溫室大棚溶解混施智能施肥機設計與實現.pdf

溫室大棚溶解混施智能施肥機設計與實現 王鐵廣1 李文勤1 陳可飛1 邢 凱1 肖 灑1 方賽銀1 李 明1 2 1 西南林業(yè)大學 機械與交通學院 昆明 650224 2 安徽工程大學 電氣工程學院 安徽 蕪湖 241000 摘 要 為了實現固體水溶性肥料高效溶解與精準施肥 設計了一種溫室大棚溶解混施智能施肥機 主要由肥 料攪拌單元 供水單元 吸肥單元及控制單元組成 水肥配比采用模糊PID控制調節(jié)方式 首先 依據固體水溶 性肥料的自身特點搭建帶有肥料攪拌裝置的施肥設備硬件系統(tǒng) 然后 根據施肥設備混肥特性 建立肥料EC值 調控模型 設計PID控制器 最后 采用模糊控制方法自適應調節(jié)PID參數 提出模糊PID控制系統(tǒng)設計方法 試驗結果表明 使用模糊PID控制策略能夠顯著提高系統(tǒng)性能 特別是在減少系統(tǒng)滯后時間和保持系統(tǒng)穩(wěn)定性 方面 關鍵詞 智能施肥機 固體水溶性肥料 溫室率 模糊PID控制 中圖分類號 S625 3 文獻標識碼 A 文章編號 1003 188X 2024 02 0091 06 0 引言 近年來 我國現代農業(yè)不斷發(fā)展 針對水資源與 化肥資源同時短缺的情況 采取節(jié)水節(jié)肥方式是綠色 農業(yè)發(fā)展的必由之路 1 2 水溶性肥料是一種可以完 全溶于水的多元復合肥料 可用于以噴灌 微噴灌 滴 灌為主要施肥方式的灌溉施肥設備 分為固體和液體 兩種類型 固體水溶性肥料與液體水溶性肥料相比 具有養(yǎng)分含量高 貯存和運輸方便 包裝要求低等優(yōu) 點 同時存在雜質相對高 溶解效率相對較慢的缺 點 3 4 按照固體水溶肥料的施肥要求 進行肥料高 效溶解與水肥精確配比是大規(guī)模使用固體水溶性肥 料的關鍵 水肥一體化是施肥技術與灌溉技術融合發(fā)展的 一項新技術 是精準施肥與精確灌溉相結合的產物 在現代農業(yè)發(fā)展中占有重要地位 施肥設備是水肥 一體化系統(tǒng)的關鍵設備 決定著灌溉施肥質量 5 7 目前 固體肥料溶解施肥設備不斷發(fā)展創(chuàng)新 劉林 等 8 開發(fā)了一種施用固體肥料的大田移動式精量配 肥灌溉施肥一體機 用于大田固體肥料的溶解與定量 施肥 夏華猛等 9 設計了一種溶解混施水肥一體化 裝置自動控制系統(tǒng) 使用單片機控制固體肥料進入肥 收稿日期 2022 08 24 基金項目 國家自然科學基金項目 51365049 安徽工程大學科研 啟動基金項目 2021YQQ037 作者簡介 王鐵廣 1996 男 河北承德人 碩士研究生 E mail 2019522818 qq com 通訊作者 李 明 1977 男 江蘇鹽城人 教授 博士生導師 E mail swfu lm swfu edu cn 料溶解罐的速度實現肥液EC值控制 張志洋等 10 設計了一種溶解混施水肥一體化裝置 研究改變投肥 方式對施肥裝置肥液均勻性的影響 綜上所述 針對 適用于溫室大棚溶解混施的智能施肥設備研制相對 較少 為此 結合農戶對溫室大棚精準施用固體水溶性 肥料需求 設計了一種溫室大棚溶解混施智能施肥 機 以解決固體水溶性肥料配合智能施肥機使用難問 題 工作時 施肥機使用肥料攪拌裝置加速溶解肥 料 吸取無雜質肥液進入管道 并采用模糊PID控制 器控制電磁閥的占空比 動態(tài)調節(jié)肥料EC值 完成固 體水溶性肥料精準施用 最后 通過樣機試驗驗證方 法的有效性 以解決小型農戶精準施用固體水溶性肥 的問題 1 系統(tǒng)總體設計 溫室大棚溶解混施智能施肥機系統(tǒng)由肥料攪拌 單元 供水單元 吸肥單元及控制單元4部分組成 如 圖1所示 其中 肥料攪拌單元主要由攪拌容器 攪 拌電機 平漿式攪拌器及吸肥管道組成 為吸肥單元 提供完全溶解的無雜質水溶性肥液 供水單元主要 由蓄水池 抽吸泵組成 為吸肥元件與灌溉管路正常 運行提供動力 吸肥單元主要由文丘里管 電磁閥及 混肥管道組成 電磁閥用來控制吸肥管路的通斷 文 丘里管將肥液吸入主管道經過混肥管道充分混合 控制單元主要由傳感器 觸摸屏 終端設備及PLC控 制器組成 其中 傳感器測量管道壓力 流量以及肥 液電導率 為肥液精準配比提供數據支持 觸摸屏實 19 2024年2月 農 機 化 研 究 第2期 DOI 10 13427 ki njyi 2024 02 040 現設備現場調控 PLC控制器主要完成觸摸屏指令接 收 傳感器的數據采集與處理 對施肥機中的開關量 進行控制 實現智能施肥機的高效運轉 1 水泵 2 水源過濾器 3 減壓閥 4 進水口流量計 5 主管道電磁閥 6 灌溉管道 7 持壓閥 8 出肥管道電磁閥 9 出肥管道壓力傳感器 10 控制單元 11 EC值傳感器 12 混肥管道 13 文丘里管 14 吸肥管道電磁閥 15 吸肥管道流量計 16 吸肥管道過濾器 17 攪拌裝置 18 進水管道壓力傳感器 19 進水管道電磁閥 圖1 固體水溶性肥料灌溉施肥設備工作原理示意圖 Fig 1 Schematic diagram of the working principle of the irrigation and fertilizing application equipment for solid water soluble products 2 肥料攪拌裝置設計 針對固體水溶性肥料的使用過程 未經過充分溶 解的顆粒狀肥料會影響肥料施用效果以及施肥設備 的安全運行 為了加速固體肥料充分溶解 同時防止 肥料中不容雜質吸入肥料管道堵塞施肥設備 設計了 肥料攪拌裝置 如圖2所示 1 攪拌減速電機 2 吸肥軟管浮子 3 聯軸器 4 攪拌軸 5 攪拌槳 6 吸肥軟管 7 攪拌容器 圖2 肥料攪拌裝置示意圖 Fig 2 Schematic diagram of the fertilizer mixing device 肥料攪拌裝置分為兩種工作狀態(tài) 狀態(tài)a是對固 體水溶性肥料進行攪拌時攪拌減速電機帶動攪拌槳 對攪拌容器內的肥料進行攪拌溶解 此時吸肥軟管進 肥端掛在桶口 避免干擾攪拌槳正常工作 狀態(tài)b是 吸肥軟管進行吸肥時攪拌減速電機停止工作 吸肥軟 管浮子放入肥料桶內 使吸肥軟管進肥口始終與肥液 底面保持固定距離 避免未溶解雜質進入混肥管道 保證施肥設備的正常運行 3 模糊PID控制系統(tǒng)設計 3 1 肥液EC模型分析 根據施肥設備的實際混肥特點 肥液混合模型可 近似為典型的一階滯后模型 11 單通道施肥機在實 際運行過程中 施肥設備肥液濃度的調控由文丘里管 的吸肥量決定 此時文丘里管的吸肥量主要與吸肥電 磁閥的占空比有關 智能施肥機機主管道進水口安 裝有水泵與減壓閥 可以實現管道流量和壓力基本恒 定 將主管道進水量Q0與文丘里管的吸肥量Q1 完成 混肥量Q2定義為常量 根據質量守恒定理 則 d VAC tnull nullnull null dt Q0C0 Q1C1M tnull null Q2C tnull null 1 式中 VA 施肥設備管路中肥液體積 L C t 混肥管道及施肥管路中肥液的濃度 mg L C0 進水管道自來水濃度 mg L C1 攪拌容器內肥料濃度 mg L Q0 進水口流量 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 電磁閥導通占空比 等式 1 左邊是混肥管道及施肥管路肥液質量的 微分 假定為流出文丘里管經過混肥管道進入施肥管 路的肥料 右邊是進水管道水的質量與文丘里管吸入 的肥液質量之和減去出肥管道肥液質量 由于肥液 EC值與肥液濃度成正比 12 則式 1 可變?yōu)?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 進水管道自來水EC值 mS cm E1 攪拌容器內肥料EC值 mS cm 為簡化混肥模型復雜程度 將自來水的EC值按 約等于0處理 則式 2 進行拉普拉斯變換后得 29 2024年2月 農 機 化 研 究 第2期 E snull null E1Q1V As Q2 M snull null 3 根據施肥設備實際運行過程 入水管道壓力 310kPa時 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 攪拌容器內肥料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 施肥設備管路中肥液體積VA 18 6L 滯 后時間12s 將上述變量帶入式 3 得到EC值近似 傳遞函數為 Hs EsM s 1 422s 1e 12s 4 3 2 控制系統(tǒng)結構設計 溫室大棚溶解混施智能施肥機控制系統(tǒng)主要由 西門子S7 1200PLC 西門子模擬量拓展模塊 SM1234型號 西門子觸摸屏 KT600型號 EC傳 感器 量程0 20ms cm 電磁閥 水泵 攪拌減速電 機 壓力傳感器及流量傳感器等組成 結構如圖3 所示 圖3 固體水溶性肥料灌溉設備控制系統(tǒng)結構 Fig 3 Control system structure for solid water soluble fertilizing irrigation equipment PLC內置的高速計數器接入流量傳感器NPN脈 沖輸入信號 根據傳感器自身的流量與脈沖特性關系 換算得到管道流量值 模擬量拓展模塊輸入類型分為 電流和電壓 EC值傳感器使用系統(tǒng)默認的0 20mA 電流信號輸入 壓力傳感器選取0 10V電壓信號輸 入 將輸入的信號分別對應傳感器的量程進行換算得 到肥液的EC值和管道壓力值 PLC以開關量輸出的 方式控制水泵與攪拌減速電機工作狀態(tài) 滿足進水管 道流量穩(wěn)定與肥料加速溶解的工作需求 通過PWM 輸出控制吸肥管道電磁閥占空比 將肥料注入混肥管 道進行實時的EC值調控 PLC通過PN IE接口與觸 摸屏進行信息交互 觸摸屏完成對施肥設備各個傳感 器參數的實時監(jiān)控 同時在線更改肥液EC參數值設 定 根據當前設定值進行控制算法的參數調整 實現 肥料濃度的有效調控 3 3 PID控制器設計 在實際的工程應用中 PID控制系統(tǒng)是應用最為 廣泛的閉環(huán)控制系統(tǒng) 13 其原理是 將被控對象的設 定值與測量原件測量出的過程值進行比較 將差值輸 入PID控制器進行運算 執(zhí)行元件根據控制器輸出值 進行調節(jié) 比例 P PID控制器計算一個與誤差成 比例的項 單純使用比例調節(jié)會使系統(tǒng)產生穩(wěn)態(tài)誤 差 積分 I PID控制器計算一個與誤差積分成比 例的項 使用積分控制消除純比例調節(jié)產生的穩(wěn)態(tài)誤 差 微分 D PID控制器計算一個與誤差導數成比 例的項 根據偏差的變化速度進行調節(jié) 用于具有大 滯后的控制系統(tǒng) 智能施肥機使用西門子S7 1200PLC作為主控 器 此款PLC集成有 PID Compact 指令塊 指令塊的 算法公式為 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輸出值 Kp 比例增益 s 拉普拉斯運算符 b 比例作用權重 w 設定值 x 過程值 TI 積分作用時間 TD 微分作用時間 a 微分延遲系數 c 微分作用權重 3 4 模糊PID控制器設計 模糊PID控制器由模糊控制器與PID控制器兩部 分組成 結構如圖4所示 圖4 模糊PID控制器結構框圖 Fig 4 Block diagram of the fuzzy PID controller structure 系統(tǒng)將EC傳感器的采樣值與設定值的偏差e輸 39 2024年2月 農 機 化 研 究 第2期 入PID控制器 同時將偏差e和偏差變化率ec輸入模 糊控制器 經過模糊化和模糊推理以及解模糊后 得 到PID控制器的3個參數修正量 KP KI KD 這3 個參數分別用于在線修改式 4 中的KP TI TD 實現 電磁閥占空比控制調整肥液EC值 3 4 1 模糊控制器參數設計 EC值偏差Ee的計算過程為 Ee tnull null E tnull null E tnull null Ee tnull null E tnull null E tnull nullnull 6 其中 E t 為期望EC值 E t 為實際EC值 EC值偏差變化率Eec的計算過程為 Eec tnull null Ee tnull null Ee t 1null nullnull null Es 7 其中 Es為采樣時間 因此 偏差Ee的基本論域為 6 6 偏差變化率 Eec的基本論域為 3 3 選取 KP KI KD基本 論域為 0 3 0 3 0 06 0 06 3 3 將輸入 量和輸出量模糊子集取為 NB 負大 NM 負中 NS 負小 ZE 零 PS 正小 PM 正中 PB 正 大 基本論域需要通過量化因子將基本論域離散 化轉到模糊子集的模糊論域中 量化因子計算如式 8 9 所示 15 得到輸入 輸出量量化論域為 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 誤差量化因子 Kec 誤差偏差量化因子 e1 e2 偏差e的基本論域 ec1 ec2 偏差變化率ec的基本論域 3 4 1 隸屬度函數設計 隸屬度函數的形狀對模糊控制器的性能影響很 大 采用計算量小 內存占用小的三角分布隸屬度函 數 如圖5所示 圖5 隸屬度函數 Fig 5 Affiliation function graphs 3 4 2 模糊控制規(guī)則建立 為使模糊PID控制器能夠穩(wěn)定 可靠地控制肥液 EC值 根據智能施肥機中EC值變化規(guī)律和使用人員 的經驗 綜合考慮智能施肥機系統(tǒng)的穩(wěn)定性 動態(tài)過 程平穩(wěn)性及響應速度等因素建立控制規(guī)則表 16 17 如表1所示 表1 參數KP KI KD糊控制規(guī)則 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 農 機 化 研 究 第2期 3 4 3 去模糊化 在智能施肥機控制系統(tǒng)中 通過模糊推理得到 PID的3個控制參數是模糊量 并分別根據KP KI KD 的j j 1 2 49 條模糊規(guī)則進行三者的隸屬度 KP j KI j KD j 計算 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 對于實際的模糊PID控制系統(tǒng) 要求模糊控制器 最終傳送給PID控制器的是精確量 因此需要進行去 模糊化處理 本研究采用加權平均法進行去模糊化操 作 18 則 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 為對應的模糊子 最 終求得 KP KI KD PID控制參數KP KI KD的計 算公式為 KP KP0 KP KI KI0 KI KD KD0 KD null null null nullnull nullnull 16 其中 KP 0 KI0 KD0為KP KI KD的初始值 4 試驗與應用 試驗在西南林業(yè)大學試驗場地進行 試驗裝置如 圖6所示 試驗時 通過水泵與減壓閥為進水管道提 供恒定壓力 保持進水管道壓力310kPa 吸肥管路最 大吸肥量Q1 0 2L s 肥料攪拌裝置將礦源黃酸腐鉀 型固體顆粒水溶肥攪拌至完全溶解配 制成EC 6ms cm的溶液 實際試驗過程中 使用觸摸屏設定 目標EC值為母液濃度的35 通過TIA Portal V15 軟件進行系統(tǒng)響應曲線采樣 采樣周期2s 連續(xù)測量 3min 圖7為兩種控制策略系統(tǒng)響應曲線的對比圖 圖6 固體水溶性肥料灌溉施肥設備 Fig6 Solid water soluble fertilizers irrigation and application equipment 圖7 控制策略系統(tǒng)響應曲線 Fig 7 Control strategy system response curve 由圖7可知 在同一目標EC值設定下 模糊PID 控制系統(tǒng)相較于純PID控制系統(tǒng)設定值更新后 可直 接控制系統(tǒng)進行輸出且達到穩(wěn)態(tài)時間縮短40s左右 具有系統(tǒng)響應快 EC值波動幅度小的優(yōu)勢 模糊PID 控制策略配比水肥所需時間130 140s 這表明 使用 模糊PID控制系統(tǒng)可以滿足水肥配比灌溉需求 5 結論 針對固體水溶性肥料自動化精準施肥問題 設計 了一種用于固體水溶性肥料灌溉施肥設備 設備配 有的肥料攪拌裝置滿足固體水溶性肥料的高效溶解 與無雜質肥料母液輸出 肥液EC值精準調控系統(tǒng)在 59 2024年2月 農 機 化 研 究 第2期 使用PLC自身集成的 PID Compact 模塊的基礎上將 模糊控制應用于PLC 試驗結果表明 系統(tǒng)在響應速 度和超調量方面滿足實際需求 參考文獻 1 劉俊萍 朱興業(yè) 袁壽其 等 中國農業(yè)節(jié)水噴微灌裝備研 究進展及發(fā)展趨勢 J 排灌機械工程學報 2022 40 1 10 2 馬富裕 劉揚 崔靜 等 水肥一體化研究進展 J 新疆農 業(yè)科學 2019 56 1 10 3 付強強 鄭瑞永 李萬和 等 固體水溶性肥料生產工藝現 狀 J 磷肥與復肥 2019 34 5 3 4 夏彬蕓 陳紅 李善軍 等 滴灌條件下水溶性肥料對灌水 器堵塞影響 J 中國農業(yè)科技導報 2019 21 7 8 5 趙春江 智慧農業(yè)發(fā)展現狀及戰(zhàn)略目標研究 J 智慧農 業(yè) 2019 1 1 7 6 李紅 湯攀 陳超 等 中國水肥一體化施肥設備研究現狀 與發(fā)展趨勢 J 排灌機械工程學報 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 劉林 李揚 楊坤 等 大田移動式精量配肥灌溉施肥一體 機設計與試驗 J 農業(yè)機械學報 2019 50 10 10 9 夏華猛 李紅 陳超 等 溶解混施水肥一體化裝置自動控 制系統(tǒng)研制 J 排灌機械工程學報 2019 37 1 6 10 張志洋 李紅 陳超 等 溶解混施水肥一體化裝置設計 與試驗 J 節(jié)水灌溉 2018 4 4 11 王海華 付強 孟繁佳 等 模糊與PI分段調控肥液EC 的優(yōu)化設計與試驗 J 農業(yè)工程學報 2016 32 15 7 12 朱德蘭 阮漢鋮 吳普特 等 水肥一體機肥液電導率遠 程模糊PID控制策略 J 農業(yè)機械學報 2022 53 1 6 13 王景芝 基于PID控制技術的噴霧機均勻化作業(yè)設計 J 農機化研究 2021 43 4 4 14 劉華波 西門子S7 1200 PLC編程與應用 M 北京 機 械工業(yè)出版社 2011 15 賀剛 蔡曉華 白陽 等 基于模糊PID的犢牛代乳粉奶 液溫度控制系統(tǒng)設計與試驗 J 農業(yè)機械學報 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 姚潁飛 陳學庚 紀超 等 基于模糊PID控制的玉米精 量播種機單體驅動器設計與試驗 J 農業(yè)工程學報 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 platform for comparison The ex perimental results show that the use of fuzzy PID control strategy can significantly improve the system performance 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 農 機 化 研 究 第2期