一种提高混药装置混药浓度稳态精度的实时控制方法
【专利摘要】本发明一种提高混药装置混药浓度稳态精度的实时控制方法，该方法具体如下4个步骤：步骤一：获得药液流量和水流量传递函数的一阶惯性延迟表达式；步骤二：导出被控对象在PI(比例积分)控制器作用下稳态振荡幅度的关系表达式；步骤三：确定PI控制器参数Kc和τi对稳态振荡幅度a的影响机理；步骤四：调节PI控制器参数，对控制系统被控量——药液流量和水流量的稳态振荡幅度进行调节。本发明构思科学、巧妙，经过实验验证，自适应和实时性强，为混药浓度的精密控制过程提供了一种操作简便、快速、低成本的稳态精度提高方法，为实际工业控制系统的精密控制提供了一条新的途径。
【专利说明】一种提高混药装置混药浓度稳态精度的实时控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种提高混药装置混药浓度稳态精度的实时控制方法。该方法能实现 通过动态调整控制器参数来提高混药浓度的稳态控制精度。属于智能化装备与控制领域。
【背景技术】
[0002] 与传统的预混药方式相比，在线混药的特点是药箱和水箱分离，工作时通过混药 装置在线混药。在线混药装置可以实现农药浓度根据病虫害的严重程度按需变化，在病虫 害严重区域提高药液浓度，在病虫害较轻区域降低药液浓度，达到根据病虫害程度按需混 药。
[0003] 在线混药是当前提高农药利用率、减小环境污染的最有效手段之一，也是提高农 药使用安全性的最有效手段之一。药水混合比的动态检测和稳定控制是在线混药装置保证 喷雾浓度均匀稳定的关键，考虑到喷雾机组作业过程中药水混合比一般在1:300?1:500 之间，因此，对农药的小流量高精度检测是在线混药装置应用到实际作业过程中必须解决 的一个核心问题，尤其是目前市场上尚未见到能对农药小流量检测的体积流量计，一些科 里奥利质量流量计虽能对农药流量进行检测，但高精度的传感器价格很高，因此目前必须 寻求农药的低成本、高精度计量手段。
[0004] 在现有技术中， 申请人:未发现通过动态调整控制器参数提高混药浓度的稳态控制 精度的混药装置，如果能通过动态调整控制器参数，在不增加任何硬件成本和不改变硬件 结构情况下使稳态控制精度得到提高，具有一定现实意义。对相近技术现有专利进行检索 时发现，申请号为200510041334. 4的中国专利1《一种喷雾机构药与水分离的方法》公开 了喷雾机中农药和水分离的方法，在该方法中预先将农药和水分别存放在带有刻度的容器 中，对农药和水进行精确计量。专利2 (申请号为200810027898)公开了一种《变量喷雾自 动混药装置》，该装置考虑一种或多种农药单独或同时喷施、喷雾浓度实时变化的情况；专 利3 (申请号为201010132393. 3)公开了《一种自动混药装置》，该装置包括射流部分和螺旋 部分，其特点是：农药和水分离单独存放，并利用负压和湍流混合原理实现农药和水的自动 快速均匀混合，但该装置无法实现对药和水精确计量，无法实现对药水混合比的精确控制， 而药水混合比在实际喷雾过程中直接关系到对病虫害防治效果的一下重要指标，直接关系 到喷雾效果的实现，当实际药水混合比小于所要求混合比时，药液浓度太小，达不到防治病 虫害目的，反之，药液浓度过大，不仅对作物造成损伤，还会造成环境污染。专利4 (申请号 为201210585002. 2)公开了《一种车载式混药装置》，主要考虑药液和水分开存储并实现在 线均匀快速混合，但仍不能够控制药水混合比；专利5 (申请号为99228118. 0)公开了一种 利用正压和负压原理进行药水混合的《混药装置》，该装置主要包括盛水瓶、药液袋和混药 液组成，在混药器上设置了注水孔和吸液孔，工作时盛放在药液袋中的农药经过混药器上 缩颈部分时产生负压，注水孔产生正压，在正负压共同作用下使得农药从药液袋进入混药 装置实现药、水混合。专利6 (申请号为201310670806. 7)公开了一种《植保机械喷药系统 动态比例混药装置》，考虑采用药水二次混合的混药方式，即将药和水在初混箱进行初次混 合，然后通过比例混药泵将初混液和水吸入喷施管道进行二次混合（难于准确控制药水混 合比）。专利7 (申请号为200920202638. 8)公开了一种《喷雾机用机械蠕动式混药装置》， 该装置将柱塞泵曲轴与安装在凸轮上的滚柱形状的压辊采用同一动力轴带动，使柱塞泵和 蠕动管的流量同步变化，试图实现定比动态混药，但该装置只能适用于固定药水混合比的 情况，不能对药水混合比比进行改变。上述专利中大多通过溢流阀对水流量和压力进行控 制，通过高精度流量传感装置和高精度控制阀对药液流量进行测控，通过控制水流量和药 液流量对混药浓度进行控制， 申请人:未发现通过动态调整控制器参数提高混药浓度的稳态 控制精度的混药装置。
[0005] 混药装置中对水流量和药液流量精密控制就需要有相应的高精度的传感器和执 行机构，高精度传感器和执行机构一方面价格高，另一方面无论多高精度的传感器和执行 机构，由于实际控制系统受执行机构和传感器死区及分辨率的影响使得各个被控量在达到 稳态时并不能准确的稳定在设定值，而是在平衡位置附近以一定幅度一定周期波动，各个 被控量的稳态振荡幅度、振荡周期和振荡相位这3个参数并不相同，这3个参数波动情况的 不同会产生不同的稳态控制精度，如果通过动态调整控制器参数使各个被控量的稳态振荡 幅度降低，从而获得较高的稳态控制精度，这种在不增加任何硬件成本和不改变硬件结构 情况下使稳态控制精度得到提高的方法，具有一定现实意义。由混药浓度计算公式：
[0006]
【权利要求】
1. 一种提高混药装置混药浓度稳态精度的实时控制方法，其特征在于：该方法具体步 骤如下： 步骤一：获得药液流量和水流量传递函数的一阶惯性延迟表达式； 实际控制系统中，药液流量和水流量控制系统可表示成一阶惯性延迟系统或通过模型 降阶方法简化为一阶惯性延迟系统，一阶延时惯性过程传递函数可表示为：
(2) 其中，k为放大倍数，τ为时间常数，Θ为系统延迟； 通过阶跃响应实验，可确定（2)中的k、τ和Θ3个参数的值，即获得被控系统的一阶 惯性延迟系统的传递函数表达式； 步骤二：导出被控对象在ΡΙ (比例积分）控制器作用下稳态振荡幅度的关系表达式； (1)稳态振荡幅度的表达式的导出 受限制（低）输入分辨率的反馈控制会导致极限环；对输入分辨率的一个简单的代表 就是使用一个被量化的输入；量化器的输出为： uq = q · round (u/q) (3) 其中，u和u,分别为量化器的输入和输出；q为量化步长，这里量化器代表受限的执行 机构分辨率；round为取整函数； 带有量化器的反馈系统中，G(s)为控制对象（过程）传递函数，K(s)为控制器，y和r 分别为过程输出和参考输入，u为被控量；由于执行器低分辨率导致了阶梯式的输入，从而 使得控制对象输出y以幅度a(从波谷到波峰的总幅度）在平衡位置震荡； 含有量化器的反馈系统中，若控制器中有积分作用存在，则极限环是不可避免的； 稳态时，输出y的平均值等于参考输入r，即yss = r，> = ，对应的输入
(4) 其中G(0)为过程的稳态增益，由于测量噪声的存在，一般情况下，uss不可能正好等于 量化器级别1，则量化器输出u,必然至少在两个量化器级间震荡； 假定该过程由周期性持续输入u(t)信号激励；该信号由不带迟滞环的继电器产生；其 中qi、q2为极限值，h为u,保持qi的时间，T为振荡周期（T = h+t2)，该信号可表示为频域 上一系列时延项；不失一般性，假定q2 = 〇, Qi = Q，则：
(5) 将此信号作用到式（2)表示的过程，输出信号会出现震荡；震荡的最大（小）值存在于 集合？=乜4 =办+册71 + 6>，/历已#}，最小（大）值存在于集合^ = 0卜=77, + 6?，/讲€#};在 θ +T < t < Θ +ti+T范围内最大值为 转换到时域得 (6) (8) (7) 这样，最大（小）值为 因此，最大（小）值可扩展为
(9) 即
(10) 当n-c?时，（e^)n-〇,式（9)的有限和为
(11) 则
(12) 同样地，可导出在e+h+Tsts Θ+2Τ范围内最大值：
(13) 震荡幅度a = yextl_yext2，即
(14) 式（14)中a依赖于&和T，为此必须确定它们的值； ^心和！1的导出 u(s) = K(s) [r(s)-y(s)] (15) 其4
, r (s) = r〇/s, y (s) = G(s)uq(s),
(16) 考虑PI控制器，将式（16)代入（15)，并转换成时域形式，则有
(17) 当 0〈t〈tQ+0 时， 在区间 t〇+ Θ <t<t〇+t!+ θ , (18) (20) (19) 同样地，对于区间 1：。+!^+ Θ〈iXta+ti+t；^ θ， 上式中，《(0= 其中
PI) 其中round为取整函数；将 t = t0, t = to+tp t = to+i^+i^ 分另ij代入式（18), (19), (20)得：
由于 u(t。）=11(1^+1:) =11(1^+1^+1:2),结合式（22)?（24)，得： (22) (23) ^4)
(25)
(26) 特别地，当τ = τ Σ时，式（18)?（20)可分别变为：
(27)
P8)
(29) 由于 u(t。）= 11(1:。+!^) = uUo+ti+i^),将 t = t。，t = to+ti+ty t = to+h 分别代入式 (27)，（28)，（29)并求解得： (0) (31)
(32) 当τ尹^时，对式（22)?（24)进行数值求解，可得到&和1\然后代入式（14) 即可求得被控系统稳态振荡幅度a ; 步骤三：确定PI控制器参数Kc和τ Σ对稳态振荡幅度a的影响机理； 通过实验和仿真确定Kc和τ Σ对稳态振荡幅度a的影响规律，为稳态过程中通过适当 调节Kc和τ Σ降低稳态振荡幅度a，提高稳态控制精度奠定基础； 步骤四：调节PI控制器参数，对控制系统被控量--药液流量和水流量的稳态振荡幅 度进行调节。
【文档编号】G05D11/13GK104156012SQ201410378184
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月1日 优先权日:2014年8月1日
【发明者】李晋阳, 魏新华 申请人:江苏大学