前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的樹木涂白車結構控制系統設計研究，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
摘要：針對樹木人工涂白效率低、涂白不均勻以及涂白劑對人體傷害大等問題，設計自動涂白車機械結構及控制系統。機械結構由車體、機械臂以及圓筒噴涂結構組成；控制系統以STM32單片機為核心，流量傳感器監測噴涂流量，液位傳感器檢測桶內噴涂劑液面位置，超聲波傳感器檢測車體與樹木間距，并采用PID控制算法精確控制噴涂量。通過MATLAB軟件建立噴涂量PID控制模型，結果表明，響應時間為0.4s，超調量小于3%，能夠高效且穩定控制噴涂流量。涂白車結構及控制系統設計可以為城市綠化設備提供技術保障。
關鍵詞：樹木涂白；結構設計；MATLAB仿真；PID控制
城市樹木可以凈化空氣與土壤，改善城市環境。為提高樹木存活率，防止病菌侵入和蟲害，采用樹干涂白方式保障樹木健康生長[1]。目前，樹木涂白通常采用人工操作，人工涂白方式效率低和涂白質量參差不齊的問題突出，且涂白劑對人體存在一定危害。市場上已有多種類型涂白機，但自動化程度和工作效率低，且不能滿足不同粗細樹木需求[2-5]。PID控制方法廣泛應用于流量控制、藥劑噴灑等方面，可以有效提升控制精度[6-7]。根據城市樹木標準化種植等間距、同高度以及同種類等特點，本文設計一種樹木自動涂白車，包括機械結構、硬件控制系統以及PID控制算法，從而提高涂白質量和效率。
1方案與結構設計
如圖1所示，機械結構由車體、涂白劑桶、供液攪拌器、機械臂、液壓缸、圓筒噴涂結構組成。車體作為整體裝置的承載底盤，長2.0m，寬1.4m，伸展高度1.5m。控制系統由單片機主控、外圍電路以及智能控制算法。通過測距傳感器檢測車體與樹木之間距離，當涂白車到達樹木位置，涂白車停止前進。伺服電機控制機械臂后端抬起，液壓桿1～3控制機械臂伸縮和升降，圓筒噴涂結構開合環繞樹木，涂白劑通過輸液軟管流至圓筒噴涂結構，樹木涂白作業開啟，噴涂時間根據需求設定。供液攪拌器用于攪拌涂白劑，防止涂白劑凝固。圓筒噴涂結構內部包括噴嘴和回收槽，其中，噴嘴為三層環形固定形式，可以有效增大噴涂面積，實現單位時間內多次噴涂效果，解決噴涂不均勻和噴涂厚度不夠的問題。圓筒噴涂結構底部設置環狀廢液回收槽，回收槽與涂白劑桶連接，在噴涂過程中有效回收溢流的液體。
2控制系統設計
2.1系統設計
圖2為控制系統組成，該系統以STM32單片機作為控制系統核心，系統初始化后，超聲波測距傳感器檢測車體與樹木間距，根據檢測信號判斷是否到達噴液位置。到達噴液位置后，車體驅動電動機停止轉動，啟動噴涂裝置對樹木進行涂白作業。液位傳感器實時檢測噴涂劑桶內液面位置，當液位低于單次噴涂液面時，液位傳感器發送高電平信號，單片機接收到高電平信號控制噴涂裝置停止工作，蜂鳴器報警。流量傳感器用于檢測噴涂流量；繼電器模塊用于控制車體驅動電機和噴涂液壓泵。
2.2噴涂流量PID控制
噴涂量采用閉環控制，可以有效控制噴涂流量[8]?？刂颇Ｐ腿鐖D3所示，I(s)為單次設定噴涂量；H(s)為實際噴涂量；e為設定值與實際值的偏差；U(s)為根據變量轉換函數得出的控制電壓值?？刂葡到y中選取電子式電動球閥，調節控制電壓，從而調節球閥開度而控制噴涂流量。流量傳感器將輸出端流量信號發送至單片機，單位時間內可計算得出實際噴涂量，與設定值進行作差，計算得出控制電壓值，從而精確控制電動球閥開度[9]。控制電壓值U(s)和實際噴涂流量H(s)之間呈比例關系，同時考慮流量控制系統存在一定延遲，所以控制模型存在為比例和延遲關系，系統簡化后傳遞函數公式：(1)其中，k為流量與控制電壓的比例系數；T為時間延遲。流量傳感器實時監測流量信號，信號傳輸至主控系統進行處理，執行PID控制過程，并將控制量反饋給電動球閥，實現對噴涂流量的精準控制[10]。實現PID控制原理為由圖6可知，在設定條件下，噴涂流量PID控制系統對流量信號響應時間為0.4s，超調量小于3%，能夠高效穩定控制噴涂流量。
3結束語
本文設計樹木自動涂白車結構及控制系統，采用多點布置噴嘴的方式實現均勻噴涂功能，并設置回收槽回收溢流液體，避免浪費?？刂葡到y以STM32單片機為核心，采用超聲波測距、液位計流量傳感器檢測信號，從而實現自動化控制。利用MATLAB軟件中的Simulink仿真系統搭建控制模型，模擬、驗證噴涂流量PID控制算法，響應時間為0.4s，超調量小于3%，通過控制電動球閥開度，可實現噴涂流量精準控制功能。涂白車結構設計合理，配置自動化控制系統，可以實現高效涂白作業。
參考文獻：
[1]任曉智，李奇洋，黃龍生，等.擺動式樹木涂白裝置的仿真設計與制造[J].農機化研究，2023,45(05):83-87.
[2]胡鑫，林森，欒厚澤，等.樹木涂白機發展探討[J].農業科技與裝備，2020,299(05):57-59.
[3]陳浩.樹木涂白機的設計及研制[D].贛州：江西理工大學，2015.
[4]李海超，袁偉，劉曉飛，等.一種樹木涂白機械的設計與分析[J].機械工程師，2015(02):188-190.
[5]蔣小輝，胡川，張官祥，等.自適應式智能樹干涂刷裝置系統的研制與開發[J].電氣技術，2019,20(09):65-68.
[6]丁兆驛，趙斌，張曉剛，等.流量反饋型電液比例閥的模糊PID控制特性[J].機床與液壓，2022,50(22):119-124.
[7]單永超，張立新，胡雪，等.棉花膜下滴灌施肥閉環控制系統設計與試驗[J].農機化研究，2023,45(04):119-123.
[8]竇漢杰，翟長遠，王秀，等.基于LiDAR的果園對靶變量噴藥控制系統設計與試驗[J].農業工程學報，2022,38(03):11-21.
[9]王定康.基于RBF神經網絡PID的農用無人機變量噴施系統研究[D].沈陽：沈陽農業大學，2022.
[10]張斌，高澤明，閆宗良.基于改進粒子群算法的慣性遲延系統模型辨識及PID參數尋優軟件設計與應用[J].機電信息，2022(22):61-63.
作者：李帥 吳志東 劉美奇 劉晨明 徐凱祥 馮瑞琴 單位：齊齊哈爾大學機電工程學院 黑龍江省智能制造裝備產業化協同創新中心 齊齊哈爾市開農科技有限公司