航空精准施药机载雾化系统的设计与研发

作     者：柴舒帆 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵春江

授予年度：2020年

学科分类：09[农学] 0904[农学-植物保护] 

主      题：航空施药 雾化系统 飘移控制 精准施药 

摘      要：航空施药具有作业效率高、地形适应广、突击能力强等特点,弥补了传统施药机械和人工作业的不足,近年在我国农业植保应用中发展迅速。但由于航空施药器械距离靶标较远,施药雾滴受环境气流、温湿度影响较大,而雾滴尺寸是影响药液飘移和沉积的重要因素,雾滴不合理,易造成药液飘移,威胁非靶标区域人畜的安全,并影响靶标区域的沉积效果,最终影响施药作业效果。为解决航空施药作业时雾滴粒径变量精准控制的难题,本论文针对有人直升机和固定翼飞机开展航空精准施药机载雾化系统研究。具体工作如下:(1)雾滴破碎理论和航空施药雾化方式研究;根据有人直升机和固定翼飞机飞行速度快、高度高、施药流速大的特点,结合可控雾滴的技术要求,确定了航空精准施药机载雾化系统的雾化方案,并根据雾化方案和系统的功能性要求确定了航空精准施药机载雾化系统的总体设计方案和系统组成。(2)航空精准施药机载雾化系统研发;包括器件选型、硬件电路设计、控制程序设计和控制参数的整定,完成了主控制器、检测单元和电子调速器的选型,转笼离心雾化器的优化,完成了主控制器硬件电路设计,利用试凑法得到了最佳控制参数:雾化器转速为700～4000 r/min、k=0.2、k=0.02,雾化器转速为4000～5000 r/min、k=0.3、k=0.03,雾化器转速为5000～6000 r/min、k=0.4、k=0.03,并基于电动转笼二次残差补偿雾化模型完成了控制程序的设计,以完成航空精准施药机载雾化系统的设计。(3)电动转笼二次残差补偿雾化模型建立;在以转笼离心雾化器为控制对象的雾化试验平台上进行了二次回归正交试验,分析了雾滴体积中值粒径与风速、施药流速、雾化器转速之间的耦合关系,建立了雾滴粒径模型;为了提高模型预测精度,添加补偿因子建立了第1次优化雾滴粒径补偿模型;利用机器学习对第1次优化雾滴粒径补偿模型的残差进行了分析,得到了第2次残差预测模型,将第2次残差预测模型与第1次优化雾滴粒径补偿模型线性叠加得到了二次残差补偿雾滴粒径模型。为验证二次残差补偿雾滴粒径模型的有效性,进行了模型对比与验证试验,试验结果表明,二次残差补偿雾滴粒径模型预测偏差最大为10.78%,其预测值与测量值的决定系数R为0.95,比无补偿雾滴粒径模型提高了0.06,比第1次优化雾滴粒径补偿模型提高了0.05。将二次残差补偿雾滴粒径模型进行了等效变形,得到了适用于航空精准施药机载雾化系统的电动转笼二次残差补偿雾化模型。(4)在风洞实验室搭建了航空精准施药机载雾化系统,针对系统的有效性、响应特性、普适性和雾化特性四个方面进行了试验验证;试验结果表明航空精准施药机载雾化系统能够实现既定功能且运转正常;系统的调节时间不超过3 s,雾化器转速的稳态误差不超过1%,不同的作业环境下,不同转笼离心雾化器雾化后的雾滴体积中值粒径偏差不超过8μm,且系统雾化后的雾滴体积中值粒径测量值与设定值间偏差绝对值不超过12%,雾滴相对分布跨度不超过1.4,当雾滴体积中值粒径设定值大于130μm时,100μm雾滴所占百分比最大不超过20%。