精准配肥控制系统的设计与研究

2019-9-19 14:29

精准配肥控制系统的设计与研究
我国灌溉水资源医乏，化肥污染严重，为保持农业的可持续发展，对灌溉施肥
的控制与管理技术的研究越来越受到重视。随着科学技术的快速发展，更多的新技
术在农业灌溉施肥中得到广泛应用。国内外对农业灌溉施肥的控制与管理技术都
做了许多研究。但与国外优秀技术进行对比，国内的研究起步较晚且技术相对落后，
存在着较大程度的差距。虽然国外的设备较为成熟，但因作物生长因素、气候环境、
土壤条件等差异，难以满足中国的实际需求;再者，国内研究主要局限于实验室，
并且系统造价昂贵。故有必要设计一套物美价廉的水肥配制控制系统满足社会需要。

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经试验表明:该精准配肥控制系统能够配制出设定浓度或酸碱度的水肥溶液，其最大误差绝对值小于5%，满足实际控制要求。且系统界面友好易于操作，能实时显示水肥溶液的各项参数和执行机构的工作状态，能满足精准配肥的实际需要。

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“水肥一体化”即灌溉施肥技术，根据不同作物的特点及生长环境「9]，配置适当的肥液输入至灌溉系统中，使肥液和水一同运输至田间作物「10]。精准配肥控制技术在水肥一体化技术工作原理的指导下，采用自动控制技术、计算机技术、传感器技术等，将灌溉水、肥液和酸液按照作物需求的浓度比例有机地混合在一起形成满足作物生长需求的水肥祸合溶液，以便将其准确地施加在作物根系的周围，使作物根系对水肥祸合溶液进行充分直接地吸收利用。采用精准配肥控制技术可以有效地调节控制水肥祸合溶液的水肥浓度比，满足农作物的生长需求规律，极大地提高了灌溉水和肥料的利用率，以保证农作物的高产高质，而且减少了用户管理农田的作业时间。由于其配肥精准，不仅提高了利用率，而且减轻了对土壤、地下水和环境的污染

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   (1)设备自动化。用户在系统监控中心设定需配制水肥溶液的目标浓度和目标
酸碱度之后，系统能够根据检测数据和目标值自动地配制出用户所需的水肥溶液。
   (2)实时监控。系统开发了监控中心，对水肥祸合溶液的各项参数:水肥浓
度EC值、pH值、流量值、压力值和执行机构状态等进行实时显示，使用户对配
肥过程中参数变化趋势更加清楚。
   (3)高精度的水肥溶液配比。对系统结构分析研究后，建立了精准配肥系统
数学模型，对控制算法仿真结果进行对比分析，确定了系统的控制算法，以配制更
高精度的水肥溶液。

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其中，供水管路连接至离心泵的进水口，离心泵出水口依次连接止回阀、流量传感器和压力变送器，监测管道压力，当压力过高时急停离心泵，避免爆管。同时，真空泵利用自身形成的负压条件为离心泵进行真空引水。变频器用于根据采集的管路压力值控制离心泵的工作状态，为配肥系统提供恒定的工作压力。压力变送器的出口接主水管比例阀、吸肥管路和吸酸管路。主水管比例阀通过调整文丘里吸肥器进口和出口之间的压力差，达到快速吸肥的目的。吸肥管路从供肥端开始依次连接EC支路流量计、EC支路比例阀和文丘里吸肥器，吸酸管路从供酸端开始依次连接pH支路流量计、pH支路比例阀和文丘里吸肥器。吸酸管路经过一段较长的管道后连接至输出管路。经文丘里吸肥器进入输出管路的肥液、酸液在主管道中自动混肥。输出管路上设有EC传感器、pH传感器、压力监钡吓口叠片过滤器，为自动配肥提供实时数据。下位机通过电路将各个传感器的检测数据进行处理再实时发送至上位机中进行分析控制，以实现精准配肥。

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对系统的执行机构进行理论分析，建立数学模型是设计精准配肥控制器的基础。找出执行机构的输入信号与输出信号之间的数学表达式，建立执行机构的数学模型。在控制系统中，传递函数是基于古典控制理论的一种常用的数学模型，本文采用建立传递函数的方法研究执行机构的特性「asl根据精准配肥系统结构的设计原则可知，本系统的执行机构选用的是电动调节比例阀。电动比例调节阀的工作原理:直流电机在运行过程中，线性电阻值不停反馈给控制单元，由控制单元将设定值与反馈值进行对比，达到目标位置发出停止信号即刻停止转动。从数学建模的角度分析，该电动比例调节阀系统由直流电动机环节和线性滞后环节组成。

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在本精准配肥控制系统中，根据系统结构的设计原则可知，本研究利用传感器模块在管道的输出口检测配制的水肥溶液的参数，将此检测信号反馈至控制器中进行分析控制。本研究的主要目的是配制设定浓度或酸碱度的水肥溶液，故此处讨论的传感器模块应为检测水肥溶液浓度的EC传感器和检测水肥溶液酸碱度的pH传感器。从控制系统仿真建模的角度分析，对控制系统进行理论分析时，建立传感器模块的传递函数即为建立EC传感器和pH传感器的数学模型。

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其中，电源模块为整个控制系统提供能源。传感器检测部分由EC传感器、pH
传感器、流量传感器和压力变送器组成，实现对水肥溶液参数的采集。控制器部分
由单片机STM32F103、上位机中Matlab/Simulink模型和监控中心组成。单片机
STM32F103主要负责对传感器检测部分采集到的水肥溶液参数进行处理，通过数
据传输部分将数据传输到上位机中的Matlab/Simulink模型。上位机中
Matlab/Simulink模型主要负责分析处理通过数据传输部分接收到的信号，将经过
模糊PID控制算法处理后的信号通过数据传输部分发送至单片机，单片机通过功
率驱动电路控制执行机构的工作。监控中心由上位机构成，采用Matlab/GUI编写
监控界面，能够实现对检测到的水肥溶液参数进行实时显示，能够实现对
Matlab/Simulink模型进行启停控制，能够实时与单片机进行通信。数据传输部分由
串行接口模块组成，传感器检测部分将采集的数据传输到单片机，单片机通过串口
收发模块与上位机中Matlab进行通信。执行机构主要由3个口径不同的比例阀组
成，一个DN1_5比例阀安装在肥料溶液支路，主要负责实时控制吸肥量，实现配制
出精准的水肥溶液浓度;一个DN1_5比例阀安装在酸液支路，主要负责实时控制吸
酸量，确保配制出的水肥溶液在作物适宜的酸碱性范围;一个DN32比例阀安装在
主水管中，主要负责控制文丘里吸肥器的端口压力，实现文丘里吸肥器能够顺利地
J决速吸肥、吸酸。

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