大田移動式精量配肥灌溉施肥一體機設計與試驗

劉 林 李 揚 楊 坤 苑 進 郝 明

(1.山東農業大學機械與電子工程學院， 泰安 271018； 2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室， 泰安 271018)

0 引言

我國大力發展現代化集約型農業，通過水肥一體化技術，將水肥溶液按比例由管路定時、定量、同步供給作物，實現節水節肥、高產增收的效果，已廣泛應用于農業各領域的經濟作物栽培[1]。但在大田糧食作物生產中，受到工況、成本、動力等方面制約，水肥一體化技術難以開展推廣應用，水肥供應不同步現象嚴重。通過設計大田移動式精量配肥灌溉施肥一體機，將大田廣泛使用的顆粒水溶肥料按比例摻混，在控制灌溉量和施肥精度基礎上，提高系統的易用性、移動性、復用性，方便設備接入田間灌溉網，實現設備即插即用功能，有利于降低系統投入成本，提高農田投入產出比，對促進水肥一體化技術在大田中的應用有重要意義。

在國外已有的水肥一體化系統研究成果中，較有代表性的是以色列Eldarshany 公司提供的系列化自動灌溉施肥產品[2]，其使用先進的Galileo/Elgal系列計算機控制系統，結合靈活多變的組態化操作界面能夠為用戶提供專家級灌溉施肥服務；加拿大CCS公司研發了主動精確注肥水肥一體機(PDI 技術)管理系統[3]，應用于溫室氣候管理及灌溉系統；以色列Netafim公司則作為滴灌技術的發明者，將灌溉施肥產品進行了標準化、規格化[4]。在國內，李加念等[5]設計了文丘里變量灌溉施肥裝置，采用PWM技術控制電磁閥改變文丘里進出口壓力差，準確調節吸肥量；阮俊瑾等[6]設計了一種能實現自動灌溉、施肥、配方、混肥為一體的球混式水肥灌溉系統，但該系統主要解決面向溫室大棚領域的液態肥料混合問題；周亮亮[7]研制了溫室灌溉施肥控制系統，采用基于PLC 模糊系統控制，可依據作物需求供給水和養分。

已有相關研究多針對設施農業開展，直接抽取液體肥料進行混合灌溉，缺少大田環境下采用顆粒水溶肥料實時配比摻混、溶解灌溉的相關研究成果。本文研究大田水肥一體化技術，針對大田環境動力受限、系統投入成本高、顆粒肥實時比例摻混溶解等問題，設計大田移動式精量配肥灌溉施肥一體機；研究全自動灌溉施肥時間分配模型和母液濃度動態計算方法；設計實現一體機中央控制系統，研究并集成快速穩定母液濃度的控制算法；最后通過在大田環境中對試制樣機開展自動化灌溉施肥試驗，驗證一體機系統的可行性和實用性。

1 工作原理與機械結構設計

1.1 工作原理

大田移動式精量配肥灌溉施肥一體機(圖1)的機械部分包括移動行走架、精量配肥裝置和首部樞紐裝置。其中，移動行走架便于一體機在田間移動，精量配肥裝置用于肥料比例摻混溶解和母液濃度動態調控，首部樞紐裝置用于輸送灌溉水和肥料母液，并為微噴帶提供灌溉壓力。

圖1 一體機結構示意圖Fig.1 Schematics of integrated machine structure1.肥料漏斗 2.移動行走架 3.母液罐 4.主管道流量傳感器 5.母液罐出水管 6.注肥泵 7.主管道 8.電磁閥 9.支管道流量傳感器 10.母液罐進水管 11.排肥口 12.攪拌電機 13.工控觸摸屏 14.EC值顯示器 15.蓄電池 16.控制箱

圖2 移動式大田精量配肥灌溉施肥一體機原理圖Fig.2 Schematic of mobile precision fertilizer farmland irrigation and fertilization machine

農戶通過手持式測墑儀測量即時墑情，并在一體機上輸入測墑信息、補灌面積和作物類型，一體機針對不同作物的灌溉施肥農藝要求計算施肥量和灌溉量，由中央控制單元實現全自動變比配肥、母液濃度動態計算調控和灌溉施肥控制。

一體機整體結構原理如圖2所示。中央控制單元由工控觸摸屏和下位機PLC控制板組成，其中工控觸摸屏提供交互式良好的人機界面，PLC控制板提供對注肥泵、排肥電機、攪拌電機和電磁閥的驅動支持，并負責實時采集進出口流量、EC值(電導率)等信息。注肥時，通過在母液罐安裝的EC傳感器，實時監測母液濃度，控制排肥電機的轉速調節肥料配比和排肥量，經溶解、攪拌作用后使母液濃度穩定在設定值，再由注肥泵將母液泵入主管道，實現肥料“隨排、隨配、隨注”。母液罐進出口管道上分別裝有流量傳感器，母液配制過程中，可通過液位傳感器檢測母液罐中的液位，再通過控制電磁閥和注肥泵使母液罐內水的體積保持穩定。

1.2 移動行走架

移動行走架由不銹鋼焊接而成，底部四角裝有2個萬向輪和2個定向輪，采用手推式結構，便于移動和轉向。架上固定有精量配肥裝置、首部樞紐裝置和中央控制系統等部件，整機采用蓄電池供電，解決了田間動力供應問題。

1.3 精量配肥裝置

圖3 精量配肥裝置結構示意圖Fig.3 Structure diagram of precision fertilizer dispensing device1.肥料漏斗 2.步進電機 3.螺旋輸送器 4.排肥口 5.液位傳感器 6.攪拌過濾器 7.母液罐

精量配肥裝置由肥料漏斗、排肥電機、螺旋輸送器以及攪拌過濾器組成，如圖3所示。

工作時，精量配肥裝置由步進電機通過減速器、聯軸器驅動螺旋輸送器，推進肥料在排肥口落入母液罐的過濾網桶中，經攪拌過濾器溶解。螺旋輸送器的型號可根據施肥量計算得到，選用螺旋葉片直徑為[8]

(1)

式中D——螺旋葉片直徑，m

Qf——肥料輸送量，t/h

ρ——物料松散密度，t/m3

φ——填充系數

K——物料特性系數

c——傾角系數

本文中選取肥料輸送量Qf=0.07 t/h，以尿素為準，物料松散密度ρ=1.335 t/m3，查DT Ⅱ《固定式帶式輸送機設計選用手冊》填充系數φ=0.3，查手冊取物料特性系數K=0.063 2，傾角系數c=0.46。將上述參數代入式(1)中，可得螺旋葉片直徑D=0.04 m。水平布置時，螺距和螺旋軸直徑為

S=K1D

(2)

d=K2D

(3)

式中S——螺距，mm

d——螺旋軸直徑，mm

K1——螺距系數，一般為0.8～1.0

K2——螺旋軸直徑系數，一般為0.2～0.35

選取螺距系數K1=1.0，螺旋軸直徑系數K2=0.25，將上述參數代入式(2)和式(3)，計算得螺距S=40 mm，螺旋軸直徑d=10 mm。

最終選擇螺旋葉片直徑為40 mm，螺旋軸直徑為10 mm，螺距為40 mm的螺旋輸送器。

攪拌過濾器主要對過濾網桶、攪拌電機和攪拌葉片進行選型。一般地，選擇100目以上的過濾網就能滿足水肥一體化的技術要求。攪拌葉片類型通過查詢《攪拌與混合設備選用手冊》，可知肥料溶解宜選用渦輪式攪拌葉片。此外，樣機中選用直流攪拌電機, 由蓄電池供電,其額定功率PM計算式[9]為

(4)

其中

Ps=K3PvV

(5)

式中Ps——攪拌軸功率，kW

Kq——啟動時的額定功率系數，一般為1

Pm——軸密封處摩擦損失功率，kW

η——傳動系統機械效率，一般為0.8～0.9

K3——功率倍數，一般為1.2～1.8

Pv——平均攪拌功率，一般為0.3～0.4 kW/m3

V——母液罐溶液體積，m3

因樣機的攪拌軸內嵌入母液罐中，認為軸密封處摩擦損失功率Pm=0，傳動系統的機械效率η=0.8，取功率倍數K3=1.2，平均攪拌功率Pv=0.4 kW/m3，母液罐容量V=0.06 m3，經計算最終選用攪拌電機額定功率為36 W。

1.4 首部樞紐裝置

首部樞紐是集中安裝于系統進口部位的加壓、調節、控制、凈化、施肥、保護和測量等設備的集成，是為了正確選擇和合理配置有關設備和設施，以保證微灌系統實現設計目標[10]。

首部樞紐裝置主要包括過濾器、電磁閥、母液罐、注肥泵、液位傳感器、母液罐進水管和母液罐出液管。首先，灌溉水經管道引入首部樞紐裝置，在首部的管道分為兩路：一路水肥溶液經主管道輸送至田間管網；另一路通過母液罐進水管將水輸送進母液罐進行母液配置，母液再經注肥泵注入到主管道中。母液注入主管道之前，需經過攪拌過濾器和安裝在母液罐出水管120目的過濾器的兩級過濾，防止母液雜質注入灌溉管網中。

在配置母液時，為確保母液罐內液體的體積保持穩定，安裝液位傳感器，來實時測量母液罐中液體的液位，并通過電磁閥的通斷控制母液罐中溶液的體積。此外，汽油機水泵作為整個管道系統的總動力，根據實際情況也可以選用潛水泵，考慮到水泵體積重量以及工作環境，不把水泵放在一體機內部，在灌溉施肥時需將一體機與水泵現接現用。

根據農藝要求[11]，小麥灌水定額為每667 m2的地塊灌水40～80 m3，考慮到移動性和時間效率問題，可選擇水泵流量為60 m3/h。

注肥泵流量需滿足

Q1≥Q0/K4

(6)

式中Q1——注肥泵流量，m3/h

K4——母液稀釋倍數

Q0——水泵流量，m3/h

根據農藝要求和生產經驗，母液稀釋倍數K4≥100，可滿足灌溉施肥要求，求得注肥泵流量Q1≥0.6 m3/h。

注肥泵出口壓力

p1>p0

(7)

式中p1——注肥泵出口壓力，MPa

p0——主管道壓力，MPa

在低壓管道輸水灌溉中，其管道壓力一般不超過0.4 MPa[11]，可求得注肥泵出口壓力p1>0.4 MPa。

綜上所述，注肥泵流量取10 L/min，壓力取0.6 MPa。

2 全自動灌溉施肥時間分配模型

工作時，一體機通過設定的流程進行全自動灌溉施肥，按照大田灌溉農藝對灌溉施肥時間分配模型進行設計。通過在山東省多地市開展生產調研，以大田微噴灌水肥一體化技術為例，設計3段式灌溉施肥時間分配模型：第1階段為灌溉階段，通過噴灑一定灌溉水增加土壤濕度，軟化土壤，減緩肥液在根的周圍下滲速度，利于肥料吸收；第2階段為灌溉施肥階段，一體機將比例摻混好母液泵入主灌溉管道，實現大田同步灌溉施肥的目的；第3階段為灌溉階段，一體機停止泵入母液，主管道內繼續灌溉一定水量，利用灌溉水沖刷主管道和支管道，清除管道內肥液殘留，避免微生物在管道內滋生。

2.1 灌溉水量計算

單次灌溉水量計算與作物類型、生長期、土壤含水率有關。參照桑曉光等[12]的方法，通過儀器法實測數據計算單次灌溉水量，灌水定額公式為

M=100H(Wcvt-Wcva)

(8)

式中M——灌水總量，m3/hm2

H——測墑土層深度，cm

Wcvt——目標土壤體積含水率，%

Wcva——補灌前用儀器法測得的土壤體積含水率，%

以小麥為例，田間持水率取19.7%，土壤容重取1.37 g/cm3，不同生長期目標土壤含水率如表1所示[13]。

2.2 灌溉時間模型設計

考慮到一體機在第2階段泵入的水肥量遠小于主管道流量，可計算出總灌溉時間tz為

(9)

表1 小麥不同生長期目標土壤含水率Tab.1 Water content of target soil in different growing periods of wheat %

式中Q——主管道流量，m3/h

tg1——第1階段灌溉時間，h

ts——第2階段灌溉施肥時間，h

tg2——第3階段灌溉時間，h

第1階段灌溉時間取決于灌溉水在地層中的滲透速度和深度。為保證營養水分的充分吸收，作物在不同生長期對土層灌溉深度都有不同需求，以小麥不同生長期為例，其計劃濕潤地層深度范圍如表2[11]。

表2 小麥不同生長期計劃濕潤層深度Tab.2 Depth of planned wetting layer in different periods of wheat cm

第1階段灌溉時間tg1為

(10)

式中hs——初始灌溉水滲透深度，cm

vs——灌溉水滲透速度，cm/s

灌溉水滲透速度與土壤入滲速率、土壤初始含水率、土壤容重、孔隙度等物理性質有關，不同區域存在很大差異。灌溉時可以通過土壤濕度傳感器，實時監測計劃土層濕度，動態調控灌溉時間tg1。此外，結合山東省多地市調查數據，實際灌溉時tg1可采用經驗值代替，在粗略計算時取tg1≥10 min，可以滿足大多數土壤類型的灌溉需求。

第2階段時間分配決定了灌溉施肥濃度的大小。灌溉施肥濃度過大作物吸收后會引起細胞質壁分離，嚴重時會造成細胞缺水而死亡，灌溉施肥濃度過小則對肥料吸收和作物生長不利。在測量方法中，施肥濃度通常以肥液中電導率(EC)的形式反映，肥液濃度與EC呈線性關系。根據李加念等[14]提出的肥液濃度與其電導率線性關系函數可以計算出相對應的濃度。具體函數關系式為

ρz=0.209x-0.026

(11)

式中ρz——肥液濃度，%

x——肥液電導率，mS/cm

以小麥為例，施肥時EC一般在1～3 mS/cm范圍內，根據式(11)計算濃度范圍是0.18%～0.6%。考慮到相對于整個灌溉施肥過程，肥料溶解時間可忽略不計，計算ts為

(12)

式中ρz_min——作物施肥濃度的下限

ρz_max——作物施肥濃度的上限

Cs——單次追肥量

一般來說，第3階段時間tg2可以通過總灌溉時間tz分別減去第1、2階段的時間得到，即

tg2=tz-(tg1+ts)

(13)

另一方面，管道沖刷時間與干管路、支管路、微噴帶的長短及肥料在所有管道內總殘留量有關。假設第2階段結束后，有

(14)

式中Vc——管路內肥料殘留體積

因此，為保證管路沖刷效果，實際中tg2應取

(15)

需要說明的是，ts與tg2存在關聯性，tg2的選擇必然造成ts的浮動，tg2越大ts越小，在施肥量一定情況下，ts應在計算范圍式(13)內調整，在滿足tg2時間設定條件基礎上最終確定時間ts和濃度ρz。

3 母液動態調控方法實現

3.1 母液濃度計算

根據上述分析，母液濃度ρm應該動態維持在一定數值上，該值計算與時間分配模型及施肥濃度ρz有關。根據質量守恒原理，可知

ρmQm=ρzQ

(16)

式中Qm——注肥管道流量

主管道流量和注肥管道流量均由流量傳感器測量得到，因此母液濃度動態設定值為

(17)

通過設計母液動態調控方法，使母液濃度穩定于ρm。

3.2 動態調控模型

目前營養液調控方式大致分為3 類：基于EC 值的營養液調控、基于養分利用的營養液調控和基于作物模型的營養液調控[15-18]。其中，基于EC 值的營養液調控方式操作簡單，實時性強，易于推廣，當前大多數基于液態肥水肥一體化裝備都是采用這種調控方式。本文針對顆粒肥水溶解，研究采用基于EC 值的營養液調控方式進行母液濃度調控的模型。

在一體機母液罐的2個進出水口安裝流量傳感器，考慮到顆粒肥溶解對肥液總體積的變化可忽略不計，故假設母液罐中溶液體積不變，同時假設罐中母液濃度與出水口濃度相同，根據質量守恒可得達到動態平衡時的方程為

(18)

式中ρm(t)——母液罐中母液濃度

ρc(t)——母液罐中出水口濃度

ρ0(t)——母液罐中進水口濃度

P1(t)——排肥機構1顆粒肥排肥量

P2(t)——排肥機構2顆粒肥排肥量

Q0(t)——母液罐進水口流量

Q1(t)——母液罐出水口流量

當系統達到穩態時，有Q0(t)=Q1(t)，ρm(t)=ρc(t)，且進水管取自大田井水，濃度相對于母液罐溶液濃度可忽略不計，即ρ0(t)≈0，則式(18)可簡化為

(19)

單次灌溉時，Q1(t)可看作定值，令Q1(t)=Qd。而排肥量取決于排肥步進電機的轉速，即正比于步進電機的控制脈沖

Pi(t)=KaSi(t) (i=1,2)

(20)

式中Si(t)——第i個排肥電機的控制脈沖

Ka——比例系數

當進行肥料比例混溶時有

S2(t)=KbS1(t)=KbS(t)

(21)

式中Kb——肥料混溶比

因此

(22)

再將其進行拉普拉斯變換可得

Vsρm(s)=KaKbS(s)-ρm(s)Qd

(23)

得到系統傳遞函數G(s)為

(24)

可以看到，肥料母液動態調控模型是1個一階線性系統。由于肥料溶解需要一定延時，得到系統傳遞函數模型為

(25)

式中τ——時滯系數,s

3.3 肥料溶解時間分析

顆粒肥溶解過程是引起系統時滯的主要因素，通過攪拌可以加速肥料溶解，降低系統時滯。由于攪拌速度不同，不同肥料溶解時間也不同，有必要針對不同肥料研究最佳攪拌速度下的系統最小時滯問題。

針對常用追肥類型開展試驗，選取水溶肥、小顆粒尿素(直徑為0.85～2.8 mm)、大顆粒尿素(直徑為2.8～4.0 mm)和氯化鉀顆粒4種肥料，研究不同攪拌速度與溶解時間的關系。試驗方法為：選取排肥機構中1個螺距所容納的肥料為1個單位，設定攪拌電機在150～850 r/min轉速范圍內，以50 r/min的間隔調整轉速，分別記錄單位質量肥料在不同攪拌速度下的溶解時間，測得試驗結果如表3所示。可以看到，隨著攪拌速度增加，溶解速度逐漸變快，當攪拌速度達到一定值后，肥料溶解時間基本穩定。為簡化系統設計，選取攪拌速度為650 r/min，此時試驗所用水溶肥、小顆粒尿素、大顆粒尿素和氯化鉀的溶解時間分別是8.8、11.5、52.2、53.0 s。

表3 不同攪拌速度下4種肥料的溶解時間Tab.3 Mixing time of four kinds of fertilizersat different stirring speeds s

3.4 調控方法設計

基于以上分析，可知在設定攪拌速度下，不同肥料的溶解時間(即系統時滯)不同。通常，PID控制方法被廣泛應用于肥液濃度調控[19]，且對于時滯較小的系統能夠達到較好的控制效果，但對于時滯較大的系統，普通PID控制方法的效果很差，甚至很難保證系統的基本穩定[20]。

Smith預估器是克服系統大延遲環節的一種有效方法, 通過預估對象的動態特性, 用一個預估模型來進行時間延遲補償, 補償器與被控對象共同構成一個不含時滯的廣義被控對象[21-23]，從而有效削弱由系統時滯帶來的影響。

圖5 切換控制策略仿真曲線Fig.5 Smith predictor and PID control strategy simulation curves

因此，針對肥液在母液罐中的不同溶解時滯問題，本文設計了一種切換控制器，集成增量式PID控制方法和含Smith預估器的PID控制方法，設計合理的切換策略，根據肥料類型在控制方法之間自動切換選擇，以消除系統不同時滯現象，設計的切換控制器結構如圖4a所示，含Smith預估器的控制器結構如圖4b所示，Gc(s)為增量式PID控制器，2KaKb/(Vs+Qd)e-τs為被控對象，2KaKb/(Vs+Qd)為被控對象模型，e-τs是純滯后環節，r是系統的輸入，e是系統輸入與輸出偏差，u是控制器的輸出，p是系統實際輸出，d是外部干擾。

圖4 母液濃度切換控制器Fig.4 Mother liquor concentration switch controller

3.5 仿真

為了驗證切換控制對母液濃度調控的有效性，在Matlab軟件Simulink環境中建立母液動態調控模型，進行切換控制算法仿真。

對表3中選用的肥料和溶解參數進行仿真，針對水溶肥、小顆粒尿素、大顆粒尿素和氯化鉀分別設定系統仿真時滯為8.8、11.5、52.2、53.0 s。并針對以上系統時滯，設定PID參數[24-25]，繪制切換控制策略下的濃度變化曲線，及單獨采用PID或含Smith預估器PID的響應曲線，如圖5所示。

從圖5中可看出，試驗用水溶肥和小顆粒尿素時，簡單PID控制系統要比Smith預估控制的響應曲線效果明顯，從100 s就開始接近穩定；試驗用大顆粒尿素和氯化鉀時，簡單PID控制系統雖然出現超調量，但達到穩定時間仍快于Smith預估控制。而再隨著延遲時間的增大可以看出簡單PID控制系統超調量變大而且不穩定，Smith 預估控制效果明顯優于簡單的PID控制， Smith 預估控制的響應曲線從大約120 s就已經處于穩定狀態。從而說明在母液動態調控過程，自適應切換控制會根據不同延遲的時間選用不同的控制方法，在小的時滯時可選用簡單PID控制系統，在大的時滯時Smith預估控制系統對參數變化適應能力強。

4 控制系統設計與控制方法實現

一體機控制系統由以PLC為核心的下位機和友好人機界面的工控觸摸屏組成，其中工控觸摸屏與下位機之間通過485接口進行通信，用于執行數據采集處理、灌溉施肥量決策及灌溉施肥實時操作，包括數據實時采集模塊、數據通訊模塊、灌溉施肥量決策模塊、灌溉施肥執行模塊和工控觸摸屏，如圖6所示。

圖6 一體機控制系統原理圖Fig.6 Schematic of control system

數據實時采集模塊采集流量傳感器和EC傳感器的數據并通過數據通訊模塊傳輸到PLC，通過安裝在工控觸摸屏的應用軟件及時顯示采集的數據，為母液的配置提供數據支持。灌溉施肥量決策模塊主要作出灌水量和施肥量的決策，通過測墑儀測得墑情進行測墑補灌，結合農藝補灌策略確定施肥類型以及施肥量。灌溉施肥執行模塊進行母液配制和灌溉施肥階段分配。母液配制過程中根據計算母液濃度設置EC參考值，并設置合理的排肥速度和攪拌速度，母液配制完成后分配灌溉施肥階段進行3段灌溉施肥。工控觸摸屏具有良好的人機交互功能，可以顯示灌溉施肥過程中各個模塊的工作狀態，以及以觸摸操作的方式設置EC值、排肥速度、注肥量等參數。一體機的工作流程圖如圖7所示，根據輸入的灌溉施肥信息，計算出灌溉量和施肥量，并由中央控制單元實現全自動化灌溉施肥時間分配、母液濃度動態調控和灌溉施肥作業。

圖7 一體機工作流程圖Fig.7 Integrated machine work flow chart

5 試驗

5.1 試驗方法

針對建立的灌溉施肥時間分配模型和肥料母液動態調控數學模型，對大田移動式精量配肥灌溉施肥一體機分別進行灌溉施肥過程中注肥時間試驗和母液配制試驗(圖8)。

一體機的整個系統是由基于PLC的嵌入式控制器控制母液濃度動態調控過程。母液罐的進出管均安裝LWGY液體渦輪流量傳感器，確保進出管中液體的流量相同，傳感器量程為0.6～6 m3/h，精度為0.5%，母液罐進水管安裝24 V電磁閥，出水管安裝額定流量為10 L/min的注肥泵。排肥機構由57BYG250C步進電機驅動，扭矩為1.8 N·m。母液濃度由EC傳感器實時監測，EC傳感器的量程為0～10 mS/cm，精度為0.01 mS/cm。水肥一體化整個系統的操作可在工控觸摸屏上進行，可實現混肥配方、實時檢測、精量注肥等操作，整個過程實時采集的流量、EC、pH值數據通過RS485總線上傳到工控觸摸屏進行記錄。整個系統由2塊12 V、20 A的直流蓄電池供電，可持續工作。

圖8 試驗現場Fig.8 Test scenario

一般農作物灌溉施肥時肥液EC小于3 mS/cm，試驗設定EC為1 mS/cm。母液罐中裝有50 L的清水，經測清水的EC值為0.277 mS/cm，母液罐的進水管和出液管通過控制電磁閥通斷和調節注肥泵的流量確保進出的流量相等，以使母液罐中保持50 L水不變。以山東地區小麥為例，根據農藝要求，一般在拔節期追肥189 kg/hm2。

5.2 動態性能驗證

設計了給定灌水量和施肥量情況下不同肥料的灌溉施肥試驗，來驗證灌溉施肥時間分配模型的準確性和母液濃度動態性能調控。根據對灌溉施肥時間分析可知，灌溉施肥分3階段進行作業，分別是：先灌溉，再灌溉注肥，再灌溉。試驗使用當地井灌區潛水泵作為水壓源，潛水泵的流量是60 m3/h。根據農藝以及作物長勢確定追肥量為每667 m2地塊13 kg，經計算灌水量是50 m3，總共需要灌溉50 min。第1階段灌溉時間是10 min，可根據實際情況進行調整。根據第2階段灌溉施肥時間計算公式可以計算出第2階段的時間為21～72 min，結合整個灌溉時間，取30 min。剩余為第3階段的灌溉時間。灌溉作業時用秒表開始計時直到灌溉結束，同時EC傳感器對母液進行電導率測量并記錄數據，用電導率變化顯示灌溉施肥3個時間階段的變化。試驗結果如圖9所示。

圖9 4種肥料的電導率試驗結果曲線Fig.9 EC value test result curves of four kinds of fertilizer

從圖中電導率變化曲線可以看出灌溉施肥過程分為灌溉、灌溉施肥和灌溉3個階段。以水溶肥為例，8 min時排肥機構開始排肥，接近10 min時母液罐中肥液的電導率達到設定值1 mS/cm，這是第1階段灌溉時間。母液罐中肥液的電導率達到設定值時開啟注肥泵開始注肥，同時進水管電磁閥開啟，實現邊進水、邊排肥混肥、邊注肥，這是第2階段灌溉施肥時間，本階段持續時間較長，約為30 min。剩余則是第3階段灌溉時間，約為10 min。經對比，試驗數據與理論計算值基本吻合。同時，可以看出4種肥料基于自適應切換控制母液濃度達到穩態的時間分別約為2、3、4、5 min，這說明基于自適應切換控制的方法能夠根據不同肥料快速實現母液的動態調控，可有效地減小延遲時間。

6 結論

(1) 針對顆粒肥在大田水肥一體化過程中母液動態調控時滯問題以及灌溉施肥時間分配問題，設計了移動式大田精量灌溉施肥一體機。根據一體機工作原理，建立灌溉施肥時間分配模型，簡化顆粒肥母液動態調控的數學模型，并提出灌溉施肥自適應切換控制算法。

(2) 使用Matlab軟件的Simulink進行自適應切換控制算法的仿真并經過現場試驗，結果表明：一體機可根據3階段的灌溉施肥制度完全實現全自動化灌溉施肥作業，且自適應切換控制會根據不同延遲的時間選用不同的控制方法，快速實現母液的動態調控，有效減小延遲時間。