基于偏微分算法的水肥一體機系統(tǒng)設(shè)計

周永濤,賽朋飛,李 圓

(黃河交通學院,河南 焦作 454950)

0 引言

近年來,農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)不斷走向成熟,各類型的水肥一體裝備不斷被投入市場,大大提升了農(nóng)作物的生產(chǎn)效率。綜合反饋來看,其可很好地滿足農(nóng)作物生長需求,且與單一的灌溉或單一的施肥相比水肥利用率更高。從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看,尤其是國內(nèi)狀況,多數(shù)水肥一體機在物聯(lián)網(wǎng)、智能化等網(wǎng)絡(luò)平臺實現(xiàn)了系統(tǒng)化控制管理,但精準施灌方面還有待提升,一些專家學者已經(jīng)應(yīng)用了相關(guān)泛函方法、模糊控制等理論進行了設(shè)計。為了進一步提升水肥濃度比例和水肥最大利用程度,筆者基于當前的研究方式,擬采用數(shù)學偏微分算法控制理論,從階數(shù)優(yōu)化及反饋精度等方面針對某型號的水肥一體機系統(tǒng)進行探究。

1 水肥一體機概述

水肥一體機作為新型的灌溉施肥一體綜合作業(yè)裝置,通常由遠程控制端與本地執(zhí)行端兩大部分組成。其中,遠程控制包含了云平臺環(huán)境參數(shù)的獲取、處理及傳遞等部件;本地執(zhí)行則重點布置可實現(xiàn)灌溉、施肥的執(zhí)行部件,如EC/pH傳感器、電控閥、執(zhí)行泵等。水肥一體機系統(tǒng)通過一定的監(jiān)測手段將水路模塊與供肥模塊分別運轉(zhuǎn),再通過中間合并措施實現(xiàn)精準比例下的水肥配比,進而輸送至田間作物的各個待噴施地段,具有水肥流失少及方便高效的特點。

2 偏微分算法系統(tǒng)設(shè)計

2.1 模型建立

首先,選定適宜、科學的偏微分算法理論作為模型建立核心;然后,結(jié)合當前的偏微分數(shù)學應(yīng)用階數(shù),選定1-2-3-4的四級網(wǎng)絡(luò)拓撲為實現(xiàn)切入點,著重考慮系統(tǒng)執(zhí)行的偏差對比與調(diào)控因素,并將水肥配比液抽象為不可壓縮液體,建立偏微分算法模型為

(1)

式中t—系統(tǒng)執(zhí)行作業(yè)的瞬時刻;

x—系統(tǒng)水肥混合液的管路歷經(jīng)長度;

T—系統(tǒng)管路內(nèi)部溫度;

v—系統(tǒng)水肥混合液的管路速度;

t*、x*、T*、v*—對應(yīng)實際參數(shù)的相對值;

h—系統(tǒng)管路高度差;

ρ—系統(tǒng)水肥混合液的密度;

cp—系統(tǒng)水肥混合液的熱系數(shù);

Q—系統(tǒng)管路某一長度內(nèi)的流量。

針對模型的功能需求進行整體性設(shè)計布局,給出用于農(nóng)作物的水肥一體機作業(yè)布局簡圖,如圖1所示。以數(shù)據(jù)服務(wù)平臺為監(jiān)測出發(fā)點,經(jīng)本機偏微分控制系統(tǒng),到達監(jiān)控站點,從而實現(xiàn)施肥板塊、控水板塊的一體機控制;然后,經(jīng)田間布置的各感知與執(zhí)行部件實現(xiàn)選定區(qū)域的作物灌施。

圖1 用于農(nóng)作物的水肥一體機作業(yè)布局簡圖Fig.1 Diagram of the operation layout of the water and fertilizer integrated machine for crops

2.2 系統(tǒng)軟件控制

以先前的控制實現(xiàn)為基礎(chǔ),增設(shè)APP端監(jiān)控,同時將本地的灌溉施肥一體作業(yè)進行恒定與變頻的實時性融合。以多線控制機理為運行模式,給出基于偏微分算法的水肥一體機系統(tǒng)軟件構(gòu)成簡圖,如圖2所示。

圖2 基于偏微分算法的水肥一體機系統(tǒng)軟件構(gòu)成簡圖Fig.2 Schematic diagram of system software composition of the water fertilizer integrated machine based on partial differential algorithm

其中,偏微分算法控制主程序與水肥一體作業(yè)調(diào)控程序前后貫連,使系統(tǒng)的EC/pH參數(shù)、壓力、流量等參數(shù)控制便利。偏微分算法著重對水肥配比進行監(jiān)測調(diào)整,在主程序的子模塊根據(jù)程序功能需求設(shè)PWM與PLC的互補運算。

針該系統(tǒng)軟件的報警與執(zhí)行條件判定,給出偏微分控制算法下的系統(tǒng)報警模塊功能設(shè)計簡圖,如圖3所示。

圖3 偏微分控制算法下的系統(tǒng)報警模塊功能設(shè)計簡圖Fig.3 Functional design diagram of the system alarm module under the partial differential control algorithm

2.3 系統(tǒng)硬件配置

以充分有效實現(xiàn)整機系統(tǒng)的偏微分控制為總體目標,細分各模塊的功能執(zhí)行,其參數(shù)的采集實時性與實際性是進行精準偏微分控制的保證。首先,針對整機的系統(tǒng)硬件進行核心參數(shù)采集器選型,如表1所示。其中,隔離模塊選用AMD2875收發(fā)裝置。一方面消除其余各項參數(shù)的干擾,另一方面可更好地實現(xiàn)隔離功能增強,提供高速精準的參數(shù)數(shù)據(jù)傳送,對于后續(xù)的施肥泵、電磁閥等執(zhí)行組件的動作尤為關(guān)鍵。

表1 基于偏微分算法的水肥一體機系統(tǒng)核心參數(shù)采集器選型

各端子是實現(xiàn)偏微分控制的重要執(zhí)行節(jié)點,如表2所示。通過電源控制、開關(guān)量、模擬量及通信與下載五大接線類型,設(shè)計基于偏微分算法控制模型下的水肥一體機系統(tǒng)硬件配置(見圖4),在偏微分控制裝置的核心管控下,模塊化分配繼電器裝置、HMI裝置、灌溉泵及各參數(shù)感應(yīng)裝置,在配比系數(shù)、動作時間及灌溉合格等方面進行策略指揮與偏微分調(diào)控,達到最優(yōu)化的水肥一體作業(yè)。

表2 基于偏微分算法的水肥一體機系統(tǒng)控制接線端子分布列表

圖4 基于偏微分算法的水肥一體機系統(tǒng)硬件配置框圖Fig.4 Block diagram of the hardware configuration of water fertilizer integrated machine system based on the partial differential algorithm

3 整機作業(yè)試驗

3.1 作業(yè)條件

選擇一定區(qū)域試驗灌溉田地,面積為1000m×800m,灌溉施肥對象為生長初期玉米,依據(jù)水肥一體機系統(tǒng)作業(yè)流程簡圖(見圖5),進行試驗性灌施及參數(shù)性能驗證,從基礎(chǔ)關(guān)鍵的作物區(qū)感應(yīng)裝置與機體系統(tǒng)傳感監(jiān)測兩大路徑實施,并設(shè)置核心作業(yè)條件如下:

1)系統(tǒng)手動設(shè)置與自動設(shè)置切換靈活,顯示模塊參數(shù)及視圖清晰流暢;

2)灌溉系統(tǒng)的水流量與施肥濃度可控閾值設(shè)置合理,配方可靈活選擇;

3)試驗數(shù)據(jù)記錄具有完整性與導出連續(xù)性。

圖5 基于偏微分算法的水肥一體機系統(tǒng)作業(yè)流程簡圖Fig.5 Operation flow diagram of water fertilizer integrated machine system based on the partial differential algorithm

3.2 過程分析

以水量與肥量之間的配比關(guān)系作為衡量參數(shù)之一,選取不同需求的5塊作物待施肥灌溉區(qū)域(面積相等,預設(shè)的配比系數(shù)不等),得到不同配比系數(shù)下的偏微分算法水肥一體機系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計,如表3所示。由表3可知:以數(shù)據(jù)傳輸與灌溉精準為原則,處理系統(tǒng)基礎(chǔ)節(jié)點、中繼節(jié)點與匯聚幾點,獲取系統(tǒng)灌溉參數(shù)與人工監(jiān)測參數(shù);選定5組灌溉施肥區(qū)域進行記錄編號,計算理論系統(tǒng)依次從4.00%至2.86%范圍內(nèi)遞減,條件不變測得實際執(zhí)行作業(yè)過程中系統(tǒng)顯示的執(zhí)行系數(shù),進行逐一對應(yīng);系統(tǒng)執(zhí)行系數(shù)與計算理論系數(shù)兩者之間的相對偏差不差過3.00%,最小系統(tǒng)偏差為1.68%,平均系統(tǒng)偏差為2.07%,說明運用偏微分算法控制執(zhí)行水肥一體作業(yè)的精度可行性與精確性。

表3 偏微分算法下的水肥一體機施肥配比系數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 3 Monitoring data statistics of fertilizer proportioning coefficient of the water fertilizer integrated machine under the partial differential algorithm %

進一步根據(jù)系統(tǒng)執(zhí)行作業(yè)的各監(jiān)測參數(shù)實施有效處理與輸出,選定整機系統(tǒng)的配比準確率、系統(tǒng)穩(wěn)定性、水分利用率、施肥均勻度及綜合作業(yè)效率作為設(shè)計評價指標,得到基于偏微分算法的水肥一體機系統(tǒng)設(shè)計前后性能參數(shù)對比 ,如表4所示。由表4可知:正確運用數(shù)學偏微分控制算法及相關(guān)求解原理,針對水肥一體機進行設(shè)計優(yōu)化優(yōu)勢明顯,水肥配比準確率由82.30%提升為91.07%,系統(tǒng)穩(wěn)定性由88.50%提升至92.50%,水分利用率由84.45%提升至90.14%,施肥均勻度由83.72%提高為93.28%。由于整機系統(tǒng)的性能動作優(yōu)化及控制改進,綜合作業(yè)效率同等條件下由84.86%提升至92.66%,驗證了系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)越性。

表4 基于偏微分算法的水肥一體機設(shè)計前后性能參數(shù)對比

4 結(jié)論

1)以水肥一體機的功能實現(xiàn)作為設(shè)計出發(fā)點,基于偏微分算法機理,著重考慮水肥配比關(guān)系,通過層次性模塊化的布局思維,進行相應(yīng)的控制優(yōu)化模型搭建及相應(yīng)的系統(tǒng)組件配置,形成完整的灌溉施肥集成式智能系統(tǒng)。

2)以偏微分控制模型下的水肥一體機作為試驗對象,在合理的灌溉施肥試驗田展開系統(tǒng)作業(yè)與評價試驗,結(jié)果表明:基于偏微分算法的執(zhí)行機理與控制實現(xiàn)應(yīng)用可保證配比準確率相對提升8.77%,水分利用率與施肥均勻度都得到較為明顯的提升。