球混式精准灌溉施肥系统的设计与试验

针对作物灌溉施肥不均匀,存在多施少施,肥料浓度过高等现象严重,该文设计了一种能实现自动灌溉、施肥、配方、混肥为一体的球混式水肥灌溉系统。该文详细描述了灌溉施肥系统的装置结构、自动控制系统、上位机软件设计,研究了配肥子系统特点和控制算法。根据不同作物的不同需要,对营养液的EC值(电导率间接反映营养液的浓度)和p H值(酸碱度)进行精确控制和实时调节,并利用嵌入式技术、变频技术、自动控制技术以及计算机信息技术开发灌溉施肥自动控制系统,实现灌区的自动灌溉施肥。试验证明,该系统EC、p H值调节品质好,性能稳定可靠,组装简便,操作人性化,实用性强,有利于推广使用。该研究为精准灌溉施肥系统的进一步研究提供了参考。     

模糊与PI分段调控肥液EC的优化设计与试验

设施蔬菜生产中对肥液电导率(EC)的精量调控是实现智能灌溉的关键技术之一。肥液混合过程中,由于母液浓度、吸肥方式和灌溉流量等存在差异,试验检测到的EC值会产生滞后和不稳定现象。针对上述问题,本研究设计了一种通过测量频率间接得到肥液电导率的传感器,并以MSP430单片机为主控制器构建了一套水肥调控试验系统。同时,在肥液调控方法方面设计了粗细分段控制策略,控制方法均为以输出相应的占空比来控制吸肥电磁阀的开闭。当实测EC值与目标EC值相差较大时,采用PI控制方法,能够快速缩小差距;而当两者偏差较小时,采用模糊控制可以使混肥EC值逼近设定值。此外,试验利用多管路复合式文丘里,设计了4组不同的EC目标值和4种不同的吸肥管路组合进行吸肥测试。结果表明,EC传感器间接测量到的频率与实际肥液EC值有显著的线性关系,决定系数为0.999 5,保证了测试精度。当目标EC值设定为2 m S/cm时,分段控制情况下实测EC达到稳态的用时为122 s,最大EC值为2.34 m S/cm,优于采用单PI控制的180 s和2.62 m S/cm。且目标EC值越大,稳态EC值越精确,但是稳态时延和过量超调现象更明显。本研究表明分段调控能够较好地克服EC值的过量超调,同时混肥时间和实测EC值能够满足实际需求。     

肥液氮素浓度在线检测装置研制

为实现肥液自动混合过程中氮素浓度的实时检测,设计了一个检测装置,该装置主要由硝酸根离子选择电极、电极信号调理电路、温度传感器、数据采集以及显示电路组成。在10-6~10-1 mol/L范围内配制了一系列标准浓度的NO3-溶液,对该检测装置进行了性能测试试验:1)以标准毫伏计PHS-3CT作为对比,测试了装置对电极响应电势的测量准确性,其相对误差最大为5.2%;2)在5~45℃范围内,分析了离子选择电极的温度变异性,结果表明电极响应电势随着待测溶液温度升高而呈线性变化,在此基础上采用最小二乘法的逐步拟合方法建立了温度参数模型,并对模型进行了验证,其测量误差最大为9.2%;3)采用固定干扰法分析了Cl-、SO42-、H2PO4-和HPO42-等4种干扰离子对装置测量结果的影响,结果表明Cl-引起的干扰最大,电极对Cl-的敏感性是NO3-的0.2%,因而肥液中少量的干扰离子对测量结果的影响不大。因此,该装置可满足工程上自动混肥过程中氮素浓度检测的应用要求。     

自控变频调速式灌溉水注肥装置的研究

为现代农业节水灌溉与精准施肥所需的配套注肥装置的开发,研究采用输液泵将肥料原液和酸碱调节液强行注入灌溉管网,并与灌溉水按比例混合获得一定浓度和酸碱度(EC & pH)的灌溉液。灌溉液浓度和酸碱度通过EC传感器和pH传感器检测并反馈PLC控制系统,通过变频调速进行EC值与pH值动态调节,实现节水灌溉系统的精准施肥灌溉。采用自控变频调速技术的灌溉水注肥装置经过实际运行,完全满足设计要求,可实现灌溉液的正常输送和EC值与pH的动态调节。特别是射流自吸泵变频调速技术的实现,不仅有效实现了灌溉液浓度（EC值）的动态调节,同时降低了设备成本,完全可用于节水灌溉注肥装置的开发。     

基于脉宽调制的文丘里变量施肥装置设计与试验

为利用文丘里施肥器实现变量施肥,基于脉宽调制(pulse width modulation,PWM)技术设计了一种水肥一体化变量施肥装置,它主要由压力变送器、文丘里施肥器、脉冲电磁阀及控制器组成。通过改变PWM的占空比对脉冲电磁阀进行控制以改变文丘里施肥器进出口压力差,从而改变文丘里施肥器的吸肥量。以压力变送器检测管道入口压力,通过试验标定的方法将入口压力转化为相应的流量信息,从而获得施肥量和施肥质量分数。在多个入口压力水平下进行了试验,试验结果表明:电磁阀PWM控制的最佳频率为6 Hz;入口流量与入口压力呈线性正相关关系,决定系数为0.9936;施肥装置的最佳入口压力范围为0.15～0.25 MPa,在此压力范围内改变PWM的占空比对电磁阀进行控制,可实现施肥质量分数在1.25%～9.13%范围内可调。     

脉宽调制间歇喷雾变量喷施系统的静态雾量分布特性

由于脉宽调制(PWM)间歇喷雾式变量喷施系统的间歇喷雾特性,其雾量分布均匀性较难控制,为此该文采用隔膜泵、比例溢流阀、高速开关电磁阀、TR80-05型空心圆锥雾喷头和工控机测控系统等构建了一套PWM间歇喷雾式变量喷施试验系统,并对其静态雾量分布特性进行了试验研究。在不同喷雾压力、不同PWM信号频率和占空比下,采用矩阵式雾量收集装置对PWM喷头的静态雾量分布进行了测试,并采用非线性回归分析法确立了喷雾压力0.3MPa、PWM信号频率2Hz、不同PWM信号占空比下的集雾单元尺度上的静态雾量分布模型。结果表明:TR80-05型空心圆锥雾喷头的静态雾量分布模型呈中心对称的圆环状,且近似符合二维双正态分布;随喷雾压力的增大,雾量沉积量增加,且雾量分布圆环区域半径增大;PWM信号占空比与雾量沉积量近似呈正比关系,而对雾量分布圆环区域半径的影响较小;PWM信号频率对静态雾量分布影响很小。     

设施果园自动对靶精准变量施肥控制系统

针对目前果园条施肥过程中缺乏精准变量对靶施肥装置的问题,该研究研制了一种排肥轮槽口体积可根据果树目标施肥量及冠层直径大小自动调节,排肥轮转速随施肥车速自动变化的果园精准变量自动对靶施肥装置与控制系统。该装置采用外槽轮式结构,槽口体积可连续调节自动变化。采用激光雷达传感器实时探测果树冠层位置,使用霍尔传感器检测施肥车行驶速度,以STM32F407VET6单片机为核心设计了控制器。分别以尿素、复合肥、有机复合肥3种颗粒肥料为试验材料,标定了不同排肥轮槽口开度在不同排肥轮转速下的排肥量,单个槽口排肥量与排肥轮转速呈负线性关系,决定系数R2不小于0.93;建立了单棵果树目标施肥量与排肥轮转速、施肥车速、槽口体积以及果树冠层直径4个变量之间的关系及排肥轮转速控制规则。室内台架试验结果表明,单棵柑橘树实际施肥量与给定目标施肥量相对误差最大为5.17%,变异系数最大为1.47%,可在施肥车速变化情况下准确施用不同颗粒肥料。大棚柑橘果园自动对靶施肥试验结果表明,单棵柑橘树实际施肥量与给定目标施肥量相对误差最大为4.83%,变异系数最大为6.96%,且施肥均在果树冠层直径范围内完成。该装置能够根据果树冠层直径大小对靶按需施肥,适应不同种类颗粒肥的少量或较大量定量施肥,满足不同大小果树不同需肥量的精准变量自动施肥要求。     

基于PWM的电控精量喷嘴体设计与试验

针对现有农田施药系统变量喷雾精准化程度低、喷头不能独立控制等问题,该研究设计了具备流量调节功能的电控精量喷嘴体。根据精量喷雾系统工作需求,基于电磁学理论设计了由电磁线圈、定铁芯、阀芯和复位弹簧组成的电磁吸合机构,实现阀芯的高频往复运动。结合喷嘴体水流通道结构和阀芯往复运动过程,设计了阀芯末端型式和双向通水阀,实现水流的通断控制。采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,PWM）信号控制电磁吸合机构的动作状态,改变每个周期内出水通道的开启时间,实现喷头流量的实时调节。设置不同的PWM信号频率和占空比、水泵压力,并采用高速相机测量电控精量喷嘴体在不同压力下单个周期内的喷雾时间,验证所设计的电控精量喷嘴体的工作性能。试验结果表明,当PWM信号频率为20 Hz、系统压力为0.3 MPa时,阀芯可开启的最小占空比为7%,阀芯可关闭的最大占空比为96%;在占空比区间[7%,96%]内,单个周期喷雾时间的平均相对误差为7.5%,相对误差最大值为55.1%;在占空比区间[20%,96%]内,单个周期喷雾时间的平均相对误差为3.1%,相对误差最大值为13.1%。说明该电控精量喷嘴体在占空比[7%,19%]范围内控制效果较差,在占空比[20%,96%]范围内具备良好的控制稳定性和准确性,能够满足精量喷雾的基本要求。     

葡萄防寒布平整卷收速度控制系统设计与试验

针对中国新疆地区葡萄防寒布平整卷收难的问题,该研究分析了防寒布平整卷收原理,并设计了葡萄防寒布平整卷收速度控制系统。该系统可自动检测防寒布的卷收状态,在平整卷收状态时采用增量式PID算法输出PWM（Pulse Width Modulation）信号,基于机具前进速度和布辊半径实现防寒布卷收速度的实时调节;在偏斜卷收状态时通过调节卷布辊轴转速改变卷布辊轴实时转速相对于目标转速的超前或滞后关系,使防寒布恢复平整卷收状态。通过在Simulink中建立电机PID控制模型进行仿真。通过直流电机转速静态标定试验得到电机转速与PWM信号占空比的对应关系。防寒布自动调偏性能试验验证了本文方法的可行性,优化得到激光开关传感器与防寒布边缘的距离为20 mm。由直流电机转速调节性能试验对仿真试验结果进行校验,得到优化后的稳态响应时间约为0.4 s,响应延迟约为0.1 s。田间试验结果表明,防寒布卷收平整度均大于90%,平均为92.78%,满足防寒布卷收作业要求。研究结果可为葡萄防寒布回收机的设计与优化提供技术参考。     

基于太阳能的微灌系统恒压供水自动控制装置研制

微灌系统入口水压的稳定性影响着微灌的均匀性以及自动混肥装置的混肥精度。为采用自流滴灌的中小规模灌溉管网提供恒定的入口水压,采用太阳能供电驱动隔膜泵DP-60提水的方式,研制了一个恒压供水自动控制装置。该装置利用液位传感器YZ-YO-LAG1在线检测建设于高处的蓄水池的水位,根据水位信息控制DP-60提水至蓄水中,并使其水位在滴灌过程中维持于某一固定高度来实现恒压供水。蓄水池的水位检测信息及DP-60的启停通过无线通信模块CC1100进行无线传输和控制。通过光伏容量设计,确定了太阳能电池板的功率为60W、蓄电池的容量为60A·h。为最大程度利用太阳能,通过试验标定了太阳能板输出功率与太阳辐射传感器TSL230输出频率的关系,并根据太阳能板实际输出功率和蓄电池荷电状态,自动选择直接以太阳能板或蓄电池为DP-60供电。在测试DP-60性能以及无线通信可靠性的基础上,对装置进行了6个多月的实际应用试验,装置运行稳定,且在整个滴灌过程中蓄水池的水位误差小于1cm。     

地下滴灌系统施肥灌溉均匀性的田间试验评估

该文对影响地下滴灌系统性能的两个重要因素施肥装置类型和滴灌带埋深进行了田间评估.施肥装置包括国内外常用的压差式施肥罐、文丘里施肥器和比例施肥泵三种类型,滴灌带埋深包括0、15和30 cm 3个水平.结果表明,滴灌带埋深与施肥装置类型对滴头流量和灌水量均匀性的影响均未达到显著性水平(a=0.05),而施肥装置类型对施肥量均匀性的影响达到极显著水平(a=0.01).对给定的毛管埋深而言,压差式施肥罐的施肥量变差系数高于比例施肥泵和文丘里施肥器.对不同施肥装置的施肥量变差系数与灌水量变差系数之间关系的回归分析结果指出,比例施肥泵和文丘里施肥器的施肥量变差系数与灌水量的变差系数相当,但压差式施肥罐的施肥量变差系数比灌水量变差系数大40%左右.因此在进行微灌系统设计时应将施肥装置类型和性能作为一个因素加以考虑,并宜优先选用输出肥液浓度恒定的施肥装置.     

电磁阀开关模式下文丘里施肥器吸肥特性研究

水肥一体化技术是提高化肥有效利用率的重要手段之一,而基于脉宽调制的电磁阀控制模式是调节吸肥量的主要技术手段,但关于电磁阀连续开关模式下的文丘里施肥特性缺乏详细的阐述。该文在5通道的管道式在线混合的水肥一体化试验平台上,采用霍尔流量传感器测试了单一通道在0.3、0.5、1、2 s的开阀时间内瞬时吸肥量变化、不同开关阀时间下单次开关的平均吸肥量变化、不同关阀时间下10次连续开关下的平均吸肥量变化,采用脉冲修正法计算吸肥流量。试验结果表明,在电磁阀连续开关模式下,基于脉冲修正法的测量精度比基于有效脉冲数法更高,在开阀持续时间为0.3～2 s时间内,其相对误差均低于4%。在最大蓄能和放能时间内,文丘里施肥器的吸肥量随开阀时间变长而减小,随关阀时间的变长而增大。单次开关下的施肥器吸肥特性试验结果显示,施肥器的最大蓄能时间(抽真空)为10 s,而最大放能时间(吸肥量稳定的时间)为1 s。该研究可为智能变量水肥一体机设计及应用提供技术支撑。     

自动双环入渗仪设计与试验

为克服传统双环入渗仪的供水不稳定、读取和记录数据工作量大的问题,该文基于定水头法测量导水率的原理,设计了一种高效的自动双环入渗仪。该入渗仪采用非接触式电容感应液位传感器来监测内环和外环内的水位（精度<1.5 mm）;将激光测距传感器（精度<1 mm）安装在圆柱形蓄水器的顶部,以连续自动监测供水量;高精度液位控制系统与电磁阀组合以保持恒定水头。通过理论分析,增大蓄水器中的液面与双环中的液面之间的压力差,可使自动双环入渗仪的初始供水速率远高于马氏瓶的初始供水速率。自动双环入渗仪的精度和可靠性试验于2019年7月至2019年10月在中国农业大学绿苑试验场进行,并进行了该自动双环入渗仪和传统双环入渗仪之间的比较。试验结果显示,在选定土壤的稳定入渗阶段,用马氏瓶测量的稳定入渗速率为0.068 5 cm/min,该自动双环入渗仪的稳定入渗速率为0.068 7 cm/min,自动双环入渗仪实测数据与Philip的理论入渗模型计算结果吻合（R2>0.99）。结果表明,该自动双环入渗仪的自动化测量结果可靠,对今后土壤水分入渗过程研究提供了更加高效的手段。     

3WY-A3型喷雾机变量喷雾实时混药控制试验

为依据作物对药液的实际需求进行变量喷施,达到节约农药和保护环境的目的,该文针对3WY-A3手推式喷雾机,设计了一种实时混药式变量喷雾系统.该系统主要包括混药装置、差压流量计、流量控制阀和控制系统硬件及软件等.通过实时混药控制试验,结果表明,药流量的控制范围为0.1～0.9 mL/s,误差在士5％左右.该研究可为实时混药...     

基于双吸肥口的低压文丘里施肥器设计与试验

为降低文丘里施肥器的吸肥临界进口压力,使之适用于低压灌溉施肥系统,设计了一种双吸肥口文丘里施肥器。选取喉管收缩比、收缩段角度、扩散段角度和喉管长径比4个结构参数,采用正交试验设计方法,构建16种结构参数组合方案,运用CFD模拟技术对每种方案的吸肥性能进行模拟,以吸肥性能为评价指标确定最佳结构参数组合,并根据最佳结构参数组合试制文丘里施肥器原型样品,并在0~0.15 MPa进口压力范围内对其吸肥性能进行分析。结果表明,最佳结果参数为:喉管收缩比为0.3、收缩段角度为20?、扩散段角度为8°、喉管长径比为1.1。最佳结构文丘里施肥器试制样品实测结果与模拟分析结果一致,在相同进口压力下各个实测值均略小于模拟分析值,实测与模拟吸肥量、进口流量比、肥液浓度和吸肥效率的均方根误差分别为0.22 L/min、0.96%、0.93%和0.68%。在相同进口压力下,相比于相同结构参数的单吸肥口文丘里施肥器,模拟得出的吸肥量提高了90%,进口流量比提高了85%,肥液浓度提高了80%,吸肥效率提高了80%,表明双吸肥口施肥器的吸肥性能比单吸肥口施肥器有较大提高;双吸肥口施肥器实测临界进口压力为0.007 MPa,当进口压力为0.05 MPa时其吸肥浓度可达13.6%,与现有文丘里施肥器相比,在获得同等或更高的吸肥性能时具有更低的工作进口压力,更适用于低压滴灌系统。     

微灌系统压差式施肥罐施肥性能试验研究

压差式施肥罐是中国应用最多的微灌施肥装置,但尚未形成明确的运行操作规程。该文对不同施肥量和压差条件下施肥罐出口肥料溶液浓度的动态变化进行了测试和分析。试验中施肥量选用13、26 kg两个水平,通过施肥罐的压差选用0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 MPa 6个水平,而所有试验中施肥罐出口压力固定为0.10 MPa。研究结果表明：通过施肥罐的流量随压差的增大呈幂函数关系增加,施肥罐出口肥液浓度随时间持续减小,施肥开始阶段尤为明显;由于压差是影响肥液浓度变化的最主要因子,为了在微灌系统内获得均匀的肥料分布,保证施肥开始后和施肥过程中压差稳定至关重要。该文还建立了可用于估算肥液浓度动态变化和肥液浓度衰减为零时的回归模型。     

基于计时与光照法的坡面径流量及含沙量动态检测系统

针对坡面径流及泥沙含量传统测量方法存在精度不高且难以在坡面现场在线同步测量的问题,该文提出了一种基于计时法和光照法的径流量与含沙量测量方法,设计了坡面径流量及泥沙含量同步在线检测的自动检测系统。阐述了该系统中机械装置和电子测控的设计方案和工作原理,并设计了光照法测量含沙量的辅助试验系统。通过试验,发现影响含沙量测量精确度的主要因素为光源与光敏传感器之间的距离及溶液中泥沙分布均匀度,揭示了A/D转换值随含沙量变化而单调变化的规律。通过试验获得了溶液搅拌最佳电机转速为428 r/min,并运用最小二乘法和统计学理论对数据进行分析,确定了当该系统的光源和光敏传感器之间的距离为30 mm时,光照法测量含沙量的精确度最高。最后,将试验结果与理论计算值进行对比,结果表明除了浓度为1~3 kg/m3的溶液所测得的泥沙含量误差率较大外,其余溶度的误差率均小于1%,论证了光照法测量含沙量的可行性。该研究可为推进水土保持动态监测理论方法及技术提供参考。