技术领域
[0001] 本
发明涉及一种液体小流量精密测控方法，属于智能化
农业机械领域。
背景技术
[0002] 液体小流量精密测控是在线混药装置中必须解决的关键问题。与传统的预混药方式相比，在线混药的特点是药箱和
水箱分离，工作时通过混药装置在线混药。在线混药装置可以实现
农药浓度根据病虫害的严重程度按需变化，在病虫害严重区域提高药液浓度，在病虫害较轻区域降低药液浓度，达到根据病虫害程度按需混药。
[0003] 在线混药是当前提高农药利用率、减小环境污染的最有效手段之一，也是提高农药使用安全性的最有效手段之一。药水混合比的动态检测和稳定控制是在线混药装置保证喷雾浓度均匀稳定的关键，考虑到喷雾机组作业过程中喷雾量一般为12～120L/min，药水混合比一般为1:500，则农药的流量为24～240mL/min，目前市场上难以找到这种小规格、高
分辨率的体积流量计，这就要求必须通过其他手段解决农药的小流量检测，一些科里奥利
质量流量计虽能对农药流量进行检测，但高
精度的
传感器价格很高，因此目前尚缺少农药的低成本、高精度计量手段。
[0004] 在
现有技术中，
申请号为200510041334.4的中国
专利1《一种喷雾机构药与水分离的方法》公开了喷雾机中农药和水分离的方法，在该方法中预先将农药和水分别存放在带有刻度的容器中，对农药和水进行精确计量，但该装置无法实现自动化。专利2(申请号为201010132393.3)公开了《一种自动混药装置》，该装置包括射流部分和螺旋部分，其特点是：农药和水分离单独存放，并利用
负压和
湍流混合原理实现农药和水的自动快速均匀混合，但该装置无法实现对药和水精确计量。专利3(申请号为200920202638.8)公开了一种《喷雾机用机械蠕动式混药装置》，该装置将
柱塞泵曲轴与安装在
凸轮上的滚柱形状的压辊采用同一动
力轴带动，使柱塞泵和蠕动管的流量同步变化，试图实现定比动态混药，但该装置只能适用于固定药水混合比的情况，不能对药水混合比进行改变。刘志壮等《在线混药式变量喷雾系统设计与试验》(发表在农业机械学报)采用研制的差压式液体流量计对进入混药器的水流量和农药流量同时进行测控，该方法采用的流量计为差压式流量计，而差压式流量计存在测量精度普遍较低、压损大、测量范围窄的缺点。专利4(申请号为201010191449.2)公开了《一种负压气体的流量测量方法》，该方法基于动态平衡原理利用调节
阀充当流量计，实现了负压条件下气体流量的测量，但该方法不能对液体流量进行测控。
[0005] 为了弥补上述不足，本发明采用流量调节阀对农药流量进行测控，提出了一种低成本智能化液体小流量测控方法，该方法具有智能化，低成本，适用范围广，使用方便的特点。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种液体小流量精密测控方法，以实现对小流量液体的实时在线检测和控制。
[0007] 为了解决以上技术问题，本发明通过流量标定装置以确保获取样本数据的可靠性，通过对模型的分析以确保方法的可行性，具体技术方案如下：
[0008] 一种液体小流量精密测控方法，其特征在于包括以下步骤：
[0009] 步骤一，获得流经调节阀的流量综合关系表达式；
[0010] 流过调节阀的流量Q的大小与
流体密度ρ、调节阀流量系数KV，调节阀开度O、调节阀上游压力p1和下游压力p2的压力差Δp的关系如下
[0011]
[0012] N为常数，流量系数KV随阀
门开度O的变化而变化；液体密度保持不变时，结合式(1)可知，流过调节阀的液体流量只与流量调节阀上下游压差和阀开度有关；
[0013] 当调节阀开度O发生变化时，KV值也会相应改变，故流过调节阀的液体流量从根本上取决于Δp、O两个独立变量；流量与Δp和O的综合关系如下
[0014] Q＝f(Δp,O) (2)
[0015] 通过标定建立流量与流量调节阀上下游压差和阀开度间的关系模型，通过调节阀门开度和调节阀上下游压差实现液体实际流量的在线检测和控制；
[0016] 确定式(2)的函数关系的首要前提是采取一定方法获得流量与两个变量的有效数据样本；
[0017] 步骤二，建立流量标定系统
[0018] 所述的流量标定系统由差压传感器(1)、流量调节阀(2)、比例溢流阀(3)、液体注入泵(4)、储液箱(5)、
控制器(6)、压力调节阀(7)、量筒(8)、
电子天平(9)和喷头(10)组成；
[0019] 液体注入泵(4)安装在储液箱(5)底部的出液口连接管道上，比例溢流阀(3)安装在液体注入泵(4)与储液箱(5)
侧壁回流口的连接管路上，液体注入泵(4)一方面用于对管路中液体的流动提供动力，另一方面和比例溢流阀(3)相配合实现对液体注入泵(4)出口压力的稳定调节与控制；
[0020] 流量调节阀(2)安装在液体注入泵(4)出口管路上，对经过管路液体流量进行测控；差压传感器(1)安装在流量调节阀(2)的两端，用于
对流量调节阀(2)上游压力与下游压力差进行测量；
[0021] 压力调节阀(7)安装在流量调节阀(2)出口处的下游管路上，对流量调节阀(2)出口压力进行调节；压力调节阀(7)和喷头(10)只在标定时使用，在流量测量和控制过程中被拆除；量筒(8)和电子天平(9)位于出液口正下方，对T时间段内液体的体积和质量进行计量；
[0022] 步骤三，进行流量标定实验，获得流量与两个变量的有效实验样本数据，具体包括以下过程
[0023] 过程一，将液体预先存储在储液箱中，将比例溢流阀设定为一定压力值P，在液体注入泵的作用下，液体从储液箱经流量调节阀进入主管道，手动调节压力调节阀以改变流量调节阀两端的压差，使流量调节阀两端压力差设定为不同数值；
[0024] 过程二，在每种压差条件下，通过控制器控制流量调节阀开度从100％以5％的步长逐渐减小到10％，待管道压力稳定后，连续喷雾60s，同时分别用2000mL的量筒和精度为±0.1g的电子天平记录液体的体积和质量，通过计算即可获得不同压差下和各对应开度下液体的体积流量和质量流量；
[0025] 通过所述过程一和过程二，即获得不同压差和不同开度组合条件下的有效实验样本数据；
[0026] 步骤四，基于所述有效实验样本数据对神经网络训练，确立流量与两个变量Δp、O的具体表达式
[0027] 根据式(2)，流量Q与调节阀上下游压差Δp和阀门开度O之间的关系是非线性的，神经网络对非线性函数具有很强的映射能力，并具有一定的泛化能力；
[0028] 典型的3层神经网络表示如下
[0029]
[0030]
[0031] xi为输入，yj为隐层输出，zk为输出，whij为
输入层到隐层的连接权值，bj为隐层神经元的
阈值，wojk为隐层到
输出层的连接权值，ck为输出层阈值，fy、fz为激励函数；
[0032] 利用所述步骤三获得的有效实验样本数据对神经网络进行训练，确定连接各层的权值和各个神经元的阈值即可得到流量调节阀开度、流量调节阀两端压差与流过流量调节阀的液体流量的关系表达式(3)和(4)，从而实现液体的小流量测控，最后将该表达式(3)和(4)的系数存储在控制器中。
[0033] 本发明具有有益效果。本发明为液体的小流量高精度检测提供了一种简便可行的解决方案；本发明在对液体流量的检测中，利用流量调节阀对流量进行检测和控制，而没有使用高精度的流量计，降低了成本；在对流量调节阀的标定时，本发明只需在下游管路安装一个压力
控制阀即可，压力控制阀两端通过
螺纹与喷雾主管路连接，在标定结束后，将压力控制阀取下，换成两端带
外螺纹的管道连接即可，因此，标定简便，不需要专门的标定装置。
附图说明
[0034] 图1为本发明的流量标定示意图；
[0036] 图中：1-差压传感器；2-流量调节阀；3-比例溢流阀；4-液体注入泵；5-储液箱；6-控制器；7-压力调节阀；8-量筒；9-电子天平，10-喷头。
具体实施方式
[0037] 下结合附图和具体
实施例，对本发明的技术方案作进一步详细说明。
[0038] 本发明一种液体小流量精密测控方法，该方法具体步骤如下：
[0039] 步骤一、获得流经调节阀的流量综合关系表达式。
[0040] 在流量调节过程中，调节阀必不可少。由调节阀的节流特性分析可知，流过调节阀的流量Q的大小与流体密度ρ、调节阀流量系数KV，调节阀开度O、调节阀上游压力p1和下游压力p2的压力差Δp有关，即，
[0041]
[0042] 其中，N为常数。流量系数KV随阀门开度O的变化而变化。液体密度保持不变时，流过调节阀的农药流量只与流量调节阀上下游压差和阀开度有关。因为当调节阀开度O发生变化时，KV值也会相应改变，故流过调节阀的液体流量从根本上取决于Δp、O两个独立变量。流量与Δp和O的综合关系表达式为：
[0043] Q＝f(Δp,O) (2)
[0044] 因此，只要通过标定建立流量与流量调节阀上下游压差和阀开度间的关系模型，即可通过调节阀门开度和调节阀上下游压差来在线检测和控制药液的实际流量。
[0045] 确定函数关系的首要前提是采取一定方法获得流量与两个变量的有效数据样本。
[0046] 步骤二、建立流量标定系统。其结构如图1所示：该装置由差压传感器1、流量调节阀2、比例溢流阀3、液体注入泵4、储液箱5、控制器6、压力调节阀7、量筒8、电子天平9和喷头10组成。液体注入泵4安装在储液箱5底部的出液口连接管道上，比例溢流阀3安装在液体注入泵4与储液箱5侧壁回流口的连接管路上，液体注入泵4一方面用于对管路中液体的流动提供动力，另一方面和比例溢流阀3配合实现对液体注入泵4出口压力的稳定调节与控制。流量调节阀2安装在液体注入泵4出口管路上，对经过管路液体流量进行测控；差压传感器1安装在流量调节阀2两端，对流量调节阀2上、下游压力进行测量。压力调节阀7安装在流量调节阀2出口下游管路上，对其出口压力进行调节，压力调节阀7和喷头10只在标定时使用，在流量测量和控制过程中拆除。量筒8和电子天平9位于出液口正下方，对T时间段内药液的体积和质量进行计量。
[0047] 步骤三、进行流量标定实验，获得流量与两个变量的有效数据样本。
[0048] 1)将液体预先存储在储液箱中，将比例溢流阀设定为一定压力值P。所述比例溢流阀是用来调节应用装置管路系统的工作压力的，不同管路系统工作压力不同，而且，同一个应用装置管路系统在不同阶段其工作压力是不同的，这个压力值P是根据需要来设定，在液体注入泵的作用下，液体从储液箱经流量调节阀进入主管道，手动调节压力调节阀以改变流量调节阀两端的压差，使流量调节阀两端压力差设定为不同数值。
[0049] 2)在每种压差条件下，通过控制器控制流量调节阀开度从100％以5％的步长逐渐减小到10％，待管道压力稳定后，连续喷雾60s，同时分别用2000mL的量筒和精度为±0.1g的电子天平记录液体的体积和质量，通过计算即可获得不同压差下和各对应开度下药液的体积流量和质量流量。
[0050] 3)通过上述过程，获得不同压差和不同开度组合条件下的有效样本数据。
[0051] 步骤四、基于实验数据对神经网络训练，确立流量与两个变量Δp、O的具体表达式。
[0052] 构建一个3层神经网络，其输入为Δp和O两个变量，输出为流量Q，隐层神经元数目根据经验尝试确定，一般神经元数量最少应为输入量个数(I)的2I+1倍，即本发明最少为5。隐层神经元激励函数通常选用f(x)＝1/(1+e-x)、f(x)＝tan(1/(1+e-x))或f(x)＝log(1/(1+e-x))，输出层根据输出量范围选择S型函数或线性函数，网络训练选用Levenberg-Marquardt(LM)
算法，定义其性能函数为：
[0053]
[0054] 式中P和K分别为样本个数和输出量个数，dsk为第s个样本输入时第k个量的期T望输出，zsk为相应的实际输出。W＝[w1,w2…,wN] 为网络权值、阈值所组成的向量，N为所有权值和阈值的总个数。(5)式可简写成：
[0055]
[0056] 其中E＝[e11,…e1k…e1k,es1,…esk…esK,ep1,…epk…epK]T，s＝1,2,…,P，k＝1,2,…,K为累积误差向量，向量元素esk＝zsk-dsk。由(6)式，Jacobian矩阵定义为：
[0057]
[0058] 假设wN为第N次
迭代的权值与阈值组成的向量，则新的权值与阈值为：
[0059] WN+1＝WN-[JNT(W)JN(W)+μNI]-1JN(W)EN (7)
[0060] 其中，I为单位矩阵，μ为大于0的数。由式(4)和(5)得
[0061]
[0062] 利用(7)式得到的权值与阈值计算出相应的流量，并将计算结果与实测值进行对比，若计算值和实测值之间差值满足要求，则(8)式可用于反映流量Q与Δp、O之间的关系。通过测量Δp和O即可计算出相应的流量，反之，通过改变Δp和O也可对流量Q进行控制。若计算值和实测值之间差值不满足要求，则可通过增加隐层神经元数目、网络层数、选用其他激励函数或网络训练算法进行改进，直到满足要求为止。
[0063] 图2为本发明流量图，将该装置用于自动混药装置中对农药小流量测控试验，试验结果证明：本发明为现阶段液体的小流量高精度测控，提供了一条低成本的确实可靠的途径。
[0064] 最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行
修改和等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的
权利要求范围内。
