喷杆喷雾机变量喷施中的自动控制技术的应用*

刘新军 ，田多林 ，张绍军 ，王杰华

（新疆农业职业技术学院，新疆 昌吉州 831100）

作物生育期控制是变量系统喷施技术应用最多的一个控制技术环节。在对作物进行喷施作业时需要人工完成打药、施肥等作业动作。人工在打药、施肥等作业过程中也要使用精量喷雾器等机器完成作业，同时还要考虑作物对药物或者肥料有不同的吸收速度，通过数据进行调整。因此，为提高工作效率，课题组对喷杆机控制系统中的喷杆设计了自动设置和自动检测技术，以提高该系统工作的稳定性，保证喷杆自动连接到作物上，自动控制喷雾液滴大小以保证喷洒效果和作物质量。农业生产中有很多传统种植业是靠人工进行种植作业，但随着农业机械化进程的加快以及农业现代化程度的不断提高，农业生产中越来越多的农民开始通过科学配比来种植作物并掌握耕种技巧，从而提高农作物产量和质量。

1 不同变量技术在变量施药设备中的应用

1.1 改变气流速度

对于果树而言，在其生长过程中，改变气流速度会导致不同植物的叶片间距不同，进而导致其光合作用能力也会不同。同时，也会对叶片生长带来一定影响，例如叶片的光合作用能力越强，药效越好。对于农作物而言，通过改变气流速度能够对农作物产生影响。在这种情况下，同样可以通过改变气流速度来实现作物药效大小的控制。如在西红柿的生长过程中，可以通过改变气流速度实现对西红柿的生长产生影响。通过改变气流速度不仅能够有效地控制农作物的药效，同时也为农作物的抗病抗旱等提供了良好环境[1]。

1.2 控制雾量大小

目前，无论是采用单因素技术还是多因素算法技术，都对果树药效产生着较大影响。具体来看，果树药效主要受到水分蒸发等因素的影响。当水分蒸发量增大时，药效增强，所以雾量也随之增加。通过水力作用对果树药效的影响可以分为两类：一类是植物自身内部水分蒸发对药物的影响，比如果树体内水分蒸发速率随着其温度变化[2]；另外一类则是由于水分蒸发导致药物吸收障碍从而影响作物药效。那么采用单因素技术进行定量调整就可以通过水分蒸发量大小来实现对果树药效的控制。比如，适当增加喷头喷射角度能使水分蒸发更快，降低水密度能使药效更好，结合其他变量技术，控制喷头与气流夹角，加大喷雾距离等技术可以使果树药效显著提高。但是这种方式还需要在科学论证前提下合理使用水资源[3]。

2 喷杆控制技术在变量施药设备中的优势

2.1 智能化控制

智能化控制系统可以实现自动控制。首先，它是对人工作业时控制效果进行监控的一种重要手段，其利用自动控制方法对各种作业参数进行采集和处理后进行智能化控制，从而实现对作业过程中各种参数的精准控制，所以自动控制系统在变量施药设备中应用较多。其次，对自动控制器进行智能化改造的关键是根据喷洒的农药种类及喷洒压力的大小对各种参数进行相应的设定。例如，将喷杆控制系统中最重要的一个参数设定为微电机额定功率及喷杆与药液量的关系系数，这样就能有效地克服由于微电机本身参数变化引起的喷杆与药液量关系波动的问题[4]。此外，这种智能化改造还可以根据实际情况对控制参数作出相应控制。

2.2 准确检测农药性能

农药在农作物生产中的作用是巨大的，其也是农民脱贫致富和国家粮食安全的重要基础，且种类多、使用范围广。因此，保证喷用药的质量，降低农药使用不当造成的危害，提高我国农药利用率，是变量施药设备长期稳定运行的重要前提。农药管理部门在对其进行监督管理时，主要是对农药使用现状进行检测、分析工作。一般情况下，在规定时间内很难出具农药防治效果的检测报告，所以要建立一个农药检测数据库将农药信息录入数据库中。通过对农药质量参数值的分析，利用数学模型对其进行处理，实现农药性能检测的目的[5]。对于各种农药性能是否能够满足农民在进行喷洒作业时对于农药安全性、有效性和持效性的要求，均有相关数据可以支持农业生产的检测和控制要求。自动控制系统对各种参数进行自动实时控制以实现施药设备准确测量和控制的功能。其基本功能主要包括：1）农药状态观测；2）农药成分测量；3）农药性能测定；4）杀虫剂的释放效率监测；5）杀虫灯及诱虫板上农药种类监控；6）农药残留量检测；7）毒性指标检测；8）除草剂药效测试。这些检测都需要通过试验确定其作用机理，实现对施药设备的性能管理。

3 变量施药设备的应用

3.1 变量施药设备的选择

变量施药设备是将药液加入喷雾装置内，利用机械作用使药物产生变化，从而达到防治病虫害的目的。一般是将喷杆及喷雾装置分成两大类，即喷射式变量施药设备和自控变量施药设备。在喷雾式变量喷雾机工作时，喷杆与药液不断地进行喷洒，喷杆的旋转与药液进入喷雾装置内产生作用并将液滴喷出，形成连续雾滴。在自控变量喷杆喷雾机工作时，则需通过调节喷杆与药液接触部位的接触强度，或通过调节喷杆与喷淋装置中农药量控制装置之间的速度来调整喷杆旋转与药液接触部位的接触位置，进而实现喷雾效果。所以变量施药设备多为离心式和喷射式变量施药设备[6]，这两种设备不仅功能不同，结构上也有很大的差别。因而变量施药设备除具有上述两种类型外，还可以根据实际需要采用其他类型的变量施药设备，如自控变量施药设备、自动驾驶变量喷雾机（变幅）等多种类型。

3.2 实现数据采集与控制管理功能，达到变量施药的目的

变量施药的控制技术在我国植保领域中应用较为广泛。例如，农药喷淋、滴灌，也包括喷雾、喷施技术。尤其是在农业领域应用中，变量施药技术具有十分重要的意义，它不仅能提高喷打效果，而且可以减轻劳动强度，降低生产成本。我国采用的变量施药方式主要有雾化方法、加湿方法、气雾方式。采用气雾或加湿法进行施药有利于水资源的有效利用（即在喷完农药后把水带到田间），从而避免施药量与喷雾器喷洒量之间相差较大，农药挥发与蒸发又极易造成环境污染（即残留药液不能完全除去）。采用加湿法进行施药可以减少施药时间和喷药量，使单位劳动质量更加明显，对环境的保护更加有利。因此，现在一般采取喷雾施肥法和喷雾淋浴法进行农作物植保[7]。

3.3 自动控制技术使农药防治达到高效、低毒、低残留的要求

自动控制技术可以有效地保护农药使用者的权益，并且能使农药的使用量最小化。目前的变量施药控制技术有手动式、自动式和电脑全自动式三种类型。1）手动式：可以用手动机械喷杆喷雾机来完成喷雾工作；2）自动式：可以用自动机械喷杆喷雾机来完成喷雾工作；3）电脑全自动式：由遥控自动喷头来完成喷雾工作，喷出雾滴并能自动回收，电脑可根据需要调整参数自动控制程序喷出农药粒子和水分后再回收。其特点是操作简单、精度高、维护方便、可多次重复使用。电脑控制程序可以自动地将参数调整到合理值，实现自动停止喷药工作和喷雾器自动排空工作，功能强大，操作简便，应用广泛。

3.4 准确控制农药施药量

以美国为例，采用变量施药设备进行喷洒时，必须设定好计量的标准，一般会设定两个标准：一是农药实际用量，二是药剂用量。美国规定施667 m2田地（即1亩地）要用2 kg农药，但实际用量为3 kg。这就是美国在农药科学试验中的结果，根据这一试验结果来计算药量是不合理的[8]。所以，美国制定农药施药量标准时采取的是在全国范围内统一使用的办法。变量施药设备也可以通过计算机进行设定，并通过数据线与计算机连接，随时查看药量是否超标或不足，以实现对施药量的控制。

3.5 喷施植物对养分的要求

喷施施肥水平与作物种类、生长阶段、作物种类对养分的需求、喷施养分浓度以及作物对养分分布时间的反应等都有着密切的关系。作物对养分浓度的反应，是作物营养水平对养分供应状况要求的直接反映，其反应曲线表现为“先大后小”。当肥料浓度较高时，植物对营养元素的吸收能力增强，吸收的养分含量增多[9]。

3.6 用喷施设备进行不同时期植物长势调节

当植物长势发生异常时，通常会采用人工的方式进行实时的长势调整，如在棉花处于幼苗期时可喷催芽剂；在水稻处于孕穗至抽穗前期时可喷脱叶剂；在小麦处在幼苗期时可喷尿素等生长调节剂。当植物生长出现异常时，喷施人员还会采用各种喷施设备来进行不同时期植物长势调节。在棉花脱叶后至开花前这段时间内进行叶面喷施尿素，可有效降低棉花叶片叶绿素蒸发量，提高作物叶片光合作用强度；在水稻处于花芽分化期后（分蘖期至穗期）喷施氮肥，也可增加作物根系活力，促进水稻植株快速生长；在玉米孕穗至开花前这段时间内喷施尿素，能促进玉米植株快速生长。除了植物本身长势控制和植物之间长势控制以外，为了确保喷施后植物能够正常发育生长，并实现作物对土壤肥料养分吸收良好而喷施尿素促进肥料养分吸收，可以对植物进行合理追肥而增加作物养分吸收能力，如果植物生长出现异常情况不能及时用喷施设备进行有效抑制而导致作物出现不良生长情况时，通常会采用多量、多时段喷施设备来对植物进行生长抑制[10]。

4 结束语

综上所述，在农业生产过程中，植保技术的合理应用十分重要，尤其在资源与环境问题成为社会关注热点的新时代，变量喷雾技术作为精准农业发展的关键技术，在农业生产中的应用前景十分广阔。但从我国农业生产的实际情况来看，先进的喷雾机械占比仍不高，生产过程中的中小型喷杆喷雾机仍存在质量低下、农药跑冒滴漏、故障频发、喷雾质量不合格等问题。因此，要真正提高变量喷雾技术的应用和普及程度，还应进一步提升基层喷杆喷雾机的整体应用水平，鼓励农民及时更新换代农业机械，保证先进的变量喷雾技术更快普及到农业生产中。