溫室大棚溶解混施智能施肥機設計與實現

王鐵廣,李文勤,陳可飛,邢 凱,肖 灑,方賽銀,李 明,2

(1.西南林業大學 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)

0 引言

近年來,我國現代農業不斷發展,針對水資源與化肥資源同時短缺的情況,采取節水節肥方式是綠色農業發展的必由之路[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分含量高、貯存和運輸方便、包裝要求低等優點,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,在現代農業發展中占有重要地位。施肥設備是水肥一體化系統的關鍵設備,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展創新。劉林等[8]開發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,使用單片機控制固體肥料進入肥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,動態調節肥料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 系統總體設計

溫室大棚溶解混施智能施肥機系統由肥料攪拌單元、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。

肥料攪拌裝置分為兩種工作狀態:狀態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

(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)可變為

(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

(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

(4)

3.2 控制系統結構設計

溫室大棚溶解混施智能施肥機控制系統主要由西門子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,滿足進水管道流量穩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控制系統是應用最為廣泛的閉環控制系統[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,執行元件根據控制器輸出值進行調節。比例(P):PID控制器計算一個與誤差成比例的項,單純使用比例調節會使系統產生穩態誤差。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產生的穩態誤差。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,用于具有大滯后的控制系統。

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]

(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

系統將EC傳感器的采樣值與設定值的偏差e輸入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ΔKP、ΔKI、ΔKD,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

(6)

其中,Eξ(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

(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ΔKP、ΔKI、ΔKD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}。

(8)

(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 模糊控制規則建立

為使模糊PID控制器能夠穩定、可靠地控制肥液EC值,根據智能施肥機中EC值變化規律和使用人員的經驗,綜合考慮智能施肥機系統的穩定性、動態過程平穩性及響應速度等因素建立控制規則表[16-17],如表1所示。

表1 參數KP、KI、KD糊控制規則Table 1 Parameters KP,KI,KD paste control rules

3.4.3 去模糊化

在智能施肥機控制系統中,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)條模糊規則進行三者的隸屬度μKP(j)、μKI(j)、μKD(j)計算,即

μKP(j)=min{μr(j)(e),μr(j)(ec)}

(10)

μKI(j)=min{μr(j)(e),μr(j)(ec)}

(11)

μKD(j)=min{μr(j)(e),μr(j)(ec)}

(12)

對于實際的模糊PID控制系統,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

(13)

(14)

(15)

其中,μKP(j)、μKI(j)、μKD(j)為對應的模糊子,最終求得ΔKP、ΔKI、ΔKD。PID控制參數KP、KI、KD的計算公式為

(16)

其中,KP0、KI0、KD0為KP、KI、KD的初始值。

4 試驗與應用

試驗在西南林業大學試驗場地進行,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軟件進行系統響應曲線采樣,采樣周期2s,連續測量3min。圖7為兩種控制策略系統響應曲線的對比圖。

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控制系統相較于純PID控制系統設定值更新后,可直接控制系統進行輸出且達到穩態時間縮短40s左右,具有系統響應快、EC值波動幅度小的優勢,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值精準調控系統在使用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,系統在響應速度和超調量方面滿足實際需求。