管网式喷雾系统建模与压力控制

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。

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