许绩彤　李君　牛萌萌　薛坤鹏　陈佳森　周佳鑫

摘要：管网式喷雾系统在山地果园应用普遍，作业过程中喷头数量的改变会造成管网压力波动，从而降低雾化均匀性；为了解决系统压力控制的快速性与准确性，在对管网系统元件数学建模的基础上，提出了1种非线性压力控制方法，对管网喷雾过程进行模拟分析与试验验证。结果表明：提出的压力控制方法能克服模型参数时变和干扰不确定性的影响，动态响应迅速，控制精度优良，保证了雾化均匀性、农药利用率、喷雾防治效果。

关键词：管网；施药；建模；压力控制

中图分类号：S49 文献标志码：A 文章编号：1002—1302（2016）01—0389—02

在果树病虫害防治中，化学防治为主要手段。由于我国大多数的果园立地条件为坡地，株行距小，且用于大田作物的喷雾机械难以在丘陵山区使用，因此作为果园管理重要环节之一的施药作业依然处于较低的机械化生产程度，工人劳动强度大，防治效果不理想。

近年来，管网式喷雾系统因其建设施工方便、作业劳动强度小、使用维护成本低等优点而在山地果园中开始普及。该系统采用固定式管道网络布局，利用动力喷药机械的柱塞泵将药液池的药液泵入管道，再经管道输送至果园的不同区域，工人们用软管喷枪连接管道输出节点，进行一定范围内的果树施药。喷雾压力是影响喷雾量、雾滴直径的关键因素。喷枪开闭时间以及作业数量的随机变化会引起管道中药液压力波动，进而影响药液在目标果树的有效沉积比例。喷头作业数量的增加使管网负荷增加、瞬时压力下降，降低了雾化均匀性；喷头作业数量的减少会造成管网负荷减小、瞬时压力升高，容易发生爆管现象。

为了解决水路系统压力控制的快速性与准确性，国内外许多学者进行了广泛的研究。研究表明，比例-积分-微分（PID）控制、反馈线性化控制、模糊控制、参数自整定控制、自适应控制以及鲁棒控制等方法对于恒压供水系统有较好的压力控制效果。虽然固定管道施药系统与城市管道供水系统相似，但是受果园建设的成本因素、管网流量规模的影响，前者系统结构较为简化，但不确定干扰、参数变化波动较大，对于控制器的抵抗瞬时流量负荷变化能力要求较高。由于滑模变结构控制和模糊控制对于系统参数变化和外界干扰的影响均具有自适应性，因此本研究采用模糊滑模变结构控制方法设计管网式喷雾系统的压力控制器。通过对管网主要元件进行数学建模，确定管网系统的对象模型，构建模糊滑模压力控制器，进行变流量负荷条件的数值模拟和试验验证。本研究可为农业管网式喷雾系统的压力控制器设计提供参考，对提高施药系统的作业质量和自动化程度有应用研究意义。

1管网元件数学模型

图1为管网式喷雾系统的基本构造。药液泵的Q-H特性曲线通常采用2次或3次多项式进行离散点的最小二乘法曲线拟合。本研究采用2次多项式表示扬程曲线，即：

3验证分析

压力控制试验用的样机来自华南农业大学研制的管网式喷雾压力控制系统，由3.0 kW电动机、45柱塞泵、电源组件、3.7 kW变频器、流量计、压力变送器以及压力控制器等部件组成，柱塞泵流量42～52 L/min，工作压力1.0～3.5 MPa，水平射程15～18 m。试验管网系统的主干管（DN20）长度15 m，各支管（DNl5）长度5 m，共6路支管。本试验测试过程中只在其中的3路支管装有喷枪，封闭其余支管。

测试方式：为模拟变流量负荷工作状态，试验过程中采用同时开闭支管喷枪的方式。喷雾机开启工作后，管网的各支路喷枪全部打开。设定管网工作压力为1.35 MPa；待管路压力稳定后，同时关闭其中2路喷枪，保留1路喷枪仍处于开启状态；17.5 s后，同时开启已关闭的2路喷枪，直至系统压力稳定。测试过程中用数据采集仪记录管路流量、压力数据，采样时间为10ms。

由图2、图3可知，因2路喷枪在2.5 s时被同时关闭，实际喷药量瞬时减少，导致管网压力大幅增加，此时压力控制器执行降压控制，通过管网压力闭环反馈，降低药液泵电动机的转速以减少供药液量；10 s后管路系统的供药液量与喷药量达到稳定值；20 s时重新开启2路喷枪，实际喷药量增加进而使管网压力瞬时减小，压力控制器执行升压控制，通过管网压力闭环反馈，提高药泵电机的转速以增加供藥液量；12.5 s后管网压力可以恢复到1.35 MPa。

对图4、图5管网压力控制试验的实测结果进行对比可知，仿真计算的结果与试验测得的结果趋势基本一致，控制瞬态响应存在的差异主要是管网系统的非线性特征以及仿真计算时的参数取值误差造成的。从图2至图5可看出，对于时变系统和不确定系统，模糊滑模变结构控制器具有良好的跟踪性能和鲁棒性。基于模糊规则的模糊滑模变结构控制方法可有效通过切换增益消除外界干扰和参数未知变化，同时也消除了变结构控制带来的抖振问题，保持了良好的动静态响应。

4结论

本研究针对山地果园管网式喷雾系统施药过程中的压力不稳定问题，设计了1种非线性压力控制器。在压力控制器的设计过程中，直接把开关函数及其微分作为输入量，通过模糊推理获得滑动模态控制的控制量，以消除线性化模型对系统误差分析的影响。

基于建立的喷雾管网系统主要元件的数学模型，对施药过程中的变负荷压力控制进行了仿真分析。为验证控制器的运行效果，开展了试验研究。仿真与试验结果表明：该压力控制器可以满足施药管网压力恒定的要求，动态响应迅速，控制精度优良。所设计的压力控制器具有直接、简单和可行的优点，且能保持整个系统对参数时变和干扰不确定性的稳定。