主路式水肥一體機施肥系統(tǒng)的設(shè)計與試驗.pdf

年 第 期 第 卷 農(nóng)機化研究 主路式水肥一體機施肥系統(tǒng)的設(shè)計與試驗 李 擎 李家春 熊賢沙 蔡家斌 貴州大學機械工程學院 貴陽 摘 要 針對現(xiàn)階段水肥一體化設(shè)備存在施肥不均 自動化程度不高及滯后性嚴重的問題 根據(jù)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)節(jié)水省肥和 減少環(huán)境污染的灌溉要求 設(shè)計了一款可實現(xiàn)自動混肥 施肥 節(jié)水灌溉的主路式水肥一體化施肥機 根據(jù)液肥的 和 值調(diào)節(jié)過程的特點 開發(fā)了以 為核心的液肥控制系統(tǒng)硬件 并結(jié)合 設(shè)計了以模糊 為控 制器的液肥 和 值控制系統(tǒng) 為驗證施肥機在實際應用中的精確性和魯棒性 設(shè)計了施肥系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)性能試驗 結(jié)果表明 在施肥階段 模糊 控制系統(tǒng)具有較短的穩(wěn)態(tài)時間和較小的超調(diào)量 相比于 控制系統(tǒng) 對 和 值進 行調(diào)節(jié)的穩(wěn)態(tài)時間分別減少了 和 穩(wěn)態(tài)超調(diào)量分別降低了 和 可實現(xiàn)對混肥溶液進行迅速有效 的調(diào)節(jié) 滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實際生產(chǎn)需要 關(guān)鍵詞 水肥一體化 施肥機 模糊 過程控制 中圖分類號 文獻標識碼 文章編號 收稿日期 基金項目 貴州省科技計劃項目 黔科合支撐 一般 作者簡介 李 擎 男 山東淄博人 碩士研究生 通訊作者 李家春 男 貴陽人 教授 博士生導師 引 言 我國作為農(nóng)業(yè)大國 農(nóng)業(yè)灌溉用水量約占全國水 資源總量的 截至 年 全國農(nóng)業(yè)設(shè)施總面積 已經(jīng)超過了 但是 我國的水資源嚴重 短缺 且化肥的過量使用不僅降低了肥料的利用率 還 污染了土壤 在過去 年間 由于化肥的普及 直 接導致了中國主要農(nóng)田的顯著的土壤酸化和灌溉水源 污染 水肥一體化技術(shù)是將灌溉與施肥有機結(jié)合 根據(jù) 不同作物的特點借助壓力系統(tǒng) 精確地把水肥耦合溶 液應用于作物的一種技術(shù) 與傳統(tǒng)大水漫灌等灌溉 模式相比 水肥一體化技術(shù)可以顯著提高水肥藥的利 用率 其管道直接利用液態(tài)肥浸潤作物根系 減少 水分的下滲蒸發(fā)和肥料揮發(fā) 通?？蓪崿F(xiàn)節(jié)水 和節(jié)肥 從而實現(xiàn)增產(chǎn)及提高經(jīng)濟 效益 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中 作物需要一定的土壤酸堿度 和 值 這也是水肥一體化技術(shù)需要控制的兩個重要 指標 由于它們的控制十分非線性 加之管道傳輸?shù)?因素帶來的嚴重滯后性和不確定性 因此成為了水肥 一體化技術(shù)中需要解決的棘手問題 目前 在對液 體肥料的 和 值過程控制研究的一個大的方面是 控制 為此 筆者基于模糊 控制 設(shè)計了一 種主路式水肥一體機 并通過對控制系統(tǒng)的設(shè)計與試 驗 實現(xiàn)了對作物的精確灌溉施肥 有效緩解了水肥一 體化設(shè)備中液態(tài)肥控制存在的滯后性和不確定性問 題 對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化水平的提高起到一定的促進 作用 結(jié)構(gòu)組成及工作原理 結(jié)構(gòu)組成 主路式水肥一體化施肥機主要由鋁合金框架 控 制系統(tǒng) 支吸肥管 混肥桶和吸肥泵等部件組成 如 圖 所示 混肥桶 工控觸摸屏 控制柜 鋁合金框架 進水口 吸肥泵 混肥液出口 傳感器 吸肥管 吸肥口 圖 施肥機結(jié)構(gòu)示意圖 第 期李擎等 主路式水肥一體機施肥系統(tǒng)的設(shè)計與試驗第 卷 其中 控制系統(tǒng)被總成在控制柜中 吸肥管主要 由流量傳感器 浮子流量計 手動閥 電磁閥和文丘里 管組成 可滿足最多 種水肥藥溶液的施肥配比 工作原理 工作原理如圖 所示 工作時 混肥桶的進水口 與灌溉管道直接相連 吸肥泵由混肥桶的出口帶動混 合肥液輸送至指定灌溉區(qū) 在吸肥泵的出口分出一股 回路 返回吸肥管帶動文丘里產(chǎn)生吸力 帶動肥液由 液態(tài)肥儲存桶進入吸肥管 經(jīng)流量傳感器 浮子流量 計 手動閥 電磁閥 文丘里管后 肥液被注入混肥桶 內(nèi) 在混肥桶內(nèi)與水混合形成一定比例的混合肥液 輸送到指定灌溉區(qū) 如此循環(huán)往復 在此過程中控制 柜中的變量控制系統(tǒng)根據(jù)在可編程控制器上設(shè)置的 灌溉施肥程序和外部檢測到的 值 來控制每條 吸肥管安裝的電磁閥通斷 實現(xiàn)了對各管道不同類型 肥液的定量比例控制 攪拌泵 貯肥桶 貯肥桶閥門 吸肥管閥門 吸肥管流量傳感器 浮子流量計 止回閥 手動閥 電磁閥 水射器 液位開關(guān) 混肥桶 排廢閥 吸肥泵 傳感器 傳感器 壓力傳感器 主通道流量傳感器 控制柜 圖 工作原理圖 控制系統(tǒng)設(shè)計 硬件層設(shè)計 施肥控制模塊主要由一塊作為下位機的 觸 摸屏人機界面與遠程 端組成 其中 與觸摸 屏通過 模式的線纜連接直接進行通訊 與遠 程 端通過 模塊進行遠程通訊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的 相互傳輸 實物圖如圖 所示 型號為 可利用自身拓展模塊 實現(xiàn)模擬信 號輸入 以及脈沖信號的轉(zhuǎn)換和輸出 滿足設(shè)計需求 觸摸屏人機界面采用的是北京昆侖通態(tài)生產(chǎn)開發(fā)的 組態(tài)軟件 以及相對應開發(fā)的 型號觸摸屏 其配備了 為核心的主頻為 的 和串行接口 以太網(wǎng)口等多種接口 滿足了對數(shù)據(jù)處理 圖像顯示和與上下位機連接通訊 等的功能 控制流程圖如圖 所示 圖 控制系統(tǒng)實物圖 第 卷農(nóng)機化研究第 期 圖 施肥系統(tǒng)控制流程圖 混肥液動態(tài)調(diào)控模型 值的混合模型選擇典型的一階滯后模型 假 設(shè)機器工作時混肥桶內(nèi)的溶液體積和濃度保持不變 忽略回路帶來的影響 則在系統(tǒng)工作達到動態(tài)平衡 時 根據(jù)質(zhì)量守恒定律可得 null nullnull null null null null null null null null null 式中 混肥桶內(nèi)溶液體積 混肥桶內(nèi)溶液濃度 混肥桶進水口濃度 第 支吸肥管溶液濃度 泵出口溶液濃度 混肥桶進水口的流量 第 支吸肥管的流量 泵出口流量 吸肥管電磁閥的占空比 液體肥料溶液濃度和 值成正比 且混肥桶進水 口的濃度可以忽略不計 取 和 為相同定值 當 系統(tǒng)工作達到動態(tài)平衡時 有 則式 可以化簡為 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 為系統(tǒng)預設(shè)值 設(shè)為 則式 根據(jù) 拉普拉斯變換可得 null null null null 根據(jù)設(shè)備的實際工作情況和實測試驗數(shù)據(jù) 得到 滯后時間為 將上述變量帶入式 得到 值的近似傳遞函 數(shù)為 混合液態(tài)肥料和灌溉水一般呈現(xiàn)弱堿性 則其 值的調(diào)控是通過調(diào)節(jié)酸液電磁閥的開關(guān)周期來實現(xiàn) 調(diào)節(jié)過程可認為是酸堿中和過程 假設(shè)機器工作時混 肥桶內(nèi)的溶液體積和濃度保持不變 忽略回路帶來的 影響 則在系統(tǒng)工作達到動態(tài)平衡時根據(jù)質(zhì)量守恒定 律可得 式中 混肥桶內(nèi)溶液體積 混肥桶內(nèi)的溶液酸濃度 酸溶液吸肥管的酸濃度 酸溶液吸肥管的流量 泵出口流量 酸溶液吸肥管電磁閥的占空比 式中 混肥桶內(nèi)的溶液堿濃度 第 期李擎等 主路式水肥一體機施肥系統(tǒng)的設(shè)計與試驗第 卷 第 支吸肥管的堿濃度 混肥桶進水口堿濃度 第 支吸肥管的流量 泵出口流量 第 支吸肥管電磁閥的占空比 假設(shè)混肥桶溶液體積不變 則 根據(jù) 值滴定方程得到 其中 為過程輸出變量 為堿溶液的電離常 數(shù) 取灌溉水源的電離常數(shù) 值 酸 溶液濃度為 灌溉水源流入混肥桶的流量為 混肥桶體積為 通過系統(tǒng)辨識得到 值的延遲高階傳遞函數(shù)為 模糊 控制器的設(shè)計 控制廣泛應用于工業(yè)領(lǐng)域 它利用比例 積 分 微分的參數(shù)關(guān)系計算和獲得控制量 以此來控制 受控對象 控制器方程式為 null null null null null null null null 模糊 控制器是使用輸入和反饋之間的偏差 以及變化率作為輸入 并通過某些規(guī)則自動調(diào)整 的 個參數(shù) 以 值為例 在調(diào)節(jié) 值時 該控制 器的工作原理為根據(jù) 值的誤差 和誤差變化率 來進行模糊化和模糊推理 從而實時修正 控制器 的 個控制參數(shù) 以控制鹽溶液電磁閥的啟 ?？刂?實現(xiàn)肥液 值的調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)原理圖如圖 所示 圖 模糊 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 控制器輸入值為吸肥泵出口混合肥液的 偏 差值 和偏差變化率 根據(jù)實際情況設(shè)誤差 和誤差 變化率 的取值范圍設(shè)為 輸出控制量 的變化范圍也取為 取值特征點均為 輸入輸出量的語言變量模糊子集 均取為 量化為 個等 級 其依次代表輸入值負大 負中 負小 合適 正小 正 中 正大 控制器輸入值為吸肥泵出口混合肥液的 偏 差值 和偏差變化率 根據(jù)實際情況 設(shè)誤差 和誤 差變化率 的取值范圍設(shè)為 為方便計算 將 它們分別模糊化 模糊論域均取為 則其量化 因子均為 輸出控制量 的變化范圍也取 為 取值特征點均為 輸入輸出量的語言變量模糊子集均取為 量化為 個等級 其依次代表輸入值 負大 負中 負小 合適 正小 正中 正大 根據(jù)實際生產(chǎn)工作的經(jīng)驗積累及 和 值的 控制規(guī)律 綜合考慮系統(tǒng)工作的超調(diào)量及響應速度等 制定的 和 值的模糊 控制器 個參數(shù)的控 制規(guī)則表如表 所示 選用三角形隸屬度函數(shù) 生成 隸屬度函數(shù)曲線分別如圖 和圖 所示 表 控制規(guī)則表 第 卷農(nóng)機化研究第 期 圖 的隸屬度函數(shù) 圖 值及 的 的隸屬度函數(shù) 為驗證設(shè)計的模糊 控制器性能 設(shè)計了 控制器來對仿真結(jié)果進行比較 根據(jù)實際情況 混合 肥液的初始 值為 調(diào)整后的混合肥液 值調(diào)整為 初始 值為 調(diào)整后為 模擬時間為 控制器的性能指標可以通過 峰值量 峰值時間 穩(wěn)態(tài)時間和最大超量來評估 仿真 結(jié)果如表 及圖 圖 所示 表 仿真性能指標表 項目控制器峰值時間 峰值 穩(wěn)態(tài)時間 最大超量 由仿真結(jié)果和表 可知 兩種控制器均達到了設(shè) 定值的要求 但模糊 控制器相比 控制器的波 動較小 且達到設(shè)定 值和 值的穩(wěn)態(tài)時間分別減 少了約 和 這說明 模糊 控制器具 有更短的穩(wěn)態(tài)時間和較強的穩(wěn)定性 圖 控制器仿真結(jié)果 圖 控制器仿真結(jié)果 樣機及性能試驗 在貴州大學機械工程學院試驗場地搭建主路式 水肥一體化施肥機樣機 并進行性能試驗 圖 為 樣機照片及其工控觸屏交互界面 第 期李擎等 主路式水肥一體機施肥系統(tǒng)的設(shè)計與試驗第 卷 圖 施肥機樣機及工控觸摸屏界面 常見農(nóng)作物供液濃度 值在 之間 值多控制在 之間 試驗設(shè)定 值為 值為 在混肥口出口管道內(nèi) 安裝 傳感器實時監(jiān)測混肥溶液 值 傳感器量程為 分辨率 傳感器分辨率為 在人機工控觸摸屏中設(shè)置 灌溉時間 并在第 開始持續(xù) 施肥 的預設(shè)方案 通過傳感器和數(shù)據(jù)采集卡實時記錄出口 混合肥液的 值 采樣周期為 試驗結(jié)果如表 及圖 圖 所示 表 施肥機試驗性能指標表 項目控制器峰值時間 峰值 穩(wěn)態(tài)時間 穩(wěn)態(tài)超量 圖 試驗結(jié)果曲線 圖 試驗結(jié)果曲線 由表 可知 雖然 控制系統(tǒng)具有較短的響應 時間 但隨之而來的是巨大的峰值和不穩(wěn)定性 以及 較長的穩(wěn)態(tài)時間 相比于 控制系統(tǒng) 模糊 控 制系統(tǒng)在調(diào)控 和 的過程中穩(wěn)態(tài)時間分別減少 了 和 達到穩(wěn)態(tài)時的穩(wěn)態(tài)超調(diào)量分別降 低了 和 說明設(shè)計的基于模糊 的主路 式水肥一體機施肥系統(tǒng)在施肥作業(yè)中具有較好的精 確性和魯棒性 結(jié) 論 基于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)對于節(jié)水省肥的需求 設(shè)計了 以模糊 控制為基礎(chǔ)的主路式水肥一體化施肥機 施肥系統(tǒng) 來優(yōu)化現(xiàn)存水肥一體化設(shè)備存在的滯后性 和不確定性等問題 基于 對其硬 件進行了設(shè)計 并使用 軟件進行了控制系統(tǒng)設(shè) 計和仿真 搭建樣機并進行了性能試驗 結(jié)果表明 相比 于 控制系統(tǒng) 模糊 控制系統(tǒng)在調(diào)控 和 的過程中 穩(wěn)態(tài)時間分別減少了 和 達 到穩(wěn)態(tài)時的穩(wěn)態(tài)超調(diào)量分別降低了 和 具 有較優(yōu)異的精確性和魯棒性 滿足設(shè)計要求 參考文獻 趙學觀 何亞凱 王松林 等 雙變量排肥系統(tǒng)充肥性能分 析與試驗研究 農(nóng)機化研究 李娟 何曉寧 王東偉 等 新型農(nóng)家肥果園自動施肥機的 設(shè)計與試驗 農(nóng)機化研究 第 卷農(nóng)機化研究第 期 田莉 李家春 趙先鋒 等 水肥一體化施肥機變量吸肥系 統(tǒng)的設(shè)計與試驗 農(nóng)機化研究 李繼學 李家春 水肥一體化遠程自動控制系統(tǒng)設(shè)計及試 驗 農(nóng)機化研究 孫宜田 李青龍 孫永佳 等 基于模糊控制的水肥藥一體 化系統(tǒng)研究 農(nóng)機化研究 余洪鋒 丁永前 劉海濤 等 小田塊變量施肥系統(tǒng)優(yōu)化設(shè) 計與應用 農(nóng)業(yè)工程學報 高鵬 簡紅忠 魏樣 等 水肥一體化技術(shù)的應用現(xiàn)狀與發(fā) 展前景 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技 吳玉發(fā) 水肥一體化自動精準灌溉施肥設(shè)施技術(shù)的研究 和實現(xiàn) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 金永奎 盛斌科 孫竹 等 水肥一體化管控系統(tǒng)設(shè)計和 實現(xiàn) 農(nóng)機化研究