精準水肥藥一體化灌溉控制系統

孫鋒申+馬偉順+李合菊

摘 要

在實際耕作過程中，存在著大水漫灌、過量施肥、注藥等情況，大大降低了水肥藥的利用效率，造成資源浪費。為了應對這一問題，本文對水肥藥一體化系統進行了探討，分析了水肥藥一體化系統工作原理，并探討水肥藥一體化系統中的模糊控制器設計問題及其程序開發問題。

【關鍵詞】模糊控制 水肥藥一體化

所謂的水肥藥一體化系統，就是指在灌溉系統中，將灌溉水、肥料及藥液準確地輸送到植物根部，然后通過植物的全生長周期進行水肥藥的配比。通過定時、定量地供給植物，到達省水、省肥、省藥的目的。

1 水肥藥一體化系統工作原理分析

水肥藥一體化系統，主要有灌溉系統、施肥系統、施藥系統、注酸系統、混合系統以及控制系統等幾個部分組成。通過系統的多種模式運用，不僅可以實現獨立的澆水灌溉、灌溉施肥以及灌溉施藥操作，也能進行水肥藥的一體化操作。根據需要進行不同的操作方式，以滿足不同情況下的作物水肥藥需求。由于整個水肥藥一體化系統的控制功能龐大，為了簡化系統的操作難度，可以針對不同情況進行控制，模糊控制可用于肥液和酸液的混合控制，其他控制系統一般采用邏輯控制的方式進行。

當系統僅實現單一的水灌溉功能時，灌溉泵會將灌溉水壓入灌溉管道，并經過控制閥、流量表、壓力表、止回閥、集液器等設備，最后進入混合罐中，并經管道進行灌溉。其中，壓力表、流量表、控制閥等分別接入控制箱與單片機連接，并通過CAN總線與觸摸屏相連。這樣，觸摸屏在控制管道壓力、流量及開關狀態的同時，就能夠實現對整個灌溉的邏輯控制功能。

當系統實現灌溉施肥功能時，注酸系統、注肥系統和灌溉系統啟動，灌溉水、酸液和肥液分別經灌溉泵、注酸泵和注肥泵進入混合罐中，各壓力表、流量表、控制閥等分別接入控制箱，并將數據顯示于觸摸屏上。操作人員通過觸摸屏設定各管道的流量。由于灌溉施肥控制系統較單純的灌溉功能更加復雜，因此，在注酸量及注肥量方面采用邏輯控制的方式，其執行需要靠注酸及注肥管道上的電磁閥來進行。而酸堿濃度及肥液濃度的控制，則可采用模糊控制的方式，其執行需要靠拖動注酸泵及注肥泵的電動機。

當系統實現灌溉施藥功能時，注酸系統及灌溉水系統啟動，其運行與灌溉施肥功能相似。由于藥液與水相容性較高，因此不會出現延遲的情況，可通過邏輯控制方式控制注藥系統。

當系統實現灌溉、施肥和施藥的同步運行工作時，控制注水泵、注酸泵、注肥泵、注藥泵同時運行，并進行水肥藥的一體化控制操作。注意，若藥液對混合液的pH值及電解率影響不大，則可將藥液與混合液混裝于一個罐中，以達到降低成本的目的。若藥液對混合液的pH值及電解率影響較大，則需要另加裝一個混合罐。

2 水肥藥一體化系統中的模糊控制器設計分析

模糊控制器是一種集合模糊語言變量、模糊集合論以及模糊邏輯推理在內的一種計算機控制系統。其能夠通過模擬專家構造語言信息，而形成一種控制策略，并通過這種策略解決一系列復雜的控制問題。

2.1 水肥藥一體化系統中的模糊控制器結構分析

模糊控制器結構應在盡量簡單的同時，提高其控制的準確性及穩定性。為了降低系統的復雜程度，酸堿度控制與肥液濃度控制，可分別采用兩個單輸出雙輸入的模糊器進行控制。下面就以肥液濃度控制為例，分析模糊控制器結構。

如圖1為肥液混合模糊控制器原理圖，從左至右，其中，設定值r就是肥液的設定目標濃度；Δe則為其濃度偏差的變化率；c為濃度偏差；K1、K2、Ku為量化因子；y則為實測肥液濃度。在整個模糊控制器中，濃度偏差c及偏差變化率Δe作為控制器的輸入條件，注肥泵的拖動電機速度V，可以看做是輸出量。在整個肥液混合模糊控制器中，其輸入輸出變量模糊語言詞匯的數量通常五到七個左右，并根據實際情況確定具體數量。需要注意的是，肥液混合系統的延遲比較大，而混合罐中混合方式也會對混合的速度造成一定的影響，從而使EC傳感器檢測值的波動性更大。因此Δe及e的模糊語言值及其論域等級都不宜設置過多。

2.2 水肥藥一體化系統中的模糊控制規劃分析

在整個水肥藥一體化系統中的模糊控制規劃中，操作人員要根據實際經驗、系統運行特性及實際運行效果，不斷的優化模糊控制策略，從而使得輸出模糊變量的控制規則更加有效。

3 水肥藥一體化控制系統的程序開發分析

要保持水肥藥一體化控制系統的正常有序運行，還需要進行相應的控制程序應用開發，可運用美國的LabVIEW軟件進行模塊化的設計工作，并運用G語言進行相應的程序編寫。整個應用程序中包括：系統交互界面、單獨灌溉模塊程序、灌溉施藥模塊程序、灌溉施肥模塊程序，以及水肥藥一體化模塊程序等幾個方面。當系統啟動后，通過顯示器進入系統交互頁面以后，就能根據實際的需求選擇相應的灌溉模式。通過整個系統，可以首先設定需要的注水量、注酸量、注肥量、注藥量，并通過EC值與PH值的范圍設定。為后續的系統運行提供參數和條件，設置好這些數值后，就可以開啟灌溉管道、注酸管道、注肥管道以及注藥管道，再將電機及控制閥門的開啟之后，系統就會進入自動運行的狀態。在整個系統的運行過程中，系統會對注水量、注酸量、注肥量及注藥量進行邏輯控制，并通過實時監測，將數據反饋與顯示屏中。當其中的量值偏離了設定要求時，系統會進行調節和報警；混合罐中的EC值和pH值，則采用模糊控制，并通過實時的檢測和反饋，完成其調整策略的實施。當整個系統實施結束后，或者出現設定數值與操作數值嚴重偏離時，系統會停止運行，并切換成操作人員調整模式。

參考文獻

[1]王智乾，柯建宏.基于PLC模糊控制的溫室灌溉控制策略研究[J].浙江農業科學，2011（06）：1428-1432.

[2]周亮亮，柯建宏.基于模糊控制的溫室灌溉施肥控制系統[J].浙江農業科學，2012（12）：1648-1652.

[3]陳水生，孟慶建.基于模糊控制的自動節水灌溉控制系統設計[J].今日科苑，2010（24）：93-94.

[4]張作貴，毛罕平.基于模糊邏輯控制的溫室溫度控制技術的研究[J].農業裝備技術，2004（04）：15-17.