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基于动态PWM变量喷雾系统的雾量分布均匀性研究

张利君  
【摘要】:化学防治在有效控制农作物的病虫草害的同时,也因其过量的农药残留造成了严重的环境污染和人体伤害。近年来,变量喷雾作为环境友好型喷雾方式变得越来越重要,但由于PWM(脉宽调制式)变量喷雾系统间歇式的喷雾特点,其雾量分布均匀性难以控制,而雾量分布均匀性是衡量植保喷雾质量的重要指标,只有提高了喷雾的分布均匀性,才能在保证药效的前提下,节省药量,提高农药有效利用率。因此对PWM变量喷雾系统的雾量分布均匀性进行研究,尤其是在动态条件下,有着重大意义。当前的相关研究着重于静态条件下的喷杆方向,本文重点从三个评价方面(喷雾前进方向、喷杆方向和整体区域)上针对喷雾作业参数对雾量分布均匀性的影响进行研究。(1)设计一种基于动态PWM变量喷雾系统的雾量分布均匀性的测量方法:以胭脂红溶液为喷雾试剂,在输送带上放置矩阵式集雾装置收集雾滴,采用浓度-吸光度法测量雾量沉积浓度,进而衡量雾量分布均匀性。结果表明:该方式可测量雾量雾滴的质量浓度,绘制出三维的雾量浓度分布图后可进行直观评价。(2)基于动态PWM变量喷雾试验平台,采用上述设计的方法,针对单个喷头分别测试了不同PWM频率、PWM占空比和喷雾压力对三个评价方面(整体区域、喷雾前进方向和喷杆方向)上的雾量分布均匀性的影响。结果表明:PWM频率对喷雾前进方向和整体区域上的动态雾量分布均匀性影响较大,但PWM频率越大,影响效果越弱;PWM频率对喷杆方向上的影响较小;PWM频率的设置应至少保证所使用的喷雾前进速度条件下的喷雾连续性,且无需过大即可实现均匀的喷雾,从而保证电磁阀的使用寿命。当PWM占空比增大到66%使喷雾流量基本稳定时,PWM占空比的继续增大可同时提高喷雾前进方向、喷杆方向和整体区域上的动态雾量分布均匀性,而在PWM占空比增大到66%之前,仅对喷雾前进方向上的动态雾量分布有明显影响。在雾化效果较好的前提下,随着喷雾压力增大,雾量更多的向喷杆方向上的两侧和喷雾前进方向上的中间聚集,因此,喷雾压力越大,喷雾前进方向上的雾量分布均匀性越差,而喷杆方向和整体区域上的越好。(3)采用响应面法中的Box-Behnken设计方法,选取喷雾前进速度、PWM频率和PWM占空比作为考察因素,建立以喷雾前进方向和喷杆方向上的雾量分布变异系数为响应值的数学模型并进行验证。同时,以喷雾前进方向和喷杆方向上动态雾量分布均匀性为因素,建立关于整体区域上的动态雾量分布均匀性的数学模型并进行验证。结果表明:得到的喷雾前进方向上的回归模型具有较高的可靠性,验证试验显示预测值与实际值之间误差较小,且各显著因素的影响程度依次为PWM频率﹥PWM占空比喷雾前进速度﹥PWM频率的二次项﹥PWM占空比和PWM频率的交互作用;喷杆方向上的雾量分布变异系数与各因素均无显著关系;采用12组试验数据对模型进行验证后发现,关于整体区域动态雾量分布均匀性的数学模型所得到的预测值与实际值之间误差较小,因此,该模型具有较高的可靠性。(4)采用曲线拟合的方法将喷雾前进方向和喷杆方向的雾量沉积浓度分布图分别采用三角函数和正态分布函数进行拟合,根据拟合参数,两种雾形曲线的拟合程度均较高。同时,探究所拟合出方程的参数与PWM占空比、PWM频率、喷雾前进速度之间的关系并建立计算模型。基于MATLAB环境下,利用喷雾前进方向和喷杆方向上的两种雾形曲线模型模拟出单喷头和多喷头在整体区域上的时空雾量分布图,同时基于GUI图形用户界面开发出针对PWM动态变量多喷头喷雾的三维时空雾量分布模拟软件。结果表明:对于喷雾前进方向上的拟合,15轮次中有14轮次拟合曲线的决定系数在0.8以上,对于喷杆方向上的拟合,15轮次拟合曲线的决定系数均在0.95以上,拟合程度较高,因此PWM变量喷雾中喷雾前进方向和喷杆方向的雾量沉积浓度分布图可分别采用三角函数和正态分布函数进行拟合。(5)经过讨论,获得雾量分布均匀的最佳喷雾方案为:喷雾压力为0.2MPa,PWM占空比为53%,PWM频率为6.6Hz,喷雾前进速度为0.39m/s。此时喷雾前进方向上的雾量分布变异系数为1.17%,喷杆方向上的雾量分布变异系数为34.08%,整体区域上的雾量分布变异系数为29.79%。


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