基于PLC的自动对靶变量喷雾系统的制作方法

本实用新型涉及植保机械和农药施用技术领域，具体涉及一种基于PLC的自动对靶变量喷雾系统。

背景技术：

长期以来，我国一直是世界上的农药生产大国，具有先进的农药生产技术,这对于减少因病虫害所造成的农作物损失发挥了巨大作用，但我国的植保机械和农药施用技术与我国先进的农药生产技术水平相比严重落后，目前我国广泛使用的是普通型喷雾机，尽管其病虫害防治效果良好，但在其作业过程中，由于没有对施药目标有无、目标作物面积大小及病虫害信息程度等信息的分析，导致了农药的利用率低、农药残留量超标、环境污染严重、作物药害程度加深、操作者皮肤过敏、中毒等问题，因此，如何在获得较高施药效率的同时，通过减少单位面积农药的使用量来降低农药对环境及人们身体健康的危害，是我们迫切需要解决的问题。

目前主要有两种先进的喷雾技术：变量喷雾与对靶喷雾。变量喷雾通过调节压力大小并在一定压力下控制流量的多少加上输出的脉宽调制等理论原理去实现对象喷雾；对靶喷雾是根据机器视觉或者各种传感器来获得喷雾目标的信息，然后传输给相关处理系统进行处理分析后，得出喷雾目标的数据，最后给出喷雾方案，通过系统实施喷雾。对靶变量喷雾控制系统达到了精确喷雾的要求,按照我国国情的发展情况，对我们农业的可持续发展具有重要的意义。从生态环境方向考虑，精确喷雾技术可以减少喷雾物质的使用量，使得环境得到保护、资源得到节约，从我国国情的发展战略方面考虑，促进了农业等各方面的可持续发展。

精确喷雾技术的核心是获取喷雾对象的基本信息，包括农作物的位置、病虫害程度、农作物的种类等，然后利用对靶变量喷雾技术，根据不同的喷药量进行高效有利的精准喷雾，争取将农药的价值最大化。

技术实现要素：

本申请通过提供一种基于PLC的自动对靶变量喷雾系统及其控制方法，将对靶喷雾技术和变量喷雾技术相结合，将PLC控制与模糊PID控制算法相结合，实现了通过PLC控制步进电机带动球阀控制喷雾流量的目的，本系统可按照获取经处理后的喷雾对象的有无、喷雾对象面积的大小及喷雾对象病虫害程度的深浅来进行精确自动对靶变量喷雾控制。

本申请采用以下技术方案予以实现：

一种基于PLC的自动对靶变量喷雾系统，包括上位机、监控模块、病虫害诊断模块、PLC控制模块、数据采集模块、行走机构、升降机构以及喷雾机构，其中，所述病虫害诊断模块将获取的病虫害信息传送至所述上位机，所述上位机根据当前视觉场内作物的有无来确定是否喷雾，所述上位机根据当前视觉场内作物的高度、面积以及作物受病害感染的程度，确定喷雾量的多少，并控制所述PLC控制模块完成喷雾，所述PLC控制模块根据所述上位机的指令控制所述行走机构行走至病虫害位置，控制所述升降机构调节喷头的高度，并结合模糊PID控制算法控制喷雾机构进行喷雾，所述病虫害诊断模块为含图像采集卡的CCD照相机，所述行走机构为履带式喷雾小车，所述升降机构为伺服电缸，所述喷雾机构包括在药箱与喷头之间依次相连的第一过滤器、喷雾水泵、蓄能器、排气阀、第二过滤器、电磁阀、压力传感器、第三过滤器、涡轮流量计，以及并联的N个喷雾支路，每个喷雾支路均包括第四过滤器、步进电机以及球阀依次连接，在所述电磁阀上还并联有手动控制阀，用以手动操作模式和自动操作模式之间的切换，在蓄能器与药箱的回路上设有安全阀，在喷雾过程中所述PLC控制模块通过控制伺服电缸的伸缩来调节喷头的高度，通过控制步进电机带动球阀来控制喷雾的流量。

进一步地，所述数据采集模块包括移动启停标志传感器、喷杆限/复位传感器、直线移动限/复位传感器以及液位传感器。

为了保持行走装置运行平稳，提高喷雾喷洒精度，本实用新型采用履带式喷雾小车的行走装置，所述履带式喷雾小车的行走装置包括导向轮、支重轮、驱动轮及履带，其中，所述导向轮安装在所述履带的前部用以指导所述履带行驶方向，若干个所述支重轮安装在所述履带的中部用以支撑所述喷雾小车重量和规正所述履带，所述驱动轮安装在所述履带的后部用以驱动整个履带行走，所述履带套在所述导向轮、支重轮及驱动轮的外侧，所述履带包括履带板和履带销，所述履带销将各履带板连接起来构成履带链环。

所述升降机构为伺服电缸，所述伺服电缸的调节分为伸长和收缩，最大伸长高度为3m，伸长速度为0.2m/s，所述PLC控制模块通过控制伺服电机的启动时间来调整所述伺服电缸的伸长或收缩，所述伺服电缸的伸长分为粗调8s、微调4_s和微调3s，所述伺服电缸的收缩为15s。

一种基于PLC的自动对靶变量喷雾系统的控制方法，包括如下步骤：

S1：系统初始化；

S2：判断当前选择的模式是否是自动操作模式，如果是，则进入步骤S3，否则，执行手动操作模式；

S3：判断是否接收到了病虫害的定位信息，如果是，则进入步骤S4，否则继续执行步骤S3；

S4：所述行走机构行走至病虫害位置，并停车；

S5：所述升降机构将喷头升降至喷雾位置；

S6：接收喷头的开闭控制信息；

S7：由所述PLC控制模块结合模糊PID控制算法控制所述喷雾机构按照上位机确定的喷雾量多少进行对靶变量喷雾；

S8：喷杆复位且所述伺服电缸收缩；

S9：判断是否完成所有病虫害作物的喷雾工作，如果是，则进入步骤S10，否则，继续执行步骤S4；

S10：所述行走机构返回至起点；

S11：判断所述PLC控制模块是否停止工作，如果是，则结束，否则，继续执行步骤S2。

进一步地，步骤S7的具体操作为：

A1：测量喷雾粒径的大小，找到最佳喷雾效果，将此时压力变送器测得的压力值和涡轮流量计测得的流量值作为模糊控制的目标值；

A2：模糊推理：

A21：步骤A1得到的最佳喷雾效果时涡轮流量计测得的流量值作为设定值R(t)，所述涡轮流量计实际测得的流量值作为测量值Y(t)，将设定值R(t)与测量值Y(t)进行比较，得到误差e以及误差e经微分运算得到的误差变化率ec；

A22：误差e乘以量化因子Ke得到E的模糊语言变量值{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}，误差变化率ec乘以量化因子Kec得到EC的模糊语言变量值{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}；

A23：根据E、EC结合PID控制规则，经模糊推理输出U，其中，输出U包含了U_Kp、U_Ki和U_Kd三个PID参数，每个参数均设有7个模糊语言变量值{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}；

A24：输出U乘以比例因子Ku，进行逆模糊化处理，得到参数Kp、Ki及Kd；

A3：PID控制：

将设定值R(t)与测量值Y(t)之间的误差传送给PID控制器，根据误差情况，在模糊规则表中选取相适应的Kp、Ki、Kd参数，进行PID运算得到输出U，即控制量U，将控制量U经D/A转换后的信号输送给所述流量电动调节阀，所述流量电动调节阀根据控制量信号的大小，调节其开度，从而达到控制流量的目的。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：将对靶喷雾技术和变量喷雾技术相结合，将PLC控制与模糊PID控制算法相结合，实现了通过PLC控制步进电机带动球阀控制喷雾流量的目的，在喷雾过程中，自动对靶变量喷雾系统对喷雾对象进行不间断的检测，根据获取经处理后的信息来决定喷雾量的多少，从而提高了喷雾的有效性和准确率。

附图说明

图1为本实用新型的自动对靶变量喷雾系统结构框图；

图2为本实用新型的履带式喷雾小车的行走装置结构示意图；

图3为本实用新型的喷雾机构结构示意图；

图4为本实用新型的履带式喷雾小车的结构主视示意图；

图5为本实用新型的履带式喷雾小车的结构俯视示意图；

图6为本实用新型的控制方法流程图；

图7为本实用新型的模糊控制系统框图；

图8为本实用新型的仿真曲线图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种基于PLC的自动对靶变量喷雾系统及其控制方法，将对靶喷雾技术和变量喷雾技术相结合，将PLC控制与模糊PID控制算法相结合，实现了通过PLC控制步进电机带动球阀控制喷雾流量的目的，本系统可按照获取经处理后的喷雾对象的有无、喷雾对象面积的大小及喷雾对象病虫害程度的深浅来进行精确自动对靶变量喷雾控制。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例

一种基于PLC的自动对靶变量喷雾系统，如图1所示，包括上位机1、监控模块2、病虫害诊断模块3、PLC控制模块4、数据采集模块5、行走机构6、升降机构7以及喷雾机构8，其中，

所述病虫害诊断模块3将获取的病虫害信息传送至所述上位机1，所述病虫害诊断模块3为含图像采集卡的CCD照相机，所述上位机1根据当前视觉场内作物的有无来确定是否喷雾，根据当前视觉场内作物的高度、面积以及作物受病害感染的程度，确定喷雾量的多少，并控制所述PLC控制模块4完成喷雾，所述PLC控制模块4通过RS485与所述上位机1的一端相连，所述上位机1的另一端与所述含图像采集卡的CCD照相机相连。

所述PLC控制模块4根据所述上位机1的指令控制所述行走机构6行走至病虫害位置，控制所述升降机构7调节喷头的高度，并结合模糊PID控制算法控制喷雾机构8进行喷雾。

为了保持行走装置运行平稳，提高喷雾喷洒精度，所述行走机构6为履带式喷雾小车，如图2所示，所述履带式喷雾小车的行走装置包括导向轮601、支重轮602、驱动轮603及履带604，其中，所述导向轮601安装在所述履带604的前部用以指导所述履带604行驶方向，若干个所述支重轮602安装在所述履带604的中部用以支撑所述喷雾小车重量和规正所述履带604，所述支重轮602包括轮毂、轮盘、胶带、滚珠轴承、轮轴盖等，支重轮数较多,可使每个轮子所支撑的重量小,对地面的压力分布均匀,有利于提高喷雾小车的通行性能，所述驱动轮603安装在所述履带604的后部用以驱动整个履带604行走，且驱动轮603中间的高度有利于整个小车的重心高度下降，直接尺寸有利于增添履带的接地长度，所述履带604套在所述导向轮601、支重轮602及驱动轮603的外侧，所述履带604包括履带板604a和履带销604b，所述履带销604b将各履带板604a连接起来构成履带链环，以提高履带板604a的坚固性和履带与地面的摩擦力。

选择履带式行走装置作为行走机构的优点：

1)支撑面积大，接地比压小。例如，履带式小车接地比压为0.02Mpa～0.08Mpa，而轮式小车的接地比压一般为0.2Mpa，是履带式小车的2.5～10倍。

2)履带支持面上有履齿，不具有牵引能力强，不易打滑的特点；

3)保持车体的平稳，提高喷射精度。

所述升降机构7为伺服电缸，伺服电缸的调节分为伸长和收缩，最大伸长高度为3m，伸长速度为0.2m/s，所述PLC控制模块4通过控制伺服电机的启动时间来调整所述伺服电缸的伸长或收缩，所述伺服电缸的伸长分为粗调8s、微调4s和微调3s，所述伺服电缸的收缩为15s。本实施例中选取型号为SEA802的伺服电缸，该电缸的推力为10kg-35t，行程1-3000mm，速度0.1-2m/s，最大加速度10m/s²，轴向间隙0.01mm，重复精度0.01mm。

所述喷雾机构8如图3所示包括在药箱801与喷头814之间依次相连的第一过滤器802、喷雾水泵803、蓄能器804、排气阀805、第二过滤器806、电磁阀807、压力传感器808、第三过滤器809、涡轮流量计810，以及并联的N个喷雾支路，每个喷雾支路均包括第四过滤器811、步进电机812以及球阀813依次连接，在本实施例中，建立了四条喷雾支路，在所述电磁阀上807还并联有手动控制阀815，用以手动操作模式和自动操作模式之间的切换，在蓄能器804与药箱801的回路上设有安全阀816，以保证液压回路能够正常工作的必要条件，因为安全阀816的存在，喷雾水泵813的出口压力才保持基本恒定，并且使喷雾水泵813的出口压力与安全阀816的调整压力相一致。在喷雾过程中所述PLC控制模块4通过控制伺服电缸的伸缩来调节喷头814的高度，通过控制步进电机812带动球阀813来控制喷雾的流量。喷雾水泵813用于输出一部分药液经四个球阀813至喷头814进行喷雾工作，其余部分经过手动控制阀815流回药箱801。蓄能器804为整个控制系统提供能源，管路中安装有排气阀805，主管路开始施药时，排除管路内的气体，当调节四个喷雾支路的球阀813开口的大小时，即是调节各喷雾支路的流量变化。

进一步地，所述数据采集模块5包括移动启停标志传感器501、喷杆限/复位传感器502、直线移动限/复位传感器503以及液位传感器504。

如图4、5所示为履带式喷雾小车的结构示意图。9为弹簧软管，10为小车箱体，11为电源。

一种基于PLC的自动对靶变量喷雾系统的控制方法，如图6所示，包括如下步骤：

S1：系统初始化；

S2：判断当前选择的模式是否是自动操作模式，如果是，则进入步骤S3，否则，执行手动操作模式；

S3：判断是否接收到了病虫害的定位信息，如果是，则进入步骤S4，否则继续执行步骤S3；

S4：所述行走机构6行走至病虫害位置，并停车；

S5：所述升降机构7将喷头814升降至喷雾位置；

S6：接收喷头814的开闭控制信息；

S7：由所述PLC控制模块4结合模糊PID控制算法控制所述喷雾机构8按照上位机1确定的喷雾量多少进行对靶变量喷雾；

A1：测量喷雾粒径的大小，找到最佳喷雾效果，将此时压力变送器808测得的压力值和涡轮流量计810测得的流量值作为模糊控制的目标值；

A2：模糊推理：

A21：步骤A1得到的最佳喷雾效果时涡轮流量计810测得的流量值作为设定值R(t)，所述涡轮流量计810实际测得的流量值作为测量值Y(t)，将设定值R(t)与测量值Y(t)进行比较，得到误差e以及误差e经微分运算得到的误差变化率ec；

A22：误差e乘以量化因子Ke得到E的模糊语言变量值{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}，误差变化率ec乘以量化因子Kec得到EC的模糊语言变量值{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}，在本实施例中，E和EC的论域均设为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，对应的模糊子集均为{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}，即代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。由此可以确定偏差与偏差变化率的隶属函数，然后进行模糊化处理，得到适于模糊运算的模糊量偏差E和模糊量偏差变化率EC。然后对参数Kp、Ki及Kd进行整定，得到三者的模糊控制规则表，如下表1、2、3所示。

表1：Kp模糊控制规则表

表2：Ki的模糊控制规则表

表3：Kd的模糊控制规则表

A23：根据E、EC结合PID控制规则，经模糊推理输出U，其中，输出U包含了U_Kp、U_Ki和U_Kd三个PID参数，每个参数均设有7个模糊语言变量值{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}；

A24：输出U乘以比例因子Ku，进行逆模糊化处理，得到参数Kp、Ki及Kd；

A3：PID控制：

将设定值R(t)与测量值Y(t)之间的误差传送给PID控制器，根据误差情况，在模糊规则表中选取相适应的Kp、Ki、Kd参数，进行PID运算得到输出U，即控制量U，将控制量U经D/A转换后的信号输送给所述流量电动调节阀407，所述流量电动调节阀407根据控制量信号的大小，调节其开度，从而达到控制流量的目的。

在本实施例中，采用压力、流量串级控制系统，其中压力为内环控制，流量为外环控制。

系统的开环传递函数为G(s)＝1/S(2*S+5)，在MATLAB中建立模糊控制系统，如图6所示。此时，放大器Gain＝-1000，增益Gain1＝0.05，Gain2＝0.01。选择被控对象及其参考模型，结合表1、表2、表3中Kp、Ki、Kd的模糊控制规则表即可得到仿真曲线如图7所示。

S8：喷杆复位且所述伺服电缸收缩；

S9：判断是否完成所有病虫害作物的喷雾工作，如果是，则进入步骤S10，否则，继续执行步骤S4；

S10：所述行走机构6返回至起点；

S11：判断所述PLC控制模块4是否停止工作，如果是，则结束，否则，继续执行步骤S2。

本申请的上述实施例中，通过提供一种基于PLC的自动对靶变量喷雾系统及其控制方法，包括上位机、监控模块、病虫害诊断模块、PLC控制模块、数据采集模块、行走机构、升降机构以及喷雾机构，将对靶喷雾技术和变量喷雾技术相结合，将PLC控制与模糊PID控制算法相结合，实现了通过PLC控制步进电机带动球阀控制喷雾流量的目的，本系统可按照获取经处理后的喷雾对象的有无、喷雾对象面积的大小及喷雾对象病虫害程度的深浅来进行精确自动对靶变量喷雾控制，大大提高了精确喷雾的精确度。

应当指出的是，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。