基于多目标优化的侧深施肥装置气力清附参数决策方法

本发明涉及农业机械，具体为基于多目标优化的侧深施肥装置气力清附参数决策方法。

背景技术：

1、水稻侧深施肥装置在水田作业时，受土壤高含水率影响，泥浆易附着在装置壁面上。泥浆积聚会引起施肥通道堵塞，增大作业阻力并影响排肥。利用气力系统产生的气流吹除附着泥浆是现有的常见处理方式。

2、现有技术在设定气流清附参数时多依靠人工调试。由于水田泥浆颗粒间存在液桥力与粘滞力，常规土壤离散元仿真通常未计算泥浆界面的液桥效应，导致气流与泥浆作用时的受力模拟产生偏差，仿真结果无法准确对应泥浆的脱附状态。同时，气力清附效率与气动功耗相互制约，现有的参数设定方式未结合气流速度、入射角度及喷嘴位置等变量进行多目标计算，缺乏统筹清附效率与功耗的决策机制，导致施肥装置难以确定最优的气流控制参数。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了基于多目标优化的侧深施肥装置气力清附参数决策方法，解决了现有侧深施肥装置在饱和性稻田作业时易产生泥浆附着，且气力清附系统的控制参数难以精准决策的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明提供基于多目标优化的侧深施肥装置气力清附参数决策方法，包括以下步骤：

4、制备带有连续水膜的由泥浆颗粒组成的饱和土壤样本，控制测试探头与饱和土壤样本接触并分离，提取最大法向拉力与最大切向滑动力，计算饱和土壤样本的法向与切向粘附比压；

5、计算泥浆颗粒接触界面的总液桥力，在离散元软件中构建带有表面能参数的黏合接触模型，通过虚拟标定试验校对黏合接触模型的表面能参数，构建饱和性稻田土壤离散元模型；

6、建立包含重力、气流曳力、颗粒间黏合接触力及总液桥力的泥浆颗粒临界脱附受力平衡方程，结合气固双向耦合控制方程模拟泥浆颗粒在侧深施肥装置壁面上的清附过程，提取气力清附效率与系统气动功耗；

7、将侧深施肥装置的喷嘴入口气流速度、气流入射角度及喷嘴离地法向距离作为调控变量，根据调控变量与对应的气力清附效率及系统气动功耗，训练反向传播神经网络建立非线性预测模型，构建多目标综合评价函数，基于非线性预测模型采用粒子群优化算法求解多目标综合评价函数的极值，输出最佳调控变量组合作为侧深施肥装置的气流清附控制参数，控制侧深施肥装置执行气力清附操作。

8、在上述方法中，土壤接触力学参数的标定过程通过计算液桥力实现。获取固液接触角、动态半间隙厚度以及液相表面张力后，基于圆环状近似假设求得泥浆颗粒接触界面的静态毛细力，结合相对分离速度与雷诺方程求得动态粘滞力，将静态毛细力与动态粘滞力进行线性叠加得出总液桥力。结合泥浆颗粒的等效接触半径确定黏合接触模型的初始表面能参数。通过对比实际装填饱和土壤样本的圆柱形量筒与虚拟量筒在重力作用下坍落扩展静止后的底部扩散直径与中心高度，持续迭代调整表面能参数，直至仿真数据与实际数据的相对误差同时小于设定的标定误差阈值，实现离散元材质库参数的标定。

9、在判定泥浆脱附状态时，提取泥浆颗粒平动控制方程在壁面法向方向的受力分量。当气流曳力沿壁面法向向外的分量与重力沿壁面法向向外的分量之和，大于或等于颗粒间黏合接触力沿壁面法向向内的分量与总液桥力沿壁面法向向内的分量之和时，判定泥浆颗粒满足临界脱附条件并转为动态脱落状态。在执行气固双向耦合控制方程时，流体动力学软件在每个计算时间步内遍历流体计算网格内的泥浆颗粒总体积，计算局部孔隙率并对气流的质量守恒方程执行体积折减修正；同时将网格内泥浆颗粒的反作用力进行体积平均处理以构建两相动量交换源项，将其代入带有局部孔隙率的纳维-斯托克斯方程中完成动量守恒方程的更新，实现流场与颗粒运动状态的双向数据同步。

10、在决策优化阶段，采用拉丁超立方抽样在调控变量取值范围内生成样本点，构建多层前馈的反向传播神经网络。以喷嘴入口气流速度、气流入射角度及喷嘴离地法向距离为输入，以气力清附效率和系统气动功耗为输出，通过梯度下降法逐层更新网络参数建立非线性预测模型。应用极差变换法对预测输出进行无量纲归一化处理，并结合设定的目标权重系数构建多目标综合评价函数。利用粒子群优化算法，将参数组合定义为粒子，以多目标综合评价函数作为适应度评估标准，通过个体认知与社会经验因子的实时位置更新，寻找群体全局最优位置作为理论最优解。经工程化取整处理后的数值下发至侧深施肥装置的机载可编程逻辑控制器，直接调整空压机输出频率与喷嘴位姿调节电机的行程。

11、本发明提供了基于多目标优化的侧深施肥装置气力清附参数决策方法。具备以下有益效果：

12、1、本发明通过提取带有连续水膜的饱和土壤样本的最大法向拉力与最大切向滑动力，叠加静态毛细力与动态粘滞力计算总液桥力，并结合虚拟坍落度试验校对离散元模型中的表面能参数。该方式将泥浆界面的液桥效应引入离散元仿真中进行参数校对，解决了常规离散元参数在模拟水田饱和泥浆时误差大的问题，提高了稻田土壤离散元模型的计算准确度。

13、2、本发明建立了包含重力、气流曳力、黏合接触力及总液桥力的临界脱附受力平衡方程，并在每个计算时间步内引入局部孔隙率与两相动量交换源项执行气固双向耦合计算。此计算过程确立了泥浆脱附的受力边界条件，模拟了气流与泥浆颗粒间的动量传递与流场变化，为提取气力清附效率与系统气动功耗数据提供了计算基础。

14、3、本发明利用反向传播神经网络建立调控变量与系统性能之间的非线性预测模型，并结合多目标综合评价函数采用粒子群优化算法进行极值求解。该方式通过寻优算法替代人工经验调试，兼顾了清附效率的提升与气动功耗的降低；且输出的最优解经工程化取整后直接作为控制指令下发至可编程逻辑控制器，提高了侧深施肥装置气流控制参数决策的效率与精度。

1.基于多目标优化的侧深施肥装置气力清附参数决策方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于多目标优化的侧深施肥装置气力清附参数决策方法，其特征在于，制备由泥浆颗粒组成且带有连续水膜的饱和土壤样本，控制所述测试探头与所述饱和土壤样本接触并分离，提取最大法向拉力与最大切向滑动力，计算法向粘附比压与切向粘附比压的过程具体包括：

3.根据权利要求1所述的基于多目标优化的侧深施肥装置气力清附参数决策方法，其特征在于，计算所述泥浆颗粒接触界面的总液桥力的过程具体包括：

4.根据权利要求1所述的基于多目标优化的侧深施肥装置气力清附参数决策方法，其特征在于，在所述离散元软件中配置所述黏合接触模型并通过所述虚拟标定试验校对所述表面能参数，构建所述饱和性稻田土壤离散元模型的过程具体包括：

5.根据权利要求1所述的基于多目标优化的侧深施肥装置气力清附参数决策方法，其特征在于，建立包含所述重力、所述总液桥力、所述气流曳力及所述颗粒间黏合接触力的泥浆颗粒临界脱附受力平衡方程的具体过程为：

6.根据权利要求1所述的基于多目标优化的侧深施肥装置气力清附参数决策方法，其特征在于，结合所述气固双向耦合控制方程模拟清附过程，提取所述气力清附效率与所述系统气动功耗的过程具体包括：

7.根据权利要求1所述的基于多目标优化的侧深施肥装置气力清附参数决策方法，其特征在于，训练所述反向传播神经网络建立所述非线性预测模型的过程具体包括：

8.根据权利要求1所述的基于多目标优化的侧深施肥装置气力清附参数决策方法，其特征在于，构建所述多目标综合评价函数的过程具体包括：

9.根据权利要求1所述的基于多目标优化的侧深施肥装置气力清附参数决策方法，其特征在于，采用所述粒子群优化算法求解极值的过程具体包括：

10.根据权利要求9所述的基于多目标优化的侧深施肥装置气力清附参数决策方法，其特征在于，输出最佳调控变量组合作为所述侧深施肥装置的气流清附控制参数的过程具体包括：