[发明专利]压力稳态与状态反馈结合的植保机精准施药控制方法

权利要求书

1.一种压力稳态与状态反馈结合的植保机精准施药控制方法，其特征在于：考虑施药压力系统的非线性因素和植保机药液泵与施药管道之间的压力模型，建立植保机药液泵与施药管道之间的压力系统的状态方程；设计压力稳态与状态反馈结合控制的施药压力控制器，基于压力系统状态方程，使施药压力克服复杂工况扰动跟踪参考压力，具体步骤如下：

1)基于植保机药液泵与施药管道之间的压力模型，施药压力系统的非线性因素，建立植保机药液泵与施药管道之间的压力系统的状态方程；

2)设计基于压力系统状态方程的压力稳态与状态反馈结合控制的施药压力控制器，使施药压力克服复杂工况扰动跟踪参考压力；

3)基于STM32系列微控制器和CAN总线通信方式设计基于CAN总线植保机压力稳态控制器，使施药压力信号能快速跟踪参考压力信号；

1)步骤中，基于植保机药液泵与施药管道之间的压力模型，施药压力系统的非线性因素，建立植保机药液泵与施药管道之间的压力系统的状态方程，施药压力系统的数学模型描述如下：

喷药压力系统的药液泵是指具有由轮轴驱动的径向活塞的柱塞泵，当药液从药液箱流入药液泵室，然后被施加到高压后输送到药液管道；施药压力系统的数学模型：

药液体积变化根据驱动轴的运动而改变：

p_p为药液泵压力，K_f为体积模量，V_p为药液泵体积，q_i是药液的入口流量，由压力控制阀调节，q₀是药液的泄漏量，是恒定值；q_pr为药液泵到管道的流量即出口流量，A_p为药液泵出口面积，ω_r为轴转速，为药液体积变化，具体表达为：

c_pr为药液泵出口的药液流量系数，A_pr为药液泵出口的截面积，ρ为药液密度；p_r为药液管道压力；在喷药压力系统中，药液管道是具有一定体积的连接药液泵和喷嘴组的药液载体；药液管道的压力动态方程表示为：

其中V_r是管道药液的体积，q_ri是管道的药液出口流量也等于喷嘴组喷射量总和；确定q_ri和p_r之间的关系；结合式(1)、(2)，喷药压力系统模型为：

其中，η为泄漏系数；

基于植保机药液泵与施药管道之间的压力模型，施药压力系统的非线性因素，建立植保机药液泵与施药管道之间的压力系统的状态方程，施药压力系统的状态方程描述如下：

定义状态变量x₁＝p_r，u＝q_i作为控制量输入；由式(1)、(2)、(5)喷药压力系统状态方程为:

y＝cx

其中，c＝[1,0]，c为输出矩阵；y为输出压力；

a₁,a₂,b₁,b₂为压力系统状态方程的状态矩阵；

设计基于压力系统状态方程的压力稳态与状态反馈结合控制的施药压力控制器，使施药压力克服复杂工况扰动跟踪参考压力，具体描述如下：

稳态性能控制：根据式(6)，设计稳态控制，

即

为输出压力变化率等于状态变量的变化率；对式(8)求导，得出

为输出压力变化率的导数，为状态变量x₂的变化率；为a₁对于x₁的偏导值，为b₁对于x₁的偏导值，将式(9)代入

稳态控制中，使参考压力y平稳变化，无激烈变化，令和

f_s(x)为稳态控制律；引入压力稳态控制后，控制律为：

u为现阶段总体控制律，为引入控制律；代入式(11)

其中，y^*为输出压力参考值，为输出压力参考值变化率，为输出压力参考值变化率的导数，B(x)＝b₁(x₁)b₂(x)；

引入压力状态反馈控制，控制律为：

u₂为状态反馈控制律；同理，代入式(11)中，推出

控制律：

定义压力误差为：e₁＝y^*-y；e₂为e₁的变化率；e₃为e₂的误差值；k₀,k₁,k₂为控制律系数；

状态反馈控制的控制律：

其中，∫e₁dt为误差e₁的积分值；联立式(12)(14)(18)，总体的控制律为：

其中：

2.根据权利要求1所述的压力稳态与状态反馈结合的植保机精准施药控制方法，其特征在于：基于STM32系列微控制器和CAN总线通信方式设计基于CAN总线植保机压力稳态控制器，使施药压力信号能快速跟踪参考压力信号，以STM32系列微控制器为主控制器，以CAN2.0B为总线通信规范，硬件上两路达林顿0.5A输出,两路5A继电器输出，扩展输出可实现,4-20mA模拟量输出，两路交流20A信号输出。