基于偏微分算法的水肥一体机系统设计

周永涛,赛朋飞,李 圆

(黄河交通学院,河南 焦作 454950)

0 引言

近年来,农业灌溉技术不断走向成熟,各类型的水肥一体装备不断被投入市场,大大提升了农作物的生产效率。综合反馈来看,其可很好地满足农作物生长需求,且与单一的灌溉或单一的施肥相比水肥利用率更高。从国内外的研究现状来看,尤其是国内状况,多数水肥一体机在物联网、智能化等网络平台实现了系统化控制管理,但精准施灌方面还有待提升,一些专家学者已经应用了相关泛函方法、模糊控制等理论进行了设计。为了进一步提升水肥浓度比例和水肥最大利用程度,笔者基于当前的研究方式,拟采用数学偏微分算法控制理论,从阶数优化及反馈精度等方面针对某型号的水肥一体机系统进行探究。

1 水肥一体机概述

水肥一体机作为新型的灌溉施肥一体综合作业装置,通常由远程控制端与本地执行端两大部分组成。其中,远程控制包含了云平台环境参数的获取、处理及传递等部件;本地执行则重点布置可实现灌溉、施肥的执行部件,如EC/pH传感器、电控阀、执行泵等。水肥一体机系统通过一定的监测手段将水路模块与供肥模块分别运转,再通过中间合并措施实现精准比例下的水肥配比,进而输送至田间作物的各个待喷施地段,具有水肥流失少及方便高效的特点。

2 偏微分算法系统设计

2.1 模型建立

首先,选定适宜、科学的偏微分算法理论作为模型建立核心;然后,结合当前的偏微分数学应用阶数,选定1-2-3-4的四级网络拓扑为实现切入点,着重考虑系统执行的偏差对比与调控因素,并将水肥配比液抽象为不可压缩液体,建立偏微分算法模型为

(1)

式中t—系统执行作业的瞬时刻;

x—系统水肥混合液的管路历经长度;

T—系统管路内部温度;

v—系统水肥混合液的管路速度;

t*、x*、T*、v*—对应实际参数的相对值;

h—系统管路高度差;

ρ—系统水肥混合液的密度;

cp—系统水肥混合液的热系数;

Q—系统管路某一长度内的流量。

针对模型的功能需求进行整体性设计布局,给出用于农作物的水肥一体机作业布局简图,如图1所示。以数据服务平台为监测出发点,经本机偏微分控制系统,到达监控站点,从而实现施肥板块、控水板块的一体机控制;然后,经田间布置的各感知与执行部件实现选定区域的作物灌施。

图1 用于农作物的水肥一体机作业布局简图Fig.1 Diagram of the operation layout of the water and fertilizer integrated machine for crops

2.2 系统软件控制

以先前的控制实现为基础,增设APP端监控,同时将本地的灌溉施肥一体作业进行恒定与变频的实时性融合。以多线控制机理为运行模式,给出基于偏微分算法的水肥一体机系统软件构成简图,如图2所示。

图2 基于偏微分算法的水肥一体机系统软件构成简图Fig.2 Schematic diagram of system software composition of the water fertilizer integrated machine based on partial differential algorithm

其中,偏微分算法控制主程序与水肥一体作业调控程序前后贯连,使系统的EC/pH参数、压力、流量等参数控制便利。偏微分算法着重对水肥配比进行监测调整,在主程序的子模块根据程序功能需求设PWM与PLC的互补运算。

针该系统软件的报警与执行条件判定,给出偏微分控制算法下的系统报警模块功能设计简图,如图3所示。

图3 偏微分控制算法下的系统报警模块功能设计简图Fig.3 Functional design diagram of the system alarm module under the partial differential control algorithm

2.3 系统硬件配置

以充分有效实现整机系统的偏微分控制为总体目标,细分各模块的功能执行,其参数的采集实时性与实际性是进行精准偏微分控制的保证。首先,针对整机的系统硬件进行核心参数采集器选型,如表1所示。其中,隔离模块选用AMD2875收发装置。一方面消除其余各项参数的干扰,另一方面可更好地实现隔离功能增强,提供高速精准的参数数据传送,对于后续的施肥泵、电磁阀等执行组件的动作尤为关键。

表1 基于偏微分算法的水肥一体机系统核心参数采集器选型

各端子是实现偏微分控制的重要执行节点,如表2所示。通过电源控制、开关量、模拟量及通信与下载五大接线类型,设计基于偏微分算法控制模型下的水肥一体机系统硬件配置(见图4),在偏微分控制装置的核心管控下,模块化分配继电器装置、HMI装置、灌溉泵及各参数感应装置,在配比系数、动作时间及灌溉合格等方面进行策略指挥与偏微分调控,达到最优化的水肥一体作业。

表2 基于偏微分算法的水肥一体机系统控制接线端子分布列表

图4 基于偏微分算法的水肥一体机系统硬件配置框图Fig.4 Block diagram of the hardware configuration of water fertilizer integrated machine system based on the partial differential algorithm

3 整机作业试验

3.1 作业条件

选择一定区域试验灌溉田地,面积为1000m×800m,灌溉施肥对象为生长初期玉米,依据水肥一体机系统作业流程简图(见图5),进行试验性灌施及参数性能验证,从基础关键的作物区感应装置与机体系统传感监测两大路径实施,并设置核心作业条件如下:

1)系统手动设置与自动设置切换灵活,显示模块参数及视图清晰流畅;

2)灌溉系统的水流量与施肥浓度可控阈值设置合理,配方可灵活选择;

3)试验数据记录具有完整性与导出连续性。

图5 基于偏微分算法的水肥一体机系统作业流程简图Fig.5 Operation flow diagram of water fertilizer integrated machine system based on the partial differential algorithm

3.2 过程分析

以水量与肥量之间的配比关系作为衡量参数之一,选取不同需求的5块作物待施肥灌溉区域(面积相等,预设的配比系数不等),得到不同配比系数下的偏微分算法水肥一体机系统监测数据统计,如表3所示。由表3可知:以数据传输与灌溉精准为原则,处理系统基础节点、中继节点与汇聚几点,获取系统灌溉参数与人工监测参数;选定5组灌溉施肥区域进行记录编号,计算理论系统依次从4.00%至2.86%范围内递减,条件不变测得实际执行作业过程中系统显示的执行系数,进行逐一对应;系统执行系数与计算理论系数两者之间的相对偏差不差过3.00%,最小系统偏差为1.68%,平均系统偏差为2.07%,说明运用偏微分算法控制执行水肥一体作业的精度可行性与精确性。

表3 偏微分算法下的水肥一体机施肥配比系数监测数据统计Table 3 Monitoring data statistics of fertilizer proportioning coefficient of the water fertilizer integrated machine under the partial differential algorithm %

进一步根据系统执行作业的各监测参数实施有效处理与输出,选定整机系统的配比准确率、系统稳定性、水分利用率、施肥均匀度及综合作业效率作为设计评价指标,得到基于偏微分算法的水肥一体机系统设计前后性能参数对比 ,如表4所示。由表4可知:正确运用数学偏微分控制算法及相关求解原理,针对水肥一体机进行设计优化优势明显,水肥配比准确率由82.30%提升为91.07%,系统稳定性由88.50%提升至92.50%,水分利用率由84.45%提升至90.14%,施肥均匀度由83.72%提高为93.28%。由于整机系统的性能动作优化及控制改进,综合作业效率同等条件下由84.86%提升至92.66%,验证了系统设计的优越性。

表4 基于偏微分算法的水肥一体机设计前后性能参数对比

4 结论

1)以水肥一体机的功能实现作为设计出发点,基于偏微分算法机理,着重考虑水肥配比关系,通过层次性模块化的布局思维,进行相应的控制优化模型搭建及相应的系统组件配置,形成完整的灌溉施肥集成式智能系统。

2)以偏微分控制模型下的水肥一体机作为试验对象,在合理的灌溉施肥试验田展开系统作业与评价试验,结果表明:基于偏微分算法的执行机理与控制实现应用可保证配比准确率相对提升8.77%,水分利用率与施肥均匀度都得到较为明显的提升。