基于偏微分算法的水肥一體機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周永濤,賽朋飛,李 圓

(黃河交通學(xué)院,河南 焦作 454950)

0 引言

近年來(lái),農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)不斷走向成熟,各類型的水肥一體裝備不斷被投入市場(chǎng),大大提升了農(nóng)作物的生產(chǎn)效率。綜合反饋來(lái)看,其可很好地滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)需求,且與單一的灌溉或單一的施肥相比水肥利用率更高。從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看,尤其是國(guó)內(nèi)狀況,多數(shù)水肥一體機(jī)在物聯(lián)網(wǎng)、智能化等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)化控制管理,但精準(zhǔn)施灌方面還有待提升,一些專家學(xué)者已經(jīng)應(yīng)用了相關(guān)泛函方法、模糊控制等理論進(jìn)行了設(shè)計(jì)。為了進(jìn)一步提升水肥濃度比例和水肥最大利用程度,筆者基于當(dāng)前的研究方式,擬采用數(shù)學(xué)偏微分算法控制理論,從階數(shù)優(yōu)化及反饋精度等方面針對(duì)某型號(hào)的水肥一體機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行探究。

1 水肥一體機(jī)概述

水肥一體機(jī)作為新型的灌溉施肥一體綜合作業(yè)裝置,通常由遠(yuǎn)程控制端與本地執(zhí)行端兩大部分組成。其中,遠(yuǎn)程控制包含了云平臺(tái)環(huán)境參數(shù)的獲取、處理及傳遞等部件;本地執(zhí)行則重點(diǎn)布置可實(shí)現(xiàn)灌溉、施肥的執(zhí)行部件,如EC/pH傳感器、電控閥、執(zhí)行泵等。水肥一體機(jī)系統(tǒng)通過(guò)一定的監(jiān)測(cè)手段將水路模塊與供肥模塊分別運(yùn)轉(zhuǎn),再通過(guò)中間合并措施實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)比例下的水肥配比,進(jìn)而輸送至田間作物的各個(gè)待噴施地段,具有水肥流失少及方便高效的特點(diǎn)。

2 偏微分算法系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 模型建立

首先,選定適宜、科學(xué)的偏微分算法理論作為模型建立核心;然后,結(jié)合當(dāng)前的偏微分?jǐn)?shù)學(xué)應(yīng)用階數(shù),選定1-2-3-4的四級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇閷?shí)現(xiàn)切入點(diǎn),著重考慮系統(tǒng)執(zhí)行的偏差對(duì)比與調(diào)控因素,并將水肥配比液抽象為不可壓縮液體,建立偏微分算法模型為

(1)

式中t—系統(tǒng)執(zhí)行作業(yè)的瞬時(shí)刻;

x—系統(tǒng)水肥混合液的管路歷經(jīng)長(zhǎng)度;

T—系統(tǒng)管路內(nèi)部溫度;

v—系統(tǒng)水肥混合液的管路速度;

t*、x*、T*、v*—對(duì)應(yīng)實(shí)際參數(shù)的相對(duì)值;

h—系統(tǒng)管路高度差;

ρ—系統(tǒng)水肥混合液的密度;

cp—系統(tǒng)水肥混合液的熱系數(shù);

Q—系統(tǒng)管路某一長(zhǎng)度內(nèi)的流量。

針對(duì)模型的功能需求進(jìn)行整體性設(shè)計(jì)布局,給出用于農(nóng)作物的水肥一體機(jī)作業(yè)布局簡(jiǎn)圖,如圖1所示。以數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)為監(jiān)測(cè)出發(fā)點(diǎn),經(jīng)本機(jī)偏微分控制系統(tǒng),到達(dá)監(jiān)控站點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)施肥板塊、控水板塊的一體機(jī)控制;然后,經(jīng)田間布置的各感知與執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)選定區(qū)域的作物灌施。

圖1 用于農(nóng)作物的水肥一體機(jī)作業(yè)布局簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagram of the operation layout of the water and fertilizer integrated machine for crops

2.2 系統(tǒng)軟件控制

以先前的控制實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ),增設(shè)APP端監(jiān)控,同時(shí)將本地的灌溉施肥一體作業(yè)進(jìn)行恒定與變頻的實(shí)時(shí)性融合。以多線控制機(jī)理為運(yùn)行模式,給出基于偏微分算法的水肥一體機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)成簡(jiǎn)圖,如圖2所示。

圖2 基于偏微分算法的水肥一體機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)成簡(jiǎn)圖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與水肥一體作業(yè)調(diào)控程序前后貫連,使系統(tǒng)的EC/pH參數(shù)、壓力、流量等參數(shù)控制便利。偏微分算法著重對(duì)水肥配比進(jìn)行監(jiān)測(cè)調(diào)整,在主程序的子模塊根據(jù)程序功能需求設(shè)PWM與PLC的互補(bǔ)運(yùn)算。

針該系統(tǒng)軟件的報(bào)警與執(zhí)行條件判定,給出偏微分控制算法下的系統(tǒng)報(bào)警模塊功能設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖,如圖3所示。

圖3 偏微分控制算法下的系統(tǒng)報(bào)警模塊功能設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖Fig.3 Functional design diagram of the system alarm module under the partial differential control algorithm

2.3 系統(tǒng)硬件配置

以充分有效實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)的偏微分控制為總體目標(biāo),細(xì)分各模塊的功能執(zhí)行,其參數(shù)的采集實(shí)時(shí)性與實(shí)際性是進(jìn)行精準(zhǔn)偏微分控制的保證。首先,針對(duì)整機(jī)的系統(tǒng)硬件進(jìn)行核心參數(shù)采集器選型,如表1所示。其中,隔離模塊選用AMD2875收發(fā)裝置。一方面消除其余各項(xiàng)參數(shù)的干擾,另一方面可更好地實(shí)現(xiàn)隔離功能增強(qiáng),提供高速精準(zhǔn)的參數(shù)數(shù)據(jù)傳送,對(duì)于后續(xù)的施肥泵、電磁閥等執(zhí)行組件的動(dòng)作尤為關(guān)鍵。

表1 基于偏微分算法的水肥一體機(jī)系統(tǒng)核心參數(shù)采集器選型

各端子是實(shí)現(xiàn)偏微分控制的重要執(zhí)行節(jié)點(diǎn),如表2所示。通過(guò)電源控制、開(kāi)關(guān)量、模擬量及通信與下載五大接線類型,設(shè)計(jì)基于偏微分算法控制模型下的水肥一體機(jī)系統(tǒng)硬件配置(見(jiàn)圖4),在偏微分控制裝置的核心管控下,模塊化分配繼電器裝置、HMI裝置、灌溉泵及各參數(shù)感應(yīng)裝置,在配比系數(shù)、動(dòng)作時(shí)間及灌溉合格等方面進(jìn)行策略指揮與偏微分調(diào)控,達(dá)到最優(yōu)化的水肥一體作業(yè)。

表2 基于偏微分算法的水肥一體機(jī)系統(tǒng)控制接線端子分布列表

圖4 基于偏微分算法的水肥一體機(jī)系統(tǒng)硬件配置框圖Fig.4 Block diagram of the hardware configuration of water fertilizer integrated machine system based on the partial differential algorithm

3 整機(jī)作業(yè)試驗(yàn)

3.1 作業(yè)條件

選擇一定區(qū)域試驗(yàn)灌溉田地,面積為1000m×800m,灌溉施肥對(duì)象為生長(zhǎng)初期玉米,依據(jù)水肥一體機(jī)系統(tǒng)作業(yè)流程簡(jiǎn)圖(見(jiàn)圖5),進(jìn)行試驗(yàn)性灌施及參數(shù)性能驗(yàn)證,從基礎(chǔ)關(guān)鍵的作物區(qū)感應(yīng)裝置與機(jī)體系統(tǒng)傳感監(jiān)測(cè)兩大路徑實(shí)施,并設(shè)置核心作業(yè)條件如下:

1)系統(tǒng)手動(dòng)設(shè)置與自動(dòng)設(shè)置切換靈活,顯示模塊參數(shù)及視圖清晰流暢;

2)灌溉系統(tǒng)的水流量與施肥濃度可控閾值設(shè)置合理,配方可靈活選擇;

3)試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄具有完整性與導(dǎo)出連續(xù)性。

圖5 基于偏微分算法的水肥一體機(jī)系統(tǒng)作業(yè)流程簡(jiǎn)圖Fig.5 Operation flow diagram of water fertilizer integrated machine system based on the partial differential algorithm

3.2 過(guò)程分析

以水量與肥量之間的配比關(guān)系作為衡量參數(shù)之一,選取不同需求的5塊作物待施肥灌溉區(qū)域(面積相等,預(yù)設(shè)的配比系數(shù)不等),得到不同配比系數(shù)下的偏微分算法水肥一體機(jī)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),如表3所示。由表3可知:以數(shù)據(jù)傳輸與灌溉精準(zhǔn)為原則,處理系統(tǒng)基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)與匯聚幾點(diǎn),獲取系統(tǒng)灌溉參數(shù)與人工監(jiān)測(cè)參數(shù);選定5組灌溉施肥區(qū)域進(jìn)行記錄編號(hào),計(jì)算理論系統(tǒng)依次從4.00%至2.86%范圍內(nèi)遞減,條件不變測(cè)得實(shí)際執(zhí)行作業(yè)過(guò)程中系統(tǒng)顯示的執(zhí)行系數(shù),進(jìn)行逐一對(duì)應(yīng);系統(tǒng)執(zhí)行系數(shù)與計(jì)算理論系數(shù)兩者之間的相對(duì)偏差不差過(guò)3.00%,最小系統(tǒng)偏差為1.68%,平均系統(tǒng)偏差為2.07%,說(shuō)明運(yùn)用偏微分算法控制執(zhí)行水肥一體作業(yè)的精度可行性與精確性。

表3 偏微分算法下的水肥一體機(jī)施肥配比系數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Monitoring data statistics of fertilizer proportioning coefficient of the water fertilizer integrated machine under the partial differential algorithm %

進(jìn)一步根據(jù)系統(tǒng)執(zhí)行作業(yè)的各監(jiān)測(cè)參數(shù)實(shí)施有效處理與輸出,選定整機(jī)系統(tǒng)的配比準(zhǔn)確率、系統(tǒng)穩(wěn)定性、水分利用率、施肥均勻度及綜合作業(yè)效率作為設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo),得到基于偏微分算法的水肥一體機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)前后性能參數(shù)對(duì)比 ,如表4所示。由表4可知:正確運(yùn)用數(shù)學(xué)偏微分控制算法及相關(guān)求解原理,針對(duì)水肥一體機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化優(yōu)勢(shì)明顯,水肥配比準(zhǔn)確率由82.30%提升為91.07%,系統(tǒng)穩(wěn)定性由88.50%提升至92.50%,水分利用率由84.45%提升至90.14%,施肥均勻度由83.72%提高為93.28%。由于整機(jī)系統(tǒng)的性能動(dòng)作優(yōu)化及控制改進(jìn),綜合作業(yè)效率同等條件下由84.86%提升至92.66%,驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。

表4 基于偏微分算法的水肥一體機(jī)設(shè)計(jì)前后性能參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

1)以水肥一體機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)作為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn),基于偏微分算法機(jī)理,著重考慮水肥配比關(guān)系,通過(guò)層次性模塊化的布局思維,進(jìn)行相應(yīng)的控制優(yōu)化模型搭建及相應(yīng)的系統(tǒng)組件配置,形成完整的灌溉施肥集成式智能系統(tǒng)。

2)以偏微分控制模型下的水肥一體機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象,在合理的灌溉施肥試驗(yàn)田展開(kāi)系統(tǒng)作業(yè)與評(píng)價(jià)試驗(yàn),結(jié)果表明:基于偏微分算法的執(zhí)行機(jī)理與控制實(shí)現(xiàn)應(yīng)用可保證配比準(zhǔn)確率相對(duì)提升8.77%,水分利用率與施肥均勻度都得到較為明顯的提升。