车载式施药机变量施药监控系统设计

论文摘要

实行变量施药是保证单位面积施药量符合农艺要求、减少农药使用量以及降低化学污染的一项重要措施。针对目前部分施药机变量施药控制性能较差、无法进行施药过程在线监测、无法进行施药参数存储和独立喷头控制等问题,本文设计了一套车载式施药机变量监控系统。该系统能够依据施药机的行走速度,通过喷药量和压力控制,实现单位面积施药量不变;同时可实现施药过程的在线监控以及喷头的独立开闭控制等。(1)明确系统总体设计要求,即能够实现喷药量的变量控制、在线监测和喷头独立控制等三个方面的功能。通过方案比较分析,确定了系统整体方案,即系统依据施药机行走速度的变化和设定的单位面积施药量,实时调整喷药量;依据设定压力值调整实际压力值;通过LCD和PC机实时监测施药情况,并对施药参量进行存储;通过软键盘实现喷头的独立开闭控制。(2)建立了系统压力和喷药量控制模型,并进行了压力和施药量PID和模糊控制算法仿真分析。结果表明:在单位阶跃信号输入下,压力和施药量PID控制系统的响应时间分别为0.4s和0.18s;压力和施药量模糊控制系统的响应时间分别为40ms和55ms。同时提出了采用跳变步长法对施药量滞环控制算法进行优化的方法。(3)根据系统方案,对系统执行、检测部件和其它硬件设备进行了选择;设计了电源、键盘、液晶显示、通信、SD卡存储、电动球阀控制、电磁阀控制等模块电路,绘制了PCB板并制作了控制器。设计并实现了系统上位机软件和下位机软件。其中上位机软件程序包括数据库构建、系统注册、系统登录、系统设置、数据接收显示存储和数据处理等模块的程序;下位机软件程序系统初始化、液晶显示、键盘处理、数据采集处理、SD卡存储、串口通信、电动球阀控制和电磁阀控制等模块的程序。(4)进行了系统调试及验证试验,结果表明:系统上位机能够正常接收存储下位机传送的施药参量数据,并可以进行数字和图形化实时显示;下位机可以显示施药参量并将数据打包存储于SD卡中;系统对速度、压力和流量的测量精度分别达到97.7%、98.5%和99.3%;系统可以实现采用软键盘对20个喷头进行独立开闭控制。(5)进行了滞环控制算法优化试验,结果表明:在设定喷药量为200ml/s时,采用等步长和跳变步长滞环控制算法控制喷药量的平均恢复时间分别为12s和7s、恢复时间段内的平均误差分别为27.19%和13.24%、整个控制过程的平均误差分别为12.68%和7.55%;在压力为0.75MPa时,采用跳变步长滞环控制算法控制施药压力的平均恢复时间为13.4s、恢复时间段内和整个控制过程中的平均误差分别为25.49%和14.42%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 研究内容及技术路线
• 1.3.1 研究的主要内容
• 1.3.2 技术路线
• 第二章 系统整体方案设计及硬件选择
• 2.1 变量施药机监控系统设计总体要求
• 2.1.1 系统功能要求
• 2.1.2 系统的技术要求
• 2.2 变量施药机监控系统总体方案
• 2.2.1 方案比较
• 2.2.2 系统总体方案
• 2.3 系统硬件选择
• 2.3.1 系统控制执行器的选择
• 2.3.2 喷雾泵的选择
• 2.3.3 系统检测部件的选择
• 2.3.4 其它部件的选择
• 2.4 本章小结
• 第三章 系统控制模型构建及控制算法设计
• 3.1 系统控制模型分析及构建
• 3.1.1 压力控制模型分析及构建
• 3.1.2 施药量控制模型分析及构建
• 3.2 系统控制算法综述
• 3.2.1 系统控制算法综述
• 3.2.2 系统控制算法选择
• 3.3 PID 控制算法设计及仿真分析
• 3.3.1 PID 控制算法设计
• 3.3.2 算法仿真及结果分析
• 3.4 模糊控制算法设计及仿真分析
• 3.4.1 模糊控制算法设计
• 3.4.2 算法仿真与结果分析
• 3.5 滞环控制算法优化设计
• 3.6 本章小结
• 第四章 系统硬件电路设计与实现
• 4.1 硬件电路总体设计
• 4.2 单片机选择
• 4.3 电源模块电路
• 4.4 键盘模块电路
• 4.5 液晶显示模块电路
• 4.6 传感器接口电路
• 4.7 通信模块电路
• 4.8 SD 卡存储模块电路
• 4.9 控制模块电路
• 4.9.1 电动球阀控制电路
• 4.9.2 电磁阀控制电路
• 4.10 系统电路的实现及安装装置设计
• 4.10.1 系统电路的实现
• 4.10.2 装置盒及监控面板设计
• 4.11 本章小结
• 第五章 系统软件设计与实现
• 5.1 系统软件总体设计
• 5.1.1 系统软件设计目标
• 5.1.2 系统软件构成
• 5.2 上位机软件设计
• 5.2.1 数据库构建
• 5.2.2 系统注册模块设计
• 5.2.3 系统登录模块设计
• 5.2.4 系统设置模块设计
• 5.2.5 数据接收显示存储模块设计
• 5.2.6 数据处理模块设计
• 5.3 下位机软件设计
• 5.3.1 系统初始化模块
• 5.3.2 液晶显示模块
• 5.3.3 键盘处理模块
• 5.3.4 数据采集处理模块
• 3.3.5 SD 卡存储模块
• 5.3.6 串行通信模块
• 5.3.7 控制模块
• 5.4 本章小结
• 第六章 试验及其结果分析
• 6.1 试验目的及内容
• 6.2 试验装置
• 6.3 系统调试及验证试验
• 6.3.1 上位机软件调试试验
• 6.3.2 SD 卡存储调试试验
• 6.3.3 速度检测调试试验
• 6.3.4 压力检测调试试验
• 6.3.5 流量检测调试试验
• 6.3.6 电磁阀控制试验
• 6.4 滞环控制算法优化试验
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 创新之处
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介