水肥一体化远程自动控制系统设计及试验

结合我国智慧型农业和水肥一体化技术的发展趋势,设计了一套水肥一体化远程自动控制系统。系统由肥料稀释系统、均匀混合系统、远程自动控制系统、监测系统及田间喷灌系统组成,并应用了数据采集、数据处理、无线通讯、智能控制等技术。由可编程控制器(PLC)、无线通讯模块、触摸屏,以及EC、pH传感器、压力传感器、电磁阀、泵等部件构成完整的系统,通过触摸屏对施肥机实现本地控制,借助手机APP或电脑网站可以远距离控制施肥机完成相关指令。样机试验表明:施肥机能够实现远程自动控制,实时显示EC值、pH值、水压值,完成设定的多种施肥方案,准确记录单次水肥用量,吸肥性能较好,长时间运行表现出很好的稳定性。     

基于混合蚁群算法和变论域模糊控制的混肥系统设计

为使水肥溶液更好满足果树养分需求,设计一个果园水肥一体化混肥系统。系统采用液位传感器、pH值传感器和EC值传感器检测水肥溶液参数,采用逻辑控制调节水、肥量和溶液EC值,通过基于混合蚁群算法的变论域模糊控制调节水肥溶液pH值。系统仿真及运行试验表明,该算法能够实时调节伸缩因子,将水肥溶液的pH值保持在7.0,实现水肥溶液pH值的精准调节,满足果树生长需要。     

一体化全自动灌溉施肥机设计与试验

针对目前灌溉施肥设备由各部件分散组装而成,工程设计人员选型、操作者使用均不方便,自动化程度不高、控制精度低等问题,设计了一套针对小型地块集灌溉、施肥、过滤、全自动控制在一个装置内的一体化灌溉施肥机。对设备在不同设定压力、流量、水肥配比参数下的响应时间、精度进行了试验,结果表明:在测试条件下,流量为20 m~3/h时,设定压力为0.1、0.2和0.3 MPa,系统达到稳态的响应时间分别为13、15和18 s;工作压力为0.2 MPa时,设定流量为10、20、30 m~3/h,系统达到稳态的响应时间分别为12、15、18 s;工作压力0.2 MPa、流量为20 m~3/h时,设定水肥比例为500∶1、100∶1,系统达到稳态的响应时间分别为20和32 s。该设备实现了全自动化控制,响应速度较快,精度高。大大简化了水肥一体化系统首部设备的设计和安装,实现了水、肥精量调节,投资低,应用前景良好。     

旁路吸肥式水肥一体化自动施肥机的设计与试验

依据现代农业节水省肥增产的灌溉要求,设计了一款三通道旁路吸肥式水肥一体化自动施肥机。其中混肥系统基于射流器并联,实现对多种单元素液肥的独立吸取;利用进水口及抽吸泵产生的压差,实现液肥吸入和水肥混合液的输出;控制系统以西门子PLC作为控制元件,以西门子EM231模拟量输入模块、以电动比例调节阀为执行部件,通过逻辑程序控制各个执行机构实现对单元素液肥的定量吸取。利用Solid Works完成整机的结构设计建模,运用FLo EFD软件对施肥机的水肥混合情况进行仿真模拟,验证该施肥机可以稳定、均匀、连续的进行水肥的吸入及输出。通过设备选型搭建试验,测得三通道最大吸肥量与仿真分析值最大误差为2%,小于3%,说明设计的三通道施肥机各通道有较高的吸肥精度。     

基于柱塞泵与单片机的可控施肥机设计与喷灌试验

为了实现水肥一体化施肥装备流量精确且无水头损失,设计了一种基于柱塞泵与单片机的高精度可控施肥机,开展了恒流模式下6个流量梯度的喷灌系统施肥均匀性试验;以喷头总流量变化幅度为变量,设计了在1∶10的水肥配比下2种灌溉总流量变化幅度的不同工况,对比启、闭可控施肥机恒定水肥比例模式对水肥一体化支管内肥料浓度稳定性的影响效果.试验结果表明,高精度可控施肥机在流量分别为100,200,400,600,800,1 000 L/h的6种恒流模式时,喷灌均匀系数C_U为99.33%~99.71%、变异系数C_V为0.35%~0.75%;C_U,C_V与施肥机流量分别呈正相关与负相关关系,且喷头喷洒肥液的电导率总平均值E_C_-与施肥机流量之间具有显著的正相关性.在恒定水肥比例模式时,试验组管道内肥液浓度在160 s时趋于稳定,且稳定后肥液电导率与目标值偏差率小于4%.高精度可控施肥机恒流模式试验表明施肥机大流量下施肥均匀性变异系数仅为小流量下的50%,且改变施肥机的流量是水肥一体化喷灌系统实现高均匀度变量施肥的一种有效途径;试验证明恒水肥配比模式可有效减小支管肥料浓度受外界的影响.     

多通道移动式果园灌溉施肥机设计与试验

针对目前果园种植管理过程中灌溉量与施肥浓度控制精度较低、不能动态调整施肥配方等问题，开发了一种多通道移动式果园灌溉施肥机。样机主要由灌溉混肥装置、吸肥装置、水肥参数检测装置、控制系统、牵引式行走装置和动力系统等6部分组成。对吸肥装置关键部件设计正交试验，分析了吸肥器布置方式、吸肥管道管径、过滤器类型、管道排列方式和过滤器目数等不同因素对吸肥性能的影响，确定了最优的吸肥装置结构。开发了精确灌溉施肥自动控制系统，并进行了样机性能测试，结果表明：施肥机可自动完成果园精准灌溉与施肥作业，动态调整施肥配方，灌溉量控制相对误差≤0.54%,EC值控制绝对误差≤0.07mS/cm,母液配比相对误差≤2.00%。     

水肥一体化施肥机关键部件的设计与试验

水肥一体化技术是将灌溉与施肥融为一体的现代农业新技术,在农业生产中提高水肥利用率、减少环境污染等方面具有重要意义。本文对水肥一体化技术中的关键装置展开研究,运用Solid Works三维设计软件建立基于射流泵并联的三通道旁路吸肥式施肥机混肥系统结构,并运用Flo EFD对其进行流场仿真分析及系统性能试验验证,建立有效的混肥系统参考模型。试验结果表明,在2.2 k W抽吸泵作用下,该系统能够实现对水及单元素液肥的稳定均匀吸取功能,且三通道吸肥量实际值与仿真值的最大误差为2.06%,验证了混肥系统结构设计的可行性,为自动施肥机的设计与优化提供了参考。     

水肥一体机肥液电导率远程模糊PID控制策略

为检测水肥一体机肥液电导率(EC),并将其控制在合理范围内,基于物联网技术,设计了远程水肥灌溉控制系统,将自整定模糊PID控制算法引入远程开发者服务终端中,通过模糊PID控制算法调控本地端变频注肥泵的频率进而精准控制EC,并对本地端PID和远程端模糊PID控制算法进行了对比试验验证。结果表明:目标EC越大,稳态EC越精确,但稳态时间和超调量均增大;与传统本地端PID控制相比,该系统响应速度快、EC波动幅度小、稳定,当目标EC为2.5 mS/cm时,稳态时间和超调量分别达到120 s和20.8%,混肥时间和实测EC均能满足水肥控制实际需求。该研究实现了EC的远程模糊PID控制,以及灌溉施肥系统的计算机、手机微信多终端灌溉数据监测和开关量控制。     

水肥一体化施肥机变量吸肥系统的设计与试验

依据现代农业生产中作物施肥与灌溉融为一体的发展趋势,对水肥一体化施肥机的关键部分—吸肥系统进行结构设计及吸肥通道的变量吸肥展开研究。设计了基于射流器并联的水肥一体化施肥机三通道吸肥系统,通过Solid Works三维软件建立水肥一体化水肥一体化施肥机三通道吸肥系统三维结构,并应用Flo EFD对吸肥系统吸肥性能进行仿真分析。构造了5种边界条件方案进行吸肥性能仿真分析对比,并以进口压力0. 5MPa出口压力0. 1MPa为例进行性能试验,结果表明:吸肥系统各通道吸肥精度最高可达98. 1%。对三吸肥通道的变量吸肥进行了控制器及管道机械部件的设计,并通过试验验证其可行性,旨在为水肥一体化施肥机的深入研究和发展提供参考。     

水肥一体化循环灌溉系统的设计与试验

结合我国水肥一体化灌溉发展的需求,设计了一套水肥一体化循环灌溉系统。系统采用椰糠基质栽培,主要由配肥系统、灌溉系统、营养液循环系统3大部分组成。系统通过控制肥水的EC、p H值和进入灌溉管道的肥水量来实现自动施肥灌溉,并具有营养液循环回收的功能。它能够执行较精确的施肥过程,预防肥液浪费,提高水肥利用效率。经实际运用证明,该系统运行稳定、操作方便,EC值控制精度为±0.2 m S/cm、p H值控制精度为±0.2。水肥一体化循环灌溉系统用水量是传统土壤栽培的66.7%,黄瓜产量是传统土壤栽培的1.16倍,用工量是传统土壤栽培的63.2%。运用该系统能够达到节约用水、提高产量、节省用工的目的。     

水肥一体化施肥机EC和pH改进自抗扰解耦控制

针对水肥一体化施肥机控制系统在交叉耦合、内外不确定条件下难以通过建立精确数学模型进行跟踪控制的问题,提出一种EC和pH改进自抗扰解耦控制策略。利用六次多项式曲线拟合对系统阶跃响应数据进行滤波处理,由面积法构建系统简化数学模型。选择静态解耦法实现系统解耦,对分解后的两个子系统分别设计自抗扰控制器并进行改进,给非线性状态误差反馈率添加类积分项,并引入模糊控制理论实现其参数在线自整定。仿真结果表明,系统EC和pH的调节时间分别为44 s和39 s,超调量分别为5.5%和0.3%,输出绝对误差分别小于0.1 mS/cm和0.2,该控制器能够实现系统高精度独立调节,相比于线性自抗扰和PID控制器,响应速度更快,抗干扰能力和鲁棒性更强。试验结果表明,该控制器调节误差与仿真结果吻合,并且能够使系统用水量、用肥量、用工量分别降低33.13%、35.75%、35.01%,作物产量提升15.16%,节水、节肥、节工和增产效果显著,具有很高的可行性。     

温室大棚溶解混施智能施肥机设计与实现

为了实现固体水溶性肥料高效溶解与精准施肥，设计了一种温室大棚溶解混施智能施肥机，主要由肥料搅拌单元、供水单元、吸肥单元及控制单元组成，水肥配比采用模糊PID控制调节方式。首先，依据固体水溶性肥料的自身特点搭建带有肥料搅拌装置的施肥设备硬件系统；然后，根据施肥设备混肥特性，建立肥料EC值调控模型，设计PID控制器；最后，采用模糊控制方法自适应调节PID参数，提出模糊PID控制系统设计方法。试验结果表明：使用模糊PID控制策略能够显著提高系统性能，特别是在减少系统滞后时间和保持系统稳定性方面。     

一种旁路施肥机在喷灌水肥一体化的应用试验

针对现有水肥一体化系统施肥机安装管路复杂，自动化程度低、肥料利用效率低等问题，本研究通过解析旁路式施肥机工作原理，对水肥配比管路、电气控制元件布置结构以及动态显示界面进行设计，得到一种旁路施肥机。该旁路施肥机自动化程度较高，可实现水、肥精量调节。同时结合2015年、2016年在内蒙古通辽市的田间试验结果对该施肥机实际应用效果进行验证，应用该旁路施肥机施肥比压差式施肥罐和雨养施肥，2015年分别增产12%与69%;2016年分别增产9%与47%，且两年内应用该旁路施肥机施肥玉米水分生产率均最高，分别为1.87和1.81 kg/m³，经济效益显著。在现代农业高效节水灌溉领域该旁路施肥机具有一定的推广应用意义。     

水肥一体化设备设计及试验

针对目前基于文丘里吸肥管水肥机吸肥量不稳定、水肥混合均匀性不高等问题,设计了一种文丘里管加注肥泵的水肥一体化设备,并采用CFD数值模拟方法对SolideWorks绘制的水肥机三维模型进水口压力,速度及进肥口压力速度对水肥混合均匀性能的影响进行仿真分析并进行实验验证,为后续水肥机进水口压力速度及注肥口压力速度的选取提供数据支撑。试验结果表明:水肥机进水口速度0.8m/s、注肥口速度0.6m/s、压力为0.15MPa时,出口处离子浓度波动最小,水肥混合最均匀;在不同进水速度、注肥速度下水肥混合均匀度均系数均大于0.85,符合生产要求。     

基于物联网的果园药水肥一体化控制系统设计与实现

针对山地丘陵果园生产作业中,病虫害防治和灌溉工作量大,人工成本上升,同时我国当前施肥模式粗犷、水肥浪费量大、肥液浓度不好控制等问题,结合物联网技术和互联网技术设计一种基于物联网的果园药水肥一体化控制系统。该套系统以基于CC2530的ZigBee节点为基础,结合MCU单片机及各类传感器,通过ZigBee网络实现远程监测和控制执行模块执行各种功能,同时采用模糊控制对水泵进行精准控制,实现对果树的精准施药、施肥和灌溉,并进行试验验证。结果显示,ZigBee网络的丢包率与距离没有明显关系,与上位机软件发包频率有一定关系;系统能够实现远程监测与自动控制,实时显示空气和土壤湿度、EC值和pH值等监测数据;混合药池的EC值经过系统调节690 s左右,达到设定值1.5 ms/cm,土壤EC值经过系统调节810 s左右,达到设定值1.2 ms/cm附近;同时系统根据不同的土壤EC值与混合药池EC值执行不同的灌溉方案与混肥、施肥方案,精准控制灌溉施肥,有较好的稳定性。     

基于PLC的果园水肥一体化控制系统设计

为保证果园作物的养分需求,使水肥混合溶液更地好满足果树生长需要,设计了一个基于PLC的果园水肥一体化控制系统。系统以西门子S7-200 SMART PLC为核心,包括灌溉水过滤子系统、混肥子系统及施肥和反冲洗子系统,通过魂魄支持Modbus通讯协议的压力传感器、液位传感器、pH值传感器、EC值传感器和土壤湿度传感器来检测系统运行参数和土壤湿度。使用西门子SMART 1000 IE V3触摸屏完成了人机交互界面设计,包括开机界面、手动控制界面、自动控制界面、历史数据界面和动态监控界面,用户可以直观查询设备的运行参数、便捷制定灌溉施肥方案。试验结果表明:系统实现了水肥溶液的精准调节,在20s内可以将水肥溶液的pH值保持在7.0,在20min内将溶液EC值保持在1 500μS/cm,从而完成混肥过程,提高了水肥利用效率,保证了设备的高效、稳定运行,在我国果园种植中具有广阔的应用前景。     

日光温室小型水肥一体灌溉机设计及其控制模型的建立

针对北方地区日光温室栽培面积小以及环境变化与栽培管理要求,设计了一种基于吸肥器的小型灌溉施肥机。首先,通过吸肥器的排布、三条支路管道结构和混肥装置结构等研究,建立了小型水肥一体灌溉机的优化结构,实现了肥料和水的两次混合,达到提高混肥效率,减少水肥混合时间的目的;然后通过山崎母液配方,研究两路母液/一路酸液与EC/p H的关系模型,试验结果表明:与实测值相比,模型预测得到的EC值相对误差的平均值为2%,最大值为4.2%,p H的相对误差的平均值为3%,最大值为4.7%,以上试验结果说明,灌溉机结构设计合理,可实现营养液的精准化控制,为日光温室蔬菜的标准化管理奠定基础。     

并联四通道文丘里射流器吸肥结构优化与仿真

为探寻并联四通道文丘里射流器的优化结构和适宜的工作压力,解决四通道水肥一体化施肥机设计及工程应用的关键技术问题.论文基于FERTIKIT 3G旁路吸肥式水肥一体化施肥机,通过增加一条吸肥通道构建并联四通道旁路吸肥式水肥一体化施肥机,并对其并联四通道文丘里射流器吸肥结构优化及仿真.设定入口静压为250 kPa的条件下,通...     

垂直螺旋式定量施肥机的设计与试验

针对目前机械式施肥机排肥量控制精度和排肥均匀性较差的问题,设计了一种垂直螺旋式定量施肥机。该施肥机由垂直螺旋排肥装置、行走检测装置和控制系统组成,控制系统包括硬件电路和软件程序,行走检测装置检测施肥机行走信号,控制系统根据行走轮行走速度,并结合当前设置施肥量控制排肥电机转速,从而达到定量施肥的目的;安装于垂直螺旋和排肥管之间的排肥口挡板避免了不施肥时漏肥的情况。试验表明:垂直螺旋式定量施肥机施肥量与行走速度无关,仅取决于设置施肥量,施肥量控制误差在4%以内,施肥量控制精度高;变速行走时,排肥量均匀性变异系数不超过3%,排肥均匀性好。该施肥机为定量施肥机的设计提供了参考,提高了农业机械的机电一体化程度。     

基于PLC的马铃薯水肥一体化精准混肥系统设计

针对当前我国大田马铃薯水肥一体化灌溉系统混肥和检测不精确、没有具体针对马铃薯作物、智能化程度低等问题,设计研发了一款基于PLC、物联网控制的精确控制水肥一体化系统。由于大田马铃薯生长环境差、不稳定因素多,该系统使用PLC控制。相比较单片机的控制方式,PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单方便、恶劣工作环境适应性强和施工方便等很多优点。由于传统大田水肥机利用增压泵将文丘里吸肥器吸取的肥料直接注入主管道利用水流冲刷自然混肥,无法保证混肥的精准性,EC、pH传感器也无法精准测量,导致田间作物肥料浓度无法保证一致,作物质量及产量相对较低。相比传统水肥机,增加混肥腔混肥能够明显降低水肥浓度误差。EC、pH传感器实时读取当前的水肥浓度及酸碱度,与预设值做PID运算,再将PID输出通过线性转换转换为脉冲输出时间,通过PLC输出控制文丘里电磁阀的通断吸肥时间,实现水肥浓度的精确调整,配合恒压变频柜使水压在设定值范围内波动,实现水肥精确、稳定输出。