灰色预测模糊PID灌溉控制技术开发

针对节水自动灌溉中的水肥比例调节和灌溉精度低的控制问题,设计了基于PID控制、模糊控制和灰色预测控制相结合的控制算法,在PID控制的基础上,通过模糊规则进行模糊推理,查询模糊矩阵表进行参数自整定,从而实时调整PID各项参数,加入多因素灰色预测MGM(1,n)解决时滞现象,进行有效的预测作物的需水量,达到对系统的精确灌溉控制。运行测试:该系统与常规PID控制相比,超调量降低了14.68%,系统的调节时间减少了86.62%;比较模糊PID控制,超调量略上升了1.9%,同时调节时间减少了77.71%;并验证了其在水肥浓度和肥量精量控制中,系统响应速度快和实时性好,稳定,大幅度提高了水肥灌溉效果。     

水肥一体化自动精准灌溉施肥设施技术的研究和实现

水肥一体化精准灌溉施肥技术是将施肥与灌溉结合在一起的一项精准农业新技术,它借助灌溉系统,将由固体肥料或液体肥料配兑而成的肥液一起均匀、准确输入到作物根部土壤,有效控制灌溉水量和施肥量,提高水肥利用效率。本文论述了水肥一体化精准灌溉施肥基本构成以及应用成效,自动精准滴灌施肥机的工作原理、技术性能。对施肥装置、混合装置、过滤装置、EC/PH检测监控反馈装置、精准灌溉施肥模糊控制技术进行探索研究,提出了实现水肥一体化自动精准灌溉施肥主要技术途径。     

基于PSO-BP优化PID模型的水肥控制系统研究

针对传统灌溉施肥方式无法切实满足作物生长需求和水肥资源浪费严重的问题,设计一种基于PSO和BP神经网络优化PID模型的水肥控制系统。系统通过结合作物种植环境水肥浓度信息,利用PSO和BP神经网络算法优化PID控制参数,以解决水肥施灌过程中系统的非线性、时变性和滞后性等问题。综合MATLAB/simulink仿真试验结果可知,利用PSO和BP神经网络优化的PID控制模型较传统PID控制模型系统响应速度提高9.33%,调节时间缩短72.24%,超调量仅为PID控制的11.78%,优化效果较好。系统试验结果表明,施灌过程中系统控制稳定,在一定程度上达到水肥浓度精准控制的效果,具有实际应用价值。     

基于Fuzzy-Smith控制器的营养液pH值调控系统研究

pH值的控制是水肥一体化营养液循环控制系统的重要环节,水肥控制过程中pH值在最优控制范围内有利于根系的发育以及多数矿物质的吸收。营养液调控过程中,由于循环管路以及酸液的缓慢扩散,使得pH值调节过程存在很大的时滞,传统PID难以取得良好效果。本研究根据被控对象特点,建立了描述该过程的数学模型,设计开发了一套具有二次混肥特性的以MSP430单片机为主控的营养液pH值控制系统。由于参数自整定模糊PID不需要精确数学模型以及Smith预估可对纯滞后进行补偿的特点,开发的系统将参数自整定模糊PID控制引入Smith预估当中,既缓解了滞后时间对控制系统的影响,又对模型的不精确性进行了补偿。为了验证该算法以及系统的有效性和优越性,分别对PID、Fuzzy-Smith控制算法进行仿真测试,同时在不同灌溉量下进行性能试验。试验结果表明,在不同灌溉量下Fuzzy-Smith控制算法pH值的平均最大超调量为0.83%,营养液pH值从8.0调节为6.0的平均时间为157s,优于常规PID控制的2.55%和189s。     

基于蝙蝠优化BP-PID算法的精准施肥控制系统研究

水肥一体化技术在棉花、小麦、番茄等大田农作物种植场景中的应用逐渐增多。当前能够快速有效调整大田农作物水肥一体化系统中肥料流量的控制算法研究较为有限。由于水肥一体化系统存在时变性、滞后性与非线性的特点,常见的PID与BP-PID控制算法无法获得预期的控制效果。为此设计一种基于蝙蝠算法（BA）优化的BP神经网络PID控制器。通过采用BA对BP神经网络的初始权值进行优化,加快了BP神经网络的自学习速度,实现对水肥一体化系统中肥料流量的快速精准控制,从而降低了超调量、提高了响应速度。同时,基于STM32单片机搭建了水肥一体化流量调节测试平台,并对该控制器的性能进行了试验验证。结果表明,与常规PID控制器和基于BP神经网络的PID控制器相比,所设计的控制器具有较高的控制精度和鲁棒性,降低了由时滞性、非线性等因素引起的影响。平均最大超调量为4.78%,平均调节时间为41.24s。特别是在施肥流量为0.6m3/h时,控制器表现出最佳的综合控制性能,达到了精准施肥的效果。     

基于精确灌溉的气象数据采集器的设计

为了测量作物蒸发蒸腾量实现精确灌溉,必须对影响作物生长的气象因子,如温度、湿度、光照度、风速和气压等参数进行采集。大量研究表明,温度对蒸腾量的影响最为显著,湿度与光照度次之,风速与气压的影响最小[1]。针对上述情况,基于AVR单片机Atmega128、温湿度传感器SHT11、环境光传感器BH1750和SD卡设计一款气象数据采集装置,能够实时地对环境的温度、湿度和光照度进行采集、显示和存储。经试验测试,该装置具有良好的稳定性。     

不同灌溉方式下温室湿度变化及对青椒生长的影响

以土壤含水率下限作为灌水控制指标,即60%~70%占田持,灌水定额为15 mm,研究了小管出流、渗灌、滴灌与沟灌4种灌溉方式下温室内湿度的变化趋势以及对青椒生长情况的影响,并分析了不同灌溉方式下的作物病虫害发病率以及灌溉方式和温室内大气湿度的相关性。结果表明,灌溉方式和温室内大气湿度相关性显著,不同灌溉方式下的湿度差异明显,其中渗灌条件下温室的大气湿度最低。温室内温度和湿度呈异步变化,当温室温度控制在25~28℃范围内,可使温室内的湿度保持在低水平范围内,减少病虫害发生。渗灌条件下作物病虫害的发生率最小,与小管出流较接近,比沟灌降低约35%;而且渗灌条件下青椒的产量最高,为34650 kg/hm2。滴灌、渗灌和小管出流较沟灌增产分别为17%、39%、34%。     

水肥一体化滴灌技术在果园中的应用

在农业经济发展进程中,果园水肥由于受到相关因素的影响及限制,水肥合理利用仍存在较大问题。这就需要在原有灌溉技术上进行优化改善,从节省人力、物力及提升肥料利用率来看,水肥一体化滴灌技术的效果较好。该技术不仅能对果园温度和湿度进行控制,还能减少环境污染问题。因此,在水肥一体化滴灌技术实际应用阶段,应当重点掌控以下几个技术要点,使其能效发挥至最大,为果园中作物的正常生长奠定基础。本文就水肥一体化在果园中的应用进行了阐述和分析。     

基于云平台的智能精量水肥灌溉控制系统设计

进行了基于云平台、PLC及HMI技术的自动灌溉控制系统的设计,考虑到不同类别、不同生长阶段的植物对不同肥料元素的需求量不同,采用肥路与水路流量实时调节控制技术来实现不同肥素浓度的精准配比,研究在普通PID控制策略的基础上应用了灰色预测模糊PID灌溉控制算法来提升水肥控制的精度,融合EC、p H传感技术,形成反馈回路,保证混合液中设定植物所需EC、p H值的检测精度。研究精量水肥灌溉控制系统功能需求,开发了一套客户端智能控制组态软件,可实现人机互动、灌溉监控、数据存储、数据查询等功能,采用基于WIFI或GPRS的数据无线传输技术,完成了水肥灌溉设备与物联网云平台的通讯,具有电脑、手机、微信多终端的灌溉数据监测和开关量控制的功能,实现了水肥灌溉设备的信息化、无线化、智能化、小型化。     

溶解混施水肥一体化装置自动控制系统研制

为了提高溶解混施水肥一体化装置的施肥均匀性,解决水肥调控时灌溉量和质量浓度的综合控制问题,设计了溶解混施水肥一体化装置的自动控制系统.采用STM 32微控制器作为控制核心,通过肥料质量浓度标定试验,确定肥液质量浓度和电导率之间的关系,由电导电极及相关检测电路对出口肥液的质量浓度实时在线检测,将肥液质量浓度信号反馈回处理器,并生成控制信号,构建闭环控制回路;采用半桥式电路驱动直流水泵调节供水流量,采用PWM脉宽调制方法实时改变固体肥料添加速度,使出口的肥液质量浓度更加均匀、稳定.试验测定了装置施肥性能,结果表明在加入控制系统实时调节后,装置出口水肥溶液的均匀系数提高了31.46%.