[发明专利]基于植保机柱塞泵压力的变喷雾系统流量跟踪控制方法

权利要求书

1.基于植保机柱塞泵压力的变喷雾系统流量跟踪控制方法，其特征在于：该植保机变喷雾系统是一种具有非线性特性的系统，基于这一特征，建立植保机变喷雾系统输出压力与流量之间的状态方程；通过直接驱动阀控制柱塞泵的输出压力，进而控制比例减压阀的输出流量；设计输出流量控制器，使植保机喷雾流量实现对参考流量的渐近跟踪；

该方法具体步骤如下：

1)基于植保机变喷雾系统的特征，结合动力学模型和流量特性模型，考虑喷雾系统的非线性因素，建立植保机变喷雾系统输出压力与流量之间的系统状态方程；通过直接驱动阀控制柱塞泵的输出压力，进而控制比例减压阀的输出流量；

2)设计植保机变喷雾系统流量控制器，基于状态方程和动力学及流量特性，使植保机喷雾流量实现渐近跟踪；

3)采用CAN总线串行通讯协议传输数据，利用STM32单片机对植保机喷雾流量进行控制，实现了对植保机喷雾流量的渐近跟踪；

步骤1)中变喷雾系统的动力学模型描述如下：

在假设磁路未饱和，而且忽略铁损和磁路中材料的磁阻的条件下，通电后电磁阀的电磁力方程表示为

F_m为电磁阀的电磁力，δ为线圈与衔铁之间的气隙，N为线圈匝数，S_a为有效作用面积，μ₀为真空磁导率，i为线圈中的电流；

建立模型时忽略流体动量变化产生的稳态液动力和瞬态液动力以及液体静压力，因此得到阀芯的运动平衡方程表示为

其中，为弹簧刚度，m为阀芯的等效质量，c为阀芯的等效阻尼，x为阀芯的位移，x₀为预先弹簧压缩量，k为弹簧刚度，k_F为比例系数，i为线圈中的电流；

电磁阀的流量方程表示为

Q_f为通过阀口的输出流量，C_f为流量系数，S_a为有效作用面积，x为阀芯的位移，P为出口压力，ρ为药液密度；

步骤1)中通过直接驱动阀控制柱塞泵的输出压力，其中变喷雾系统的柱塞泵控制模型描述如下

对柱塞泵的压力控制系统进行数学建模，直接驱动阀阀芯动力学方程具体表达为

K_v是线性电动机的力常数，v是线性电动机的输入电压，x_v是直接驱动阀阀芯的位移，C₁是阻尼力的系数，C₂是弹簧的系数；

对于有泄露的线性方程表示为

Q_c＝K_qx_v-(K_c+C_L1)P_c (5)

Q_c是泵的输出流量，K_q是阀的流量增益系数，K_c是阀的流量压力系数，x_v是直接驱动阀阀芯的位移，C_L1是阀芯的泄露系数，P_c是泵的输出压力；

将连续性方程应用到柱塞泵中，表示为

Q_c是泵的输出流量，P_c是泵的输出压力，A_c是活塞的截面积，x_c是活塞的位移，C_L2是泵的泄露系数，V_c是泵的容积，β_e是药液的弹性模量；

泵的活塞位移和阀芯位移相关具体表示为

A_c是活塞的截面积，x_c是活塞的位移，x_v是直接驱动阀阀芯的位移，K_eq为等效流量增益；

综上推导得出

结合式(2)、(3)、(8)、(9)，变量喷药系统模型为

其中，

步骤1)中的变喷雾系统状态方程描述如下：

定义状态变量x₁＝a(P)x，x₃＝x_v，x₄＝P_c，u＝(i² v)^T作为控制量输入；由上述泵和阀状态方程并列得变喷雾系统状态方程为：

y＝C₂x (14)

假设Δx＝x-x₀，其中x₀是系统处在工作点时的状态变量；所以得到：

并且依据线性化理论，得到控制系统线性化模型，将上述方程表述为：

其中

其中，L＝-A₂x₀+l₂，y为输出压力和输出流量。