精准水肥药一体化灌溉控制系统

孙锋申+马伟顺+李合菊

摘 要

在实际耕作过程中，存在着大水漫灌、过量施肥、注药等情况，大大降低了水肥药的利用效率，造成资源浪费。为了应对这一问题，本文对水肥药一体化系统进行了探讨，分析了水肥药一体化系统工作原理，并探讨水肥药一体化系统中的模糊控制器设计问题及其程序开发问题。

【关键词】模糊控制 水肥药一体化

所谓的水肥药一体化系统，就是指在灌溉系统中，将灌溉水、肥料及药液准确地输送到植物根部，然后通过植物的全生长周期进行水肥药的配比。通过定时、定量地供给植物，到达省水、省肥、省药的目的。

1 水肥药一体化系统工作原理分析

水肥药一体化系统，主要有灌溉系统、施肥系统、施药系统、注酸系统、混合系统以及控制系统等几个部分组成。通过系统的多种模式运用，不仅可以实现独立的浇水灌溉、灌溉施肥以及灌溉施药操作，也能进行水肥药的一体化操作。根据需要进行不同的操作方式，以满足不同情况下的作物水肥药需求。由于整个水肥药一体化系统的控制功能庞大，为了简化系统的操作难度，可以针对不同情况进行控制，模糊控制可用于肥液和酸液的混合控制，其他控制系统一般采用逻辑控制的方式进行。

当系统仅实现单一的水灌溉功能时，灌溉泵会将灌溉水压入灌溉管道，并经过控制阀、流量表、压力表、止回阀、集液器等设备，最后进入混合罐中，并经管道进行灌溉。其中，压力表、流量表、控制阀等分别接入控制箱与单片机连接，并通过CAN总线与触摸屏相连。这样，触摸屏在控制管道压力、流量及开关状态的同时，就能够实现对整个灌溉的逻辑控制功能。

当系统实现灌溉施肥功能时，注酸系统、注肥系统和灌溉系统启动，灌溉水、酸液和肥液分别经灌溉泵、注酸泵和注肥泵进入混合罐中，各压力表、流量表、控制阀等分别接入控制箱，并将数据显示于触摸屏上。操作人员通过触摸屏设定各管道的流量。由于灌溉施肥控制系统较单纯的灌溉功能更加复杂，因此，在注酸量及注肥量方面采用逻辑控制的方式，其执行需要靠注酸及注肥管道上的电磁阀来进行。而酸碱浓度及肥液浓度的控制，则可采用模糊控制的方式，其执行需要靠拖动注酸泵及注肥泵的电动机。

当系统实现灌溉施药功能时，注酸系统及灌溉水系统启动，其运行与灌溉施肥功能相似。由于药液与水相容性较高，因此不会出现延迟的情况，可通过逻辑控制方式控制注药系统。

当系统实现灌溉、施肥和施药的同步运行工作时，控制注水泵、注酸泵、注肥泵、注药泵同时运行，并进行水肥药的一体化控制操作。注意，若药液对混合液的pH值及电解率影响不大，则可将药液与混合液混装于一个罐中，以达到降低成本的目的。若药液对混合液的pH值及电解率影响较大，则需要另加装一个混合罐。

2 水肥药一体化系统中的模糊控制器设计分析

模糊控制器是一种集合模糊语言变量、模糊集合论以及模糊逻辑推理在内的一种计算机控制系统。其能够通过模拟专家构造语言信息，而形成一种控制策略，并通过这种策略解决一系列复杂的控制问题。

2.1 水肥药一体化系統中的模糊控制器结构分析

模糊控制器结构应在尽量简单的同时，提高其控制的准确性及稳定性。为了降低系统的复杂程度，酸碱度控制与肥液浓度控制，可分别采用两个单输出双输入的模糊器进行控制。下面就以肥液浓度控制为例，分析模糊控制器结构。

如图1为肥液混合模糊控制器原理图，从左至右，其中，设定值r就是肥液的设定目标浓度；Δe则为其浓度偏差的变化率；c为浓度偏差；K1、K2、Ku为量化因子；y则为实测肥液浓度。在整个模糊控制器中，浓度偏差c及偏差变化率Δe作为控制器的输入条件，注肥泵的拖动电机速度V，可以看做是输出量。在整个肥液混合模糊控制器中，其输入输出变量模糊语言词汇的数量通常五到七个左右，并根据实际情况确定具体数量。需要注意的是，肥液混合系统的延迟比较大，而混合罐中混合方式也会对混合的速度造成一定的影响，从而使EC传感器检测值的波动性更大。因此Δe及e的模糊语言值及其论域等级都不宜设置过多。

2.2 水肥药一体化系统中的模糊控制规划分析

在整个水肥药一体化系统中的模糊控制规划中，操作人员要根据实际经验、系统运行特性及实际运行效果，不断的优化模糊控制策略，从而使得输出模糊变量的控制规则更加有效。

3 水肥药一体化控制系统的程序开发分析

要保持水肥药一体化控制系统的正常有序运行，还需要进行相应的控制程序应用开发，可运用美国的LabVIEW软件进行模块化的设计工作，并运用G语言进行相应的程序编写。整个应用程序中包括：系统交互界面、单独灌溉模块程序、灌溉施药模块程序、灌溉施肥模块程序，以及水肥药一体化模块程序等几个方面。当系统启动后，通过显示器进入系统交互页面以后，就能根据实际的需求选择相应的灌溉模式。通过整个系统，可以首先设定需要的注水量、注酸量、注肥量、注药量，并通过EC值与PH值的范围设定。为后续的系统运行提供参数和条件，设置好这些数值后，就可以开启灌溉管道、注酸管道、注肥管道以及注药管道，再将电机及控制阀门的开启之后，系统就会进入自动运行的状态。在整个系统的运行过程中，系统会对注水量、注酸量、注肥量及注药量进行逻辑控制，并通过实时监测，将数据反馈与显示屏中。当其中的量值偏离了设定要求时，系统会进行调节和报警；混合罐中的EC值和pH值，则采用模糊控制，并通过实时的检测和反馈，完成其调整策略的实施。当整个系统实施结束后，或者出现设定数值与操作数值严重偏离时，系统会停止运行，并切换成操作人员调整模式。

参考文献

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