(n＝4)互相对应的喷头压力与喷头流量平滑后的数据。

平滑矩阵

为：

取P_a＝0.8Mpa，则F_a＝1.3L/min，则初始平滑喷头校正系数为

则平滑喷头校正系数为：

关闭喷洒机，关闭该自适应变量喷洒控制方法，将获得的校正系数写入控制系统。将所有喷头分别用收集袋包裹固定，准备收集喷洒的液体。

重新打开喷洒机，将压力调整到0.8Mpa，收集3分钟液体，将喷洒机关闭，称量所有收集袋内的液体体积，得到体积为87.4L。

实验二得到的数据和误差如表2所示。

表2

其中，校正后误差为校正后的11个1.5号喷头与11个2号喷头实际喷洒量与22个2号标准喷头喷洒量之间的误差，非校正误差为未校正的11个1.5号喷头与11个2号喷头实际喷洒量与22个2号标准喷头喷洒量之间的误差。可以看到，根据非校正数据和标准数据之间求得喷头校正系数，然后利用喷头校正系数对非校正数据进行校正，从而对非校正数据进行校正，使得非校正数据尽可能接近标准数据。

实验三

为验证在实际工作中控制算法的有效性，将自走式喷杆喷洒机的喷头更换为12个2号喷头与5个1.5号喷头，5个3号喷头，喷头型号设为2号，打开该自适应变量喷洒控制方法。

采用自动工作模式，每次改变每公顷的喷洒量，采用相同的作业速度，每次记录精准喷洒控制系统中的面积与累积流量后清零作业数据。得到数据如表3所示：

表3

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。