摘要：提升智能喷雾机性能对提高农药利用率、保障防治效果及推进绿色植保至关重要。机电一体化技术通过精确控制执行机构与作业过程闭环控制，为药液均匀沉积提供了核心技术支撑。在阐述喷雾均匀性控制意义的基础上，分析了现有技术不足与机电一体化优势，探讨了智能喷雾控制系统的集成方法、运行机制及性能验证方法，通过集成创新强化作业质量控制，推动了精准施药技术的发展。

　　关键词：机电一体化；智能喷雾机；均匀性控制；系统集成；闭环反馈

　　在全球农业向资源节约、环境友好的方向转变的背景下，精准施药设备正朝向智能化和高精度的方向发展。机电一体化智能喷雾均匀性控制系统能实时采集喷头流量、压力、行进速度以及气象信息，对执行机构进行精确的协同控制，根据复杂农田环境动态调节喷雾参数，可实现均匀施药的目的。智能控制使施药作业由开环经验模式转变为数据驱动、闭环反馈的模式，可解决施药不均、药效波动、环境污染等问题。但是，面对速度波动和风场干扰等多变量耦合工况，现有的喷药系统还存在响应滞后、控制精度不够等缺点[1]。本文的研究目的在于利用多级闭环控制以及自适应算法，改善动态环境下的试验作业均匀性。

　　1.机电一体化技术在智能喷雾均匀性控制中的应用

　　机电一体化技术是机械、微电子、控制和信息技术的综合体，以信息感知、决策分析、执行驱动的方式构成智能化工程系统。智能喷雾均匀性控制中该系统形成分层控制架构，传感器网络实时采集压力、流量、速度、风速等参数，嵌入式控制器根据PID、模糊等算法处理数据并产生指令，机电执行机构如变频电机驱动的隔膜泵、比例阀等对喷头压力和流量进行快速精确调节，构成“感知-决策-执行”闭环控制回路。其高效运行需要各层之间可靠的通信以及算法对非线性扰动的鲁棒性[2]。

　　2.基于机电一体化的智能喷雾均匀性控制系统设计与运行

　　2.1控制系统设计的功能需求

　　系统需在动态作业中保证喷雾均匀性。以大型喷杆喷雾机为例，其功能包括：实时感知机车速度、各喷段压力流量，并随速度变化同步调节总流量与分区流量，维持单位面积施药量恒定；依据侧向风速自动启闭下风向喷头或调节流量以减少飘移。系统需具备高可靠性、快速响应、友好的人机界面，并支持参数记忆、数据追溯及自学习优化，以适应不同作业条件。

　　为了定量评价和调控均匀性，需要建立主要的性能指标。喷雾均匀性变异系数（CV）是评价沉积分布均匀性的重要指标，计算公式如下：

　　Cv=(o/u)x100%(1)

　　式中，采样点沉积量的样本标准差为σ；所有采样点沉积量的算术平均值为μ。控制系统的目标就是通过实时控制，使该变异系数最小[3]。为了使单位面积施药量(q，单位L/ha)恒定，就要建立压力P、流量Q、V速度的动态匹配模型。常用扇形喷头的流量和压力的关系可以近似表示为：

　　Q=k、p(2)

　　式中：k为流量系数。则单位面积施药量的理论计算模型为：

　　q=(QX600)l(vx w)(3)

　　式中：有效喷幅为m。控制系统的主要任务就是实时调节p，使q值保持在设定目标值附近。动态变量作业时，q设定值不再是常数，而是随着处方图变化而变化，使系统响应速度和控制精度要求更高。

　　2.2系统架构设计

　　在确定了功能需求之后，对系统总体架构进行设计[3]。一方面要按照实时性、精准性、鲁棒性的原则，设计如图1所示的智能喷雾机均匀性控制系统整体架构。从上到下可分为人机交互层、智能控制层、驱动执行层和感知反馈层。另一方面，根据控制需求可以将系统硬件和软件模块进行细分，主要分为多源信息采集模块（速度、压力、流量、环境传感器）、中央处理与决策模块（嵌入式控制器/工控机）、多通道驱动输出模块（变频器、比例阀驱动器）和执行机构模块（药泵、调节阀、喷头组）。从系统集成的角度来说，用户通过人机交互界面设置作业参数后，系统就能自动协同各个模块工作，实现对喷雾均匀性的闭环控制。为了提高系统可靠性和扩展性，在架构设计时应该遵循模块化、标准化原则，按照ISO11783（ISOBUS）等农业机械通用总线标准设计系统结构，使得不同厂商的传感器和执行器可以即插即用、方便未来功能升级[4]。

　　2.3多物理场同步感知与参数匹配

　　系统运行是依靠多物理场信息同步感知。速度感知使用高精度的GNSS/INS组合导航模块，可以得到厘米级的位置、速度和姿态信息，用来补偿坡地作业时喷杆的倾斜。压力感知使用高频响应压力变送器，对主管路以及各个分区的压力进行实时监测。流量感知可以采用电磁流量计或者基于压力-流量模型的软测量方法。传感器数据经由现场总线实时汇总到中央控制器，中央控制器根据速度、压力、流量耦合模型计算出保持目标施药量所需的基准压力设定值。为了达到精准同步的目的，需要使用高精度的时间戳来对齐多源异构数据，采用卡尔曼滤波等算法剔除异常值，从而提高感知信息的整体可靠性[5]。

　　2.4闭环反馈与自适应调控

　　机电一体化控制系统最根本的优势就是闭环反馈、自适应调节。系统可以实现基于前馈的速度-流量补偿，也可以通过反馈回路对实际喷雾效果进行修正，实时计算当前作业段的实际施药量，与目标值比较后，把偏差输入PID控制器，动态调节压力设定值或者泵转速。对于带有分区控制的喷雾机，系统根据各个分区的流量传感器反馈来实施独立闭环控制，补偿由于管路长度或者喷头磨损造成的流量差异，保证喷幅内横向均匀性。系统还可以集成气象数据，在风速超过设定值时自动触发防飘移策略（降压或者关闭下风向喷头）。使用模型预测控制（MPC）等先进的算法，可以依靠预计轨迹以及风场的信息来实施前馈补偿，从而改善系统对动态扰动的均匀性控制性能。控制效果可通过离线仿真或台架试验验证，通过对比恒定压力控制与闭环系统在速度阶跃、正弦变化等工况下的施药量稳定性与均匀性变异系数，量化评价控制策略的性能提升。

　　2.5执行机构精准驱动与状态诊断

　　系统调控指令最后是由高性能机电执行机构来完成的。采用伺服电机或变频电机驱动三缸柱塞泵或者隔膜泵，可以实现泵转速的无级调节来控制管路压力。喷头开关或流量调节则通过高速脉冲控制电磁阀或模拟量控制比例阀实现。系统可以对执行机构的状态进行监控并可以实现故障诊断。对电机电流、阀芯反馈位置、压力异常波动等数据进行分析，可以判断执行机构是否卡滞、磨损或者失效。基于多传感器信息融合的故障诊断策略如表所示：

　　2.6动态处方图与多机协同作业

　　在更高阶的应用中，该系统可以和农田病虫害的空间分布信息相结合，实现变量喷雾。系统接收到云端或者本地的处方图，该地图上标有各个田块区域需要施药量。控制系统根据机具实时位置（GNSS提供）查询表格，对目标施药量设定值进行动态调整，实现按需施药。处方图的产生依靠遥感监测、地面传感器网络以及农艺知识三者的融合，是智慧农业中信息流与作业流闭环的体现。进一步地，在多台智能喷雾机协同作业的时候，可以采取多智能体系统协同控制的方法，使任务分配、路径规划、作业边界三者之间无缝对接，防止重喷漏喷，从农场层面提升喷雾均匀性、作业效率。协同框架要解决通信延迟、冲突消解、全局优化等问题，是智能喷雾系统由单体智能走向群体智能的关键。

　　3.结语

　　基于机电一体化的智能喷雾机均匀性控制系统将精密传感、实时决策、精准执行融合在一起，构建起可以应对复杂田间扰动的自适应调节系统，实现了作业质量从“监测”到“主动控制”的跨越。该系统集成了同步感知、闭环控制、状态诊断、变量作业等功能，为解决传统喷雾机在变工况下均匀性差、依赖人工调试等问题提供了一种集成化的方案，也为精准、高效、绿色植保提供了一条可行的技术路径。未来可以研究强化学习在非线性控制中的在线优化应用，利用数字孪生进行虚拟调试和预测性维护等，从而达到喷雾机全生命周期的智能化管理以及最佳作业效果的目的。

参考文献：

　　[1]张春凤,张萌,邹伟,等.错相位驱动PWM变量喷雾系统设计与试验[J].农业工程学报,2025,41(16):25-34.

　　[2]谭玉磊,张景,陈金成,等.苹果树冠层仿形对靶施药控制系统设计与试验[J].农业机械学报,2025,56(9):557-565.

　　[3]姜红花,胡芳超,白鹏,等，杨祥海。基于TSSA-PID的果园喷雾机风幕风速调控系统研究[J].农业机械学报，2024,55(S2):177-186.

　　[4]张佳琛,邓巍,宋晓庆,等.恒压变流果园风送式喷雾机雾滴沉积试验[J].农机化研究,2025,47(8):196-201.

　　[5]李文伟,江世界,徐平凡,等.丘陵果园自走式小型靶标跟随喷雾机设计与试验[J].农业机械学报,2023,54(9):188-197.