主路式水肥一体机施肥系统的设计与试验.pdf

年 第 期 第 卷 农机化研究 主路式水肥一体机施肥系统的设计与试验 李 擎 李家春 熊贤沙 蔡家斌 贵州大学机械工程学院 贵阳 摘 要 针对现阶段水肥一体化设备存在施肥不均 自动化程度不高及滞后性严重的问题 根据现代化农业节水省肥和 减少环境污染的灌溉要求 设计了一款可实现自动混肥 施肥 节水灌溉的主路式水肥一体化施肥机 根据液肥的 和 值调节过程的特点 开发了以 为核心的液肥控制系统硬件 并结合 设计了以模糊 为控 制器的液肥 和 值控制系统 为验证施肥机在实际应用中的精确性和鲁棒性 设计了施肥系统动态调节性能试验 结果表明 在施肥阶段 模糊 控制系统具有较短的稳态时间和较小的超调量 相比于 控制系统 对 和 值进 行调节的稳态时间分别减少了 和 稳态超调量分别降低了 和 可实现对混肥溶液进行迅速有效 的调节 满足现代农业实际生产需要 关键词 水肥一体化 施肥机 模糊 过程控制 中图分类号 文献标识码 文章编号 收稿日期 基金项目 贵州省科技计划项目 黔科合支撑 一般 作者简介 李 擎 男 山东淄博人 硕士研究生 通讯作者 李家春 男 贵阳人 教授 博士生导师 引 言 我国作为农业大国 农业灌溉用水量约占全国水 资源总量的 截至 年 全国农业设施总面积 已经超过了 但是 我国的水资源严重 短缺 且化肥的过量使用不仅降低了肥料的利用率 还 污染了土壤 在过去 年间 由于化肥的普及 直 接导致了中国主要农田的显著的土壤酸化和灌溉水源 污染 水肥一体化技术是将灌溉与施肥有机结合 根据 不同作物的特点借助压力系统 精确地把水肥耦合溶 液应用于作物的一种技术 与传统大水漫灌等灌溉 模式相比 水肥一体化技术可以显著提高水肥药的利 用率 其管道直接利用液态肥浸润作物根系 减少 水分的下渗蒸发和肥料挥发 通常可实现节水 和节肥 从而实现增产及提高经济 效益 在农业生产活动中 作物需要一定的土壤酸碱度 和 值 这也是水肥一体化技术需要控制的两个重要 指标 由于它们的控制十分非线性 加之管道传输等 因素带来的严重滞后性和不确定性 因此成为了水肥 一体化技术中需要解决的棘手问题 目前 在对液 体肥料的 和 值过程控制研究的一个大的方面是 控制 为此 笔者基于模糊 控制 设计了一 种主路式水肥一体机 并通过对控制系统的设计与试 验 实现了对作物的精确灌溉施肥 有效缓解了水肥一 体化设备中液态肥控制存在的滞后性和不确定性问 题 对农业生产机械化水平的提高起到一定的促进 作用 结构组成及工作原理 结构组成 主路式水肥一体化施肥机主要由铝合金框架 控 制系统 支吸肥管 混肥桶和吸肥泵等部件组成 如 图 所示 混肥桶 工控触摸屏 控制柜 铝合金框架 进水口 吸肥泵 混肥液出口 传感器 吸肥管 吸肥口 图 施肥机结构示意图 第 期李擎等 主路式水肥一体机施肥系统的设计与试验第 卷 其中 控制系统被总成在控制柜中 吸肥管主要 由流量传感器 浮子流量计 手动阀 电磁阀和文丘里 管组成 可满足最多 种水肥药溶液的施肥配比 工作原理 工作原理如图 所示 工作时 混肥桶的进水口 与灌溉管道直接相连 吸肥泵由混肥桶的出口带动混 合肥液输送至指定灌溉区 在吸肥泵的出口分出一股 回路 返回吸肥管带动文丘里产生吸力 带动肥液由 液态肥储存桶进入吸肥管 经流量传感器 浮子流量 计 手动阀 电磁阀 文丘里管后 肥液被注入混肥桶 内 在混肥桶内与水混合形成一定比例的混合肥液 输送到指定灌溉区 如此循环往复 在此过程中控制 柜中的变量控制系统根据在可编程控制器上设置的 灌溉施肥程序和外部检测到的 值 来控制每条 吸肥管安装的电磁阀通断 实现了对各管道不同类型 肥液的定量比例控制 搅拌泵 贮肥桶 贮肥桶阀门 吸肥管阀门 吸肥管流量传感器 浮子流量计 止回阀 手动阀 电磁阀 水射器 液位开关 混肥桶 排废阀 吸肥泵 传感器 传感器 压力传感器 主通道流量传感器 控制柜 图 工作原理图 控制系统设计 硬件层设计 施肥控制模块主要由一块作为下位机的 触 摸屏人机界面与远程 端组成 其中 与触摸 屏通过 模式的线缆连接直接进行通讯 与远 程 端通过 模块进行远程通讯来实现数据的 相互传输 实物图如图 所示 型号为 可利用自身拓展模块 实现模拟信 号输入 以及脉冲信号的转换和输出 满足设计需求 触摸屏人机界面采用的是北京昆仑通态生产开发的 组态软件 以及相对应开发的 型号触摸屏 其配备了 为核心的主频为 的 和串行接口 以太网口等多种接口 满足了对数据处理 图像显示和与上下位机连接通讯 等的功能 控制流程图如图 所示 图 控制系统实物图 第 卷农机化研究第 期 图 施肥系统控制流程图 混肥液动态调控模型 值的混合模型选择典型的一阶滞后模型 假 设机器工作时混肥桶内的溶液体积和浓度保持不变 忽略回路带来的影响 则在系统工作达到动态平衡 时 根据质量守恒定律可得 null nullnull null null null null null null null null null 式中 混肥桶内溶液体积 混肥桶内溶液浓度 混肥桶进水口浓度 第 支吸肥管溶液浓度 泵出口溶液浓度 混肥桶进水口的流量 第 支吸肥管的流量 泵出口流量 吸肥管电磁阀的占空比 液体肥料溶液浓度和 值成正比 且混肥桶进水 口的浓度可以忽略不计 取 和 为相同定值 当 系统工作达到动态平衡时 有 则式 可以化简为 null nullnull null null null null null null null 式中 泵出口溶液的 值 第 支吸肥管溶液 值 其中 为系统预设值 设为 则式 根据 拉普拉斯变换可得 null null null null 根据设备的实际工作情况和实测试验数据 得到 滞后时间为 将上述变量带入式 得到 值的近似传递函 数为 混合液态肥料和灌溉水一般呈现弱碱性 则其 值的调控是通过调节酸液电磁阀的开关周期来实现 调节过程可认为是酸碱中和过程 假设机器工作时混 肥桶内的溶液体积和浓度保持不变 忽略回路带来的 影响 则在系统工作达到动态平衡时根据质量守恒定 律可得 式中 混肥桶内溶液体积 混肥桶内的溶液酸浓度 酸溶液吸肥管的酸浓度 酸溶液吸肥管的流量 泵出口流量 酸溶液吸肥管电磁阀的占空比 式中 混肥桶内的溶液碱浓度 第 期李擎等 主路式水肥一体机施肥系统的设计与试验第 卷 第 支吸肥管的碱浓度 混肥桶进水口碱浓度 第 支吸肥管的流量 泵出口流量 第 支吸肥管电磁阀的占空比 假设混肥桶溶液体积不变 则 根据 值滴定方程得到 其中 为过程输出变量 为碱溶液的电离常 数 取灌溉水源的电离常数 值 酸 溶液浓度为 灌溉水源流入混肥桶的流量为 混肥桶体积为 通过系统辨识得到 值的延迟高阶传递函数为 模糊 控制器的设计 控制广泛应用于工业领域 它利用比例 积 分 微分的参数关系计算和获得控制量 以此来控制 受控对象 控制器方程式为 null null null null null null null null 模糊 控制器是使用输入和反馈之间的偏差 以及变化率作为输入 并通过某些规则自动调整 的 个参数 以 值为例 在调节 值时 该控制 器的工作原理为根据 值的误差 和误差变化率 来进行模糊化和模糊推理 从而实时修正 控制器 的 个控制参数 以控制盐溶液电磁阀的启 停控制 实现肥液 值的调节 调节原理图如图 所示 图 模糊 控制系统结构图 控制器输入值为吸肥泵出口混合肥液的 偏 差值 和偏差变化率 根据实际情况设误差 和误差 变化率 的取值范围设为 输出控制量 的变化范围也取为 取值特征点均为 输入输出量的语言变量模糊子集 均取为 量化为 个等 级 其依次代表输入值负大 负中 负小 合适 正小 正 中 正大 控制器输入值为吸肥泵出口混合肥液的 偏 差值 和偏差变化率 根据实际情况 设误差 和误 差变化率 的取值范围设为 为方便计算 将 它们分别模糊化 模糊论域均取为 则其量化 因子均为 输出控制量 的变化范围也取 为 取值特征点均为 输入输出量的语言变量模糊子集均取为 量化为 个等级 其依次代表输入值 负大 负中 负小 合适 正小 正中 正大 根据实际生产工作的经验积累及 和 值的 控制规律 综合考虑系统工作的超调量及响应速度等 制定的 和 值的模糊 控制器 个参数的控 制规则表如表 所示 选用三角形隶属度函数 生成 隶属度函数曲线分别如图 和图 所示 表 控制规则表 第 卷农机化研究第 期 图 的隶属度函数 图 值及 的 的隶属度函数 为验证设计的模糊 控制器性能 设计了 控制器来对仿真结果进行比较 根据实际情况 混合 肥液的初始 值为 调整后的混合肥液 值调整为 初始 值为 调整后为 模拟时间为 控制器的性能指标可以通过 峰值量 峰值时间 稳态时间和最大超量来评估 仿真 结果如表 及图 图 所示 表 仿真性能指标表 项目控制器峰值时间 峰值 稳态时间 最大超量 由仿真结果和表 可知 两种控制器均达到了设 定值的要求 但模糊 控制器相比 控制器的波 动较小 且达到设定 值和 值的稳态时间分别减 少了约 和 这说明 模糊 控制器具 有更短的稳态时间和较强的稳定性 图 控制器仿真结果 图 控制器仿真结果 样机及性能试验 在贵州大学机械工程学院试验场地搭建主路式 水肥一体化施肥机样机 并进行性能试验 图 为 样机照片及其工控触屏交互界面 第 期李擎等 主路式水肥一体机施肥系统的设计与试验第 卷 图 施肥机样机及工控触摸屏界面 常见农作物供液浓度 值在 之间 值多控制在 之间 试验设定 值为 值为 在混肥口出口管道内 安装 传感器实时监测混肥溶液 值 传感器量程为 分辨率 传感器分辨率为 在人机工控触摸屏中设置 灌溉时间 并在第 开始持续 施肥 的预设方案 通过传感器和数据采集卡实时记录出口 混合肥液的 值 采样周期为 试验结果如表 及图 图 所示 表 施肥机试验性能指标表 项目控制器峰值时间 峰值 稳态时间 稳态超量 图 试验结果曲线 图 试验结果曲线 由表 可知 虽然 控制系统具有较短的响应 时间 但随之而来的是巨大的峰值和不稳定性 以及 较长的稳态时间 相比于 控制系统 模糊 控 制系统在调控 和 的过程中稳态时间分别减少 了 和 达到稳态时的稳态超调量分别降 低了 和 说明设计的基于模糊 的主路 式水肥一体机施肥系统在施肥作业中具有较好的精 确性和鲁棒性 结 论 基于现代化农业对于节水省肥的需求 设计了 以模糊 控制为基础的主路式水肥一体化施肥机 施肥系统 来优化现存水肥一体化设备存在的滞后性 和不确定性等问题 基于 对其硬 件进行了设计 并使用 软件进行了控制系统设 计和仿真 搭建样机并进行了性能试验 结果表明 相比 于 控制系统 模糊 控制系统在调控 和 的过程中 稳态时间分别减少了 和 达 到稳态时的稳态超调量分别降低了 和 具 有较优异的精确性和鲁棒性 满足设计要求 参考文献 赵学观 何亚凯 王松林 等 双变量排肥系统充肥性能分 析与试验研究 农机化研究 李娟 何晓宁 王东伟 等 新型农家肥果园自动施肥机的 设计与试验 农机化研究 第 卷农机化研究第 期 田莉 李家春 赵先锋 等 水肥一体化施肥机变量吸肥系 统的设计与试验 农机化研究 李继学 李家春 水肥一体化远程自动控制系统设计及试 验 农机化研究 孙宜田 李青龙 孙永佳 等 基于模糊控制的水肥药一体 化系统研究 农机化研究 余洪锋 丁永前 刘海涛 等 小田块变量施肥系统优化设 计与应用 农业工程学报 高鹏 简红忠 魏样 等 水肥一体化技术的应用现状与发 展前景 现代农业科技 吴玉发 水肥一体化自动精准灌溉施肥设施技术的研究 和实现 现代农业装备 金永奎 盛斌科 孙竹 等 水肥一体化管控系统设计和 实现 农机化研究