温室大棚溶解混施智能施肥机设计与实现.pdf

温室大棚溶解混施智能施肥机设计与实现 王铁广1 李文勤1 陈可飞1 邢 凯1 肖 洒1 方赛银1 李 明1 2 1 西南林业大学 机械与交通学院 昆明 650224 2 安徽工程大学 电气工程学院 安徽 芜湖 241000 摘 要 为了实现固体水溶性肥料高效溶解与精准施肥 设计了一种温室大棚溶解混施智能施肥机 主要由肥 料搅拌单元 供水单元 吸肥单元及控制单元组成 水肥配比采用模糊PID控制调节方式 首先 依据固体水溶 性肥料的自身特点搭建带有肥料搅拌装置的施肥设备硬件系统 然后 根据施肥设备混肥特性 建立肥料EC值 调控模型 设计PID控制器 最后 采用模糊控制方法自适应调节PID参数 提出模糊PID控制系统设计方法 试验结果表明 使用模糊PID控制策略能够显著提高系统性能 特别是在减少系统滞后时间和保持系统稳定性 方面 关键词 智能施肥机 固体水溶性肥料 温室率 模糊PID控制 中图分类号 S625 3 文献标识码 A 文章编号 1003 188X 2024 02 0091 06 0 引言 近年来 我国现代农业不断发展 针对水资源与 化肥资源同时短缺的情况 采取节水节肥方式是绿色 农业发展的必由之路 1 2 水溶性肥料是一种可以完 全溶于水的多元复合肥料 可用于以喷灌 微喷灌 滴 灌为主要施肥方式的灌溉施肥设备 分为固体和液体 两种类型 固体水溶性肥料与液体水溶性肥料相比 具有养分含量高 贮存和运输方便 包装要求低等优 点 同时存在杂质相对高 溶解效率相对较慢的缺 点 3 4 按照固体水溶肥料的施肥要求 进行肥料高 效溶解与水肥精确配比是大规模使用固体水溶性肥 料的关键 水肥一体化是施肥技术与灌溉技术融合发展的 一项新技术 是精准施肥与精确灌溉相结合的产物 在现代农业发展中占有重要地位 施肥设备是水肥 一体化系统的关键设备 决定着灌溉施肥质量 5 7 目前 固体肥料溶解施肥设备不断发展创新 刘林 等 8 开发了一种施用固体肥料的大田移动式精量配 肥灌溉施肥一体机 用于大田固体肥料的溶解与定量 施肥 夏华猛等 9 设计了一种溶解混施水肥一体化 装置自动控制系统 使用单片机控制固体肥料进入肥 收稿日期 2022 08 24 基金项目 国家自然科学基金项目 51365049 安徽工程大学科研 启动基金项目 2021YQQ037 作者简介 王铁广 1996 男 河北承德人 硕士研究生 E mail 2019522818 qq com 通讯作者 李 明 1977 男 江苏盐城人 教授 博士生导师 E mail swfu lm swfu edu cn 料溶解罐的速度实现肥液EC值控制 张志洋等 10 设计了一种溶解混施水肥一体化装置 研究改变投肥 方式对施肥装置肥液均匀性的影响 综上所述 针对 适用于温室大棚溶解混施的智能施肥设备研制相对 较少 为此 结合农户对温室大棚精准施用固体水溶性 肥料需求 设计了一种温室大棚溶解混施智能施肥 机 以解决固体水溶性肥料配合智能施肥机使用难问 题 工作时 施肥机使用肥料搅拌装置加速溶解肥 料 吸取无杂质肥液进入管道 并采用模糊PID控制 器控制电磁阀的占空比 动态调节肥料EC值 完成固 体水溶性肥料精准施用 最后 通过样机试验验证方 法的有效性 以解决小型农户精准施用固体水溶性肥 的问题 1 系统总体设计 温室大棚溶解混施智能施肥机系统由肥料搅拌 单元 供水单元 吸肥单元及控制单元4部分组成 如 图1所示 其中 肥料搅拌单元主要由搅拌容器 搅 拌电机 平浆式搅拌器及吸肥管道组成 为吸肥单元 提供完全溶解的无杂质水溶性肥液 供水单元主要 由蓄水池 抽吸泵组成 为吸肥元件与灌溉管路正常 运行提供动力 吸肥单元主要由文丘里管 电磁阀及 混肥管道组成 电磁阀用来控制吸肥管路的通断 文 丘里管将肥液吸入主管道经过混肥管道充分混合 控制单元主要由传感器 触摸屏 终端设备及PLC控 制器组成 其中 传感器测量管道压力 流量以及肥 液电导率 为肥液精准配比提供数据支持 触摸屏实 19 2024年2月 农 机 化 研 究 第2期 DOI 10 13427 ki njyi 2024 02 040 现设备现场调控 PLC控制器主要完成触摸屏指令接 收 传感器的数据采集与处理 对施肥机中的开关量 进行控制 实现智能施肥机的高效运转 1 水泵 2 水源过滤器 3 减压阀 4 进水口流量计 5 主管道电磁阀 6 灌溉管道 7 持压阀 8 出肥管道电磁阀 9 出肥管道压力传感器 10 控制单元 11 EC值传感器 12 混肥管道 13 文丘里管 14 吸肥管道电磁阀 15 吸肥管道流量计 16 吸肥管道过滤器 17 搅拌装置 18 进水管道压力传感器 19 进水管道电磁阀 图1 固体水溶性肥料灌溉施肥设备工作原理示意图 Fig 1 Schematic diagram of the working principle of the irrigation and fertilizing application equipment for solid water soluble products 2 肥料搅拌装置设计 针对固体水溶性肥料的使用过程 未经过充分溶 解的颗粒状肥料会影响肥料施用效果以及施肥设备 的安全运行 为了加速固体肥料充分溶解 同时防止 肥料中不容杂质吸入肥料管道堵塞施肥设备 设计了 肥料搅拌装置 如图2所示 1 搅拌减速电机 2 吸肥软管浮子 3 联轴器 4 搅拌轴 5 搅拌桨 6 吸肥软管 7 搅拌容器 图2 肥料搅拌装置示意图 Fig 2 Schematic diagram of the fertilizer mixing device 肥料搅拌装置分为两种工作状态 状态a是对固 体水溶性肥料进行搅拌时搅拌减速电机带动搅拌桨 对搅拌容器内的肥料进行搅拌溶解 此时吸肥软管进 肥端挂在桶口 避免干扰搅拌桨正常工作 状态b是 吸肥软管进行吸肥时搅拌减速电机停止工作 吸肥软 管浮子放入肥料桶内 使吸肥软管进肥口始终与肥液 底面保持固定距离 避免未溶解杂质进入混肥管道 保证施肥设备的正常运行 3 模糊PID控制系统设计 3 1 肥液EC模型分析 根据施肥设备的实际混肥特点 肥液混合模型可 近似为典型的一阶滞后模型 11 单通道施肥机在实 际运行过程中 施肥设备肥液浓度的调控由文丘里管 的吸肥量决定 此时文丘里管的吸肥量主要与吸肥电 磁阀的占空比有关 智能施肥机机主管道进水口安 装有水泵与减压阀 可以实现管道流量和压力基本恒 定 将主管道进水量Q0与文丘里管的吸肥量Q1 完成 混肥量Q2定义为常量 根据质量守恒定理 则 d VAC tnull nullnull null dt Q0C0 Q1C1M tnull null Q2C tnull null 1 式中 VA 施肥设备管路中肥液体积 L C t 混肥管道及施肥管路中肥液的浓度 mg L C0 进水管道自来水浓度 mg L C1 搅拌容器内肥料浓度 mg L Q0 进水口流量 L s Q1 吸肥管路吸肥量 L s Q2 出肥管道出肥流量 L s M t 电磁阀导通占空比 等式 1 左边是混肥管道及施肥管路肥液质量的 微分 假定为流出文丘里管经过混肥管道进入施肥管 路的肥料 右边是进水管道水的质量与文丘里管吸入 的肥液质量之和减去出肥管道肥液质量 由于肥液 EC值与肥液浓度成正比 12 则式 1 可变为 d VAE tnull nullnull null dt E0Q0 E1Q1M tnull null Q2E tnull null 2 式中 E t 混肥管道及施肥管路中肥液的EC值 mS cm E0 进水管道自来水EC值 mS cm E1 搅拌容器内肥料EC值 mS cm 为简化混肥模型复杂程度 将自来水的EC值按 约等于0处理 则式 2 进行拉普拉斯变换后得 29 2024年2月 农 机 化 研 究 第2期 E snull null E1Q1V As Q2 M snull null 3 根据施肥设备实际运行过程 入水管道压力 310kPa时 吸肥管路最大吸肥量Q1 0 2L s 出肥管 道出肥流量Q2 0 87 L s 搅拌容器内肥料EC值E1 6ms cm 混肥管道及施肥管路中肥液的EC值E t 2 9ms cm 施肥设备管路中肥液体积VA 18 6L 滞 后时间12s 将上述变量带入式 3 得到EC值近似 传递函数为 Hs EsM s 1 422s 1e 12s 4 3 2 控制系统结构设计 温室大棚溶解混施智能施肥机控制系统主要由 西门子S7 1200PLC 西门子模拟量拓展模块 SM1234型号 西门子触摸屏 KT600型号 EC传 感器 量程0 20ms cm 电磁阀 水泵 搅拌减速电 机 压力传感器及流量传感器等组成 结构如图3 所示 图3 固体水溶性肥料灌溉设备控制系统结构 Fig 3 Control system structure for solid water soluble fertilizing irrigation equipment PLC内置的高速计数器接入流量传感器NPN脉 冲输入信号 根据传感器自身的流量与脉冲特性关系 换算得到管道流量值 模拟量拓展模块输入类型分为 电流和电压 EC值传感器使用系统默认的0 20mA 电流信号输入 压力传感器选取0 10V电压信号输 入 将输入的信号分别对应传感器的量程进行换算得 到肥液的EC值和管道压力值 PLC以开关量输出的 方式控制水泵与搅拌减速电机工作状态 满足进水管 道流量稳定与肥料加速溶解的工作需求 通过PWM 输出控制吸肥管道电磁阀占空比 将肥料注入混肥管 道进行实时的EC值调控 PLC通过PN IE接口与触 摸屏进行信息交互 触摸屏完成对施肥设备各个传感 器参数的实时监控 同时在线更改肥液EC参数值设 定 根据当前设定值进行控制算法的参数调整 实现 肥料浓度的有效调控 3 3 PID控制器设计 在实际的工程应用中 PID控制系统是应用最为 广泛的闭环控制系统 13 其原理是 将被控对象的设 定值与测量原件测量出的过程值进行比较 将差值输 入PID控制器进行运算 执行元件根据控制器输出值 进行调节 比例 P PID控制器计算一个与误差成 比例的项 单纯使用比例调节会使系统产生稳态误 差 积分 I PID控制器计算一个与误差积分成比 例的项 使用积分控制消除纯比例调节产生的稳态误 差 微分 D PID控制器计算一个与误差导数成比 例的项 根据偏差的变化速度进行调节 用于具有大 滞后的控制系统 智能施肥机使用西门子S7 1200PLC作为主控 器 此款PLC集成有 PID Compact 指令块 指令块的 算法公式为 14 Y KP b w xnull null 1T I s w snull null nullnullnullnull TD s a TDs 1 c w xnull null null null nullnull 5 式中 Y PID输出值 Kp 比例增益 s 拉普拉斯运算符 b 比例作用权重 w 设定值 x 过程值 TI 积分作用时间 TD 微分作用时间 a 微分延迟系数 c 微分作用权重 3 4 模糊PID控制器设计 模糊PID控制器由模糊控制器与PID控制器两部 分组成 结构如图4所示 图4 模糊PID控制器结构框图 Fig 4 Block diagram of the fuzzy PID controller structure 系统将EC传感器的采样值与设定值的偏差e输 39 2024年2月 农 机 化 研 究 第2期 入PID控制器 同时将偏差e和偏差变化率ec输入模 糊控制器 经过模糊化和模糊推理以及解模糊后 得 到PID控制器的3个参数修正量 KP KI KD 这3 个参数分别用于在线修改式 4 中的KP TI TD 实现 电磁阀占空比控制调整肥液EC值 3 4 1 模糊控制器参数设计 EC值偏差Ee的计算过程为 Ee tnull null E tnull null E tnull null Ee tnull null E tnull null E tnull nullnull 6 其中 E t 为期望EC值 E t 为实际EC值 EC值偏差变化率Eec的计算过程为 Eec tnull null Ee tnull null Ee t 1null nullnull null Es 7 其中 Es为采样时间 因此 偏差Ee的基本论域为 6 6 偏差变化率 Eec的基本论域为 3 3 选取 KP KI KD基本 论域为 0 3 0 3 0 06 0 06 3 3 将输入 量和输出量模糊子集取为 NB 负大 NM 负中 NS 负小 ZE 零 PS 正小 PM 正中 PB 正 大 基本论域需要通过量化因子将基本论域离散 化转到模糊子集的模糊论域中 量化因子计算如式 8 9 所示 15 得到输入 输出量量化论域为 3 2 1 0 1 2 3 Ke 2Eee 1 e2 2 36 6 12 Kec 2Eecec 1 ec2 2 33 3 1 null null null null nullnull null nullnull 8 KP 0 33 0 1 KI 0 063 0 02 KD 33 1 null null null null null nullnull null null nullnull 9 式中 Ke 误差量化因子 Kec 误差偏差量化因子 e1 e2 偏差e的基本论域 ec1 ec2 偏差变化率ec的基本论域 3 4 1 隶属度函数设计 隶属度函数的形状对模糊控制器的性能影响很 大 采用计算量小 内存占用小的三角分布隶属度函 数 如图5所示 图5 隶属度函数 Fig 5 Affiliation function graphs 3 4 2 模糊控制规则建立 为使模糊PID控制器能够稳定 可靠地控制肥液 EC值 根据智能施肥机中EC值变化规律和使用人员 的经验 综合考虑智能施肥机系统的稳定性 动态过 程平稳性及响应速度等因素建立控制规则表 16 17 如表1所示 表1 参数KP KI KD糊控制规则 Table 1 Parameters KP KI KD paste control rules ec e NB NM NS ZE PS PM PB NB PB NB PS PB NB NS PM NM NB PM NM NB PS NS NB ZE ZE NM ZE ZE PS NM PB NB NS PB NB NS PM NM NB PM NS NM PS NS NM ZE ZE NS NS ZE ZE NS PM NB ZE PM NM NS PM NS NM PS NS NS ZE ZE NS NS PS NS NS PS ZE ZE PM NM ZE PM NM NS PS ZE NS ZE ZE NS NS PS NS NS PM NS NM PM ZE PS PS NM ZE PS NS ZE ZE NS ZE NS ZE ZE NS PS ZE NM PM ZE NM PB ZE PM NS ZE PB ZE ZE NS NS PS PS NS PS PS NM PM PS NM PM PS NB PB PB PB ZE ZE PB ZE ZE PM NM PS PS NM PM PM NM PM PS NB NB PB NB PB PB 49 2024年2月 农 机 化 研 究 第2期 3 4 3 去模糊化 在智能施肥机控制系统中 通过模糊推理得到 PID的3个控制参数是模糊量 并分别根据KP KI KD 的j j 1 2 49 条模糊规则进行三者的隶属度 KP j KI j KD j 计算 即 KP jnull null min r jnull null enull null r jnull null ecnull nullnull null 10 KI jnull null min r jnull null enull null r jnull null ecnull nullnull null 11 KD jnull null min r jnull null enull null r jnull null ecnull nullnull null 12 对于实际的模糊PID控制系统 要求模糊控制器 最终传送给PID控制器的是精确量 因此需要进行去 模糊化处理 本研究采用加权平均法进行去模糊化操 作 18 则 KP 49 j 1 KP jnull null KP jnull nullnull null 49j 1 KP jnull null 13 KI 49 j 1 KI jnull null KI jnull nullnull null 49j 1 KI jnull null 14 KD 49 j 1 KD jnull null KD jnull nullnull null 49j 1 KD jnull null 15 其中 KP j KI j KD j 为对应的模糊子 最 终求得 KP KI KD PID控制参数KP KI KD的计 算公式为 KP KP0 KP KI KI0 KI KD KD0 KD null null null nullnull nullnull 16 其中 KP 0 KI0 KD0为KP KI KD的初始值 4 试验与应用 试验在西南林业大学试验场地进行 试验装置如 图6所示 试验时 通过水泵与减压阀为进水管道提 供恒定压力 保持进水管道压力310kPa 吸肥管路最 大吸肥量Q1 0 2L s 肥料搅拌装置将矿源黄酸腐钾 型固体颗粒水溶肥搅拌至完全溶解配 制成EC 6ms cm的溶液 实际试验过程中 使用触摸屏设定 目标EC值为母液浓度的35 通过TIA Portal V15 软件进行系统响应曲线采样 采样周期2s 连续测量 3min 图7为两种控制策略系统响应曲线的对比图 图6 固体水溶性肥料灌溉施肥设备 Fig6 Solid water soluble fertilizers irrigation and application equipment 图7 控制策略系统响应曲线 Fig 7 Control strategy system response curve 由图7可知 在同一目标EC值设定下 模糊PID 控制系统相较于纯PID控制系统设定值更新后 可直 接控制系统进行输出且达到稳态时间缩短40s左右 具有系统响应快 EC值波动幅度小的优势 模糊PID 控制策略配比水肥所需时间130 140s 这表明 使用 模糊PID控制系统可以满足水肥配比灌溉需求 5 结论 针对固体水溶性肥料自动化精准施肥问题 设计 了一种用于固体水溶性肥料灌溉施肥设备 设备配 有的肥料搅拌装置满足固体水溶性肥料的高效溶解 与无杂质肥料母液输出 肥液EC值精准调控系统在 59 2024年2月 农 机 化 研 究 第2期 使用PLC自身集成的 PID Compact 模块的基础上将 模糊控制应用于PLC 试验结果表明 系统在响应速 度和超调量方面满足实际需求 参考文献 1 刘俊萍 朱兴业 袁寿其 等 中国农业节水喷微灌装备研 究进展及发展趋势 J 排灌机械工程学报 2022 40 1 10 2 马富裕 刘扬 崔静 等 水肥一体化研究进展 J 新疆农 业科学 2019 56 1 10 3 付强强 郑瑞永 李万和 等 固体水溶性肥料生产工艺现 状 J 磷肥与复肥 2019 34 5 3 4 夏彬芸 陈红 李善军 等 滴灌条件下水溶性肥料对灌水 器堵塞影响 J 中国农业科技导报 2019 21 7 8 5 赵春江 智慧农业发展现状及战略目标研究 J 智慧农 业 2019 1 1 7 6 李红 汤攀 陈超 等 中国水肥一体化施肥设备研究现状 与发展趋势 J 排灌机械工程学报 2021 39 2 10 7 C ZHAO GENG A ZHANG J et al Research status and development trend of precision management technology of wa ter and fertilizer J Journal of Chinese agricultural mecha nization 2018 39 11 6 8 刘林 李扬 杨坤 等 大田移动式精量配肥灌溉施肥一体 机设计与试验 J 农业机械学报 2019 50 10 10 9 夏华猛 李红 陈超 等 溶解混施水肥一体化装置自动控 制系统研制 J 排灌机械工程学报 2019 37 1 6 10 张志洋 李红 陈超 等 溶解混施水肥一体化装置设计 与试验 J 节水灌溉 2018 4 4 11 王海华 付强 孟繁佳 等 模糊与PI分段调控肥液EC 的优化设计与试验 J 农业工程学报 2016 32 15 7 12 朱德兰 阮汉铖 吴普特 等 水肥一体机肥液电导率远 程模糊PID控制策略 J 农业机械学报 2022 53 1 6 13 王景芝 基于PID控制技术的喷雾机均匀化作业设计 J 农机化研究 2021 43 4 4 14 刘华波 西门子S7 1200 PLC编程与应用 M 北京 机 械工业出版社 2011 15 贺刚 蔡晓华 白阳 等 基于模糊PID的犊牛代乳粉奶 液温度控制系统设计与试验 J 农业机械学报 2022 53 3 11 16 A DS MB B GK C et al Comparison of fuzzy PID and PID controller for speed control of DC motor using LabVIEW J Procedia computer science 2019 152 C 252 260 17 JAVADI SHAHRAM AKBARI HASANJANI et al DC motor speed control by self tuning fuzzy PID algorithm J Transactions of the institute of measurement and control 2014 37 2 12 18 姚颍飞 陈学庚 纪超 等 基于模糊PID控制的玉米精 量播种机单体驱动器设计与试验 J 农业工程学报 2022 38 6 10 Design and Implementation of Intelligent Fertilizer Application Machine for Greenhouse Dissolution Mixing Wang Tieguang1 Li Wenqin1 Chen Kefei1 Xing Kai1 Xiao Sa1 Fang Saiyin1 Li Ming1 2 1 College of Mechanics and Transportation Southwest Forestry University Kunming 650224 China 2 College of Electrical Engineering Anhui Engineering University Wuhu 241000 China Abstract A greenhouse dissolving and mixing intelligent fertilizer application machine is designed which consists of fer tilizer mixing unit water supply unit fertilizer suction unit and control unit aiming to achieve efficient dissolution and accurate application of solid water soluble fertilizer and adopt fuzzy PID controller for water fertilizer proportioning Firstly the hardware system of fertilizer application equipment with fertilizer mixing unit is built according to the charac teristics of solid water soluble fertilizers Then according to the fertilizer mixing characteristics of the fertilizer applica tion equipment the EC value regulation model of fertilizer is established and the PID controller is used for control Finally the PID control strategy was optimized using fuzzy control and tested on the test plat for comparison The ex perimental results show that the use of fuzzy PID control strategy can significantly improve the system perance espe cially in reducing the system lag time and maintaining the system stability Key words intelligent fertilizer applicator solid water soluble fertilizer green house fuzzy PID control 69 2024年2月 农 机 化 研 究 第2期