基于偏微分算法的水肥一體機系統設計

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,農業灌溉技術不斷走向成熟,各類型的水肥一體裝備不斷被投入市場,大大提升了農作物的生產效率。綜合反饋來看,其可很好地滿足農作物生長需求,且與單一的灌溉或單一的施肥相比水肥利用率更高。從國內外的研究現狀來看,尤其是國內狀況,多數水肥一體機在物聯網、智能化等網絡平臺實現了系統化控制管理,但精準施灌方面還有待提升,一些專家學者已經應用了相關泛函方法、模糊控制等理論進行了設計。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,擬采用數學偏微分算法控制理論,從階數優化及反饋精度等方面針對某型號的水肥一體機系統進行探究。

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裝置,通常由遠程控制端與本地執行端兩大部分組成。其中,遠程控制包含了云平臺環境參數的獲取、處理及傳遞等部件;本地執行則重點布置可實現灌溉、施肥的執行部件,如EC/pH傳感器、電控閥、執行泵等。水肥一體機系統通過一定的監測手段將水路模塊與供肥模塊分別運轉,再通過中間合并措施實現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 偏微分算法系統設計

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,結合當前的偏微分數學應用階數,選定1-2-3-4的四級網絡拓撲為實現切入點,著重考慮系統執行的偏差對比與調控因素,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—系統執行作業的瞬時刻;

x—系統水肥混合液的管路歷經長度;

T—系統管路內部溫度;

v—系統水肥混合液的管路速度;

t*、x*、T*、v*—對應實際參數的相對值;

h—系統管路高度差;

ρ—系統水肥混合液的密度;

cp—系統水肥混合液的熱系數;

Q—系統管路某一長度內的流量。

針對模型的功能需求進行整體性設計布局,給出用于農作物的水肥一體機作業布局簡圖,如圖1所示。以數據服務平臺為監測出發點,經本機偏微分控制系統,到達監控站點,從而實現施肥板塊、控水板塊的一體機控制;然后,經田間布置的各感知與執行部件實現選定區域的作物灌施。

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

2.2 系統軟件控制

以先前的控制實現為基礎,增設APP端監控,同時將本地的灌溉施肥一體作業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軟件構成簡圖,如圖2所示。

圖2 基于偏微分算法的水肥一體機系統軟件構成簡圖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調控程序前后貫連,使系統的EC/pH參數、壓力、流量等參數控制便利。偏微分算法著重對水肥配比進行監測調整,在主程序的子模塊根據程序功能需求設PWM與PLC的互補運算。

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

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

2.3 系統硬件配置

以充分有效實現整機系統的偏微分控制為總體目標,細分各模塊的功能執行,其參數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,針對整機的系統硬件進行核心參數采集器選型,如表1所示。其中,隔離模塊選用AMD2875收發裝置。一方面消除其余各項參數的干擾,另一方面可更好地實現隔離功能增強,提供高速精準的參數數據傳送,對于后續的施肥泵、電磁閥等執行組件的動作尤為關鍵。

表1 基于偏微分算法的水肥一體機系統核心參數采集器選型

各端子是實現偏微分控制的重要執行節點,如表2所示。通過電源控制、開關量、模擬量及通信與下載五大接線類型,設計基于偏微分算法控制模型下的水肥一體機系統硬件配置(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、灌溉泵及各參數感應裝置,在配比系數、動作時間及灌溉合格等方面進行策略指揮與偏微分調控,達到最優化的水肥一體作業。

表2 基于偏微分算法的水肥一體機系統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 整機作業試驗

3.1 作業條件

選擇一定區域試驗灌溉田地,面積為1000m×800m,灌溉施肥對象為生長初期玉米,依據水肥一體機系統作業流程簡圖(見圖5),進行試驗性灌施及參數性能驗證,從基礎關鍵的作物區感應裝置與機體系統傳感監測兩大路徑實施,并設置核心作業條件如下:

1)系統手動設置與自動設置切換靈活,顯示模塊參數及視圖清晰流暢;

2)灌溉系統的水流量與施肥濃度可控閾值設置合理,配方可靈活選擇;

3)試驗數據記錄具有完整性與導出連續性。

圖5 基于偏微分算法的水肥一體機系統作業流程簡圖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系作為衡量參數之一,選取不同需求的5塊作物待施肥灌溉區域(面積相等,預設的配比系數不等),得到不同配比系數下的偏微分算法水肥一體機系統監測數據統計,如表3所示。由表3可知:以數據傳輸與灌溉精準為原則,處理系統基礎節點、中繼節點與匯聚幾點,獲取系統灌溉參數與人工監測參數;選定5組灌溉施肥區域進行記錄編號,計算理論系統依次從4.00%至2.86%范圍內遞減,條件不變測得實際執行作業過程中系統顯示的執行系數,進行逐一對應;系統執行系數與計算理論系數兩者之間的相對偏差不差過3.00%,最小系統偏差為1.68%,平均系統偏差為2.07%,說明運用偏微分算法控制執行水肥一體作業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監測數據統計Table 3 Monitoring data statistics of fertilizer proportioning coefficient of the water fertilizer integrated machine under the partial differential algorithm %

進一步根據系統執行作業的各監測參數實施有效處理與輸出,選定整機系統的配比準確率、系統穩定性、水分利用率、施肥均勻度及綜合作業效率作為設計評價指標,得到基于偏微分算法的水肥一體機系統設計前后性能參數對比 ,如表4所示。由表4可知:正確運用數學偏微分控制算法及相關求解原理,針對水肥一體機進行設計優化優勢明顯,水肥配比準確率由82.30%提升為91.07%,系統穩定性由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%。由于整機系統的性能動作優化及控制改進,綜合作業效率同等條件下由84.86%提升至92.66%,驗證了系統設計的優越性。

表4 基于偏微分算法的水肥一體機設計前后性能參數對比

4 結論

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

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作業與評價試驗,結果表明:基于偏微分算法的執行機理與控制實現應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。