精準(zhǔn)水肥藥一體化灌溉控制系統(tǒng)

孫鋒申+馬偉順+李合菊

摘 要

在實(shí)際耕作過程中，存在著大水漫灌、過量施肥、注藥等情況，大大降低了水肥藥的利用效率，造成資源浪費(fèi)。為了應(yīng)對(duì)這一問題，本文對(duì)水肥藥一體化系統(tǒng)進(jìn)行了探討，分析了水肥藥一體化系統(tǒng)工作原理，并探討水肥藥一體化系統(tǒng)中的模糊控制器設(shè)計(jì)問題及其程序開發(fā)問題。

【關(guān)鍵詞】模糊控制 水肥藥一體化

所謂的水肥藥一體化系統(tǒng)，就是指在灌溉系統(tǒng)中，將灌溉水、肥料及藥液準(zhǔn)確地輸送到植物根部，然后通過植物的全生長(zhǎng)周期進(jìn)行水肥藥的配比。通過定時(shí)、定量地供給植物，到達(dá)省水、省肥、省藥的目的。

1 水肥藥一體化系統(tǒng)工作原理分析

水肥藥一體化系統(tǒng)，主要有灌溉系統(tǒng)、施肥系統(tǒng)、施藥系統(tǒng)、注酸系統(tǒng)、混合系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成。通過系統(tǒng)的多種模式運(yùn)用，不僅可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的澆水灌溉、灌溉施肥以及灌溉施藥操作，也能進(jìn)行水肥藥的一體化操作。根據(jù)需要進(jìn)行不同的操作方式，以滿足不同情況下的作物水肥藥需求。由于整個(gè)水肥藥一體化系統(tǒng)的控制功能龐大，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的操作難度，可以針對(duì)不同情況進(jìn)行控制，模糊控制可用于肥液和酸液的混合控制，其他控制系統(tǒng)一般采用邏輯控制的方式進(jìn)行。

當(dāng)系統(tǒng)僅實(shí)現(xiàn)單一的水灌溉功能時(shí)，灌溉泵會(huì)將灌溉水壓入灌溉管道，并經(jīng)過控制閥、流量表、壓力表、止回閥、集液器等設(shè)備，最后進(jìn)入混合罐中，并經(jīng)管道進(jìn)行灌溉。其中，壓力表、流量表、控制閥等分別接入控制箱與單片機(jī)連接，并通過CAN總線與觸摸屏相連。這樣，觸摸屏在控制管道壓力、流量及開關(guān)狀態(tài)的同時(shí)，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)灌溉的邏輯控制功能。

當(dāng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)灌溉施肥功能時(shí)，注酸系統(tǒng)、注肥系統(tǒng)和灌溉系統(tǒng)啟動(dòng)，灌溉水、酸液和肥液分別經(jīng)灌溉泵、注酸泵和注肥泵進(jìn)入混合罐中，各壓力表、流量表、控制閥等分別接入控制箱，并將數(shù)據(jù)顯示于觸摸屏上。操作人員通過觸摸屏設(shè)定各管道的流量。由于灌溉施肥控制系統(tǒng)較單純的灌溉功能更加復(fù)雜，因此，在注酸量及注肥量方面采用邏輯控制的方式，其執(zhí)行需要靠注酸及注肥管道上的電磁閥來進(jìn)行。而酸堿濃度及肥液濃度的控制，則可采用模糊控制的方式，其執(zhí)行需要靠拖動(dòng)注酸泵及注肥泵的電動(dòng)機(jī)。

當(dāng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)灌溉施藥功能時(shí)，注酸系統(tǒng)及灌溉水系統(tǒng)啟動(dòng)，其運(yùn)行與灌溉施肥功能相似。由于藥液與水相容性較高，因此不會(huì)出現(xiàn)延遲的情況，可通過邏輯控制方式控制注藥系統(tǒng)。

當(dāng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)灌溉、施肥和施藥的同步運(yùn)行工作時(shí)，控制注水泵、注酸泵、注肥泵、注藥泵同時(shí)運(yùn)行，并進(jìn)行水肥藥的一體化控制操作。注意，若藥液對(duì)混合液的pH值及電解率影響不大，則可將藥液與混合液混裝于一個(gè)罐中，以達(dá)到降低成本的目的。若藥液對(duì)混合液的pH值及電解率影響較大，則需要另加裝一個(gè)混合罐。

2 水肥藥一體化系統(tǒng)中的模糊控制器設(shè)計(jì)分析

模糊控制器是一種集合模糊語言變量、模糊集合論以及模糊邏輯推理在內(nèi)的一種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。其能夠通過模擬專家構(gòu)造語言信息，而形成一種控制策略，并通過這種策略解決一系列復(fù)雜的控制問題。

2.1 水肥藥一體化系統(tǒng)中的模糊控制器結(jié)構(gòu)分析

模糊控制器結(jié)構(gòu)應(yīng)在盡量簡(jiǎn)單的同時(shí)，提高其控制的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，酸堿度控制與肥液濃度控制，可分別采用兩個(gè)單輸出雙輸入的模糊器進(jìn)行控制。下面就以肥液濃度控制為例，分析模糊控制器結(jié)構(gòu)。

如圖1為肥液混合模糊控制器原理圖，從左至右，其中，設(shè)定值r就是肥液的設(shè)定目標(biāo)濃度；Δe則為其濃度偏差的變化率；c為濃度偏差；K1、K2、Ku為量化因子；y則為實(shí)測(cè)肥液濃度。在整個(gè)模糊控制器中，濃度偏差c及偏差變化率Δe作為控制器的輸入條件，注肥泵的拖動(dòng)電機(jī)速度V，可以看做是輸出量。在整個(gè)肥液混合模糊控制器中，其輸入輸出變量模糊語言詞匯的數(shù)量通常五到七個(gè)左右，并根據(jù)實(shí)際情況確定具體數(shù)量。需要注意的是，肥液混合系統(tǒng)的延遲比較大，而混合罐中混合方式也會(huì)對(duì)混合的速度造成一定的影響，從而使EC傳感器檢測(cè)值的波動(dòng)性更大。因此Δe及e的模糊語言值及其論域等級(jí)都不宜設(shè)置過多。

2.2 水肥藥一體化系統(tǒng)中的模糊控制規(guī)劃分析

在整個(gè)水肥藥一體化系統(tǒng)中的模糊控制規(guī)劃中，操作人員要根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、系統(tǒng)運(yùn)行特性及實(shí)際運(yùn)行效果，不斷的優(yōu)化模糊控制策略，從而使得輸出模糊變量的控制規(guī)則更加有效。

3 水肥藥一體化控制系統(tǒng)的程序開發(fā)分析

要保持水肥藥一體化控制系統(tǒng)的正常有序運(yùn)行，還需要進(jìn)行相應(yīng)的控制程序應(yīng)用開發(fā)，可運(yùn)用美國(guó)的LabVIEW軟件進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)工作，并運(yùn)用G語言進(jìn)行相應(yīng)的程序編寫。整個(gè)應(yīng)用程序中包括：系統(tǒng)交互界面、單獨(dú)灌溉模塊程序、灌溉施藥模塊程序、灌溉施肥模塊程序，以及水肥藥一體化模塊程序等幾個(gè)方面。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，通過顯示器進(jìn)入系統(tǒng)交互頁面以后，就能根據(jù)實(shí)際的需求選擇相應(yīng)的灌溉模式。通過整個(gè)系統(tǒng)，可以首先設(shè)定需要的注水量、注酸量、注肥量、注藥量，并通過EC值與PH值的范圍設(shè)定。為后續(xù)的系統(tǒng)運(yùn)行提供參數(shù)和條件，設(shè)置好這些數(shù)值后，就可以開啟灌溉管道、注酸管道、注肥管道以及注藥管道，再將電機(jī)及控制閥門的開啟之后，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行的狀態(tài)。在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，系統(tǒng)會(huì)對(duì)注水量、注酸量、注肥量及注藥量進(jìn)行邏輯控制，并通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將數(shù)據(jù)反饋與顯示屏中。當(dāng)其中的量值偏離了設(shè)定要求時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行調(diào)節(jié)和報(bào)警；混合罐中的EC值和pH值，則采用模糊控制，并通過實(shí)時(shí)的檢測(cè)和反饋，完成其調(diào)整策略的實(shí)施。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施結(jié)束后，或者出現(xiàn)設(shè)定數(shù)值與操作數(shù)值嚴(yán)重偏離時(shí)，系統(tǒng)會(huì)停止運(yùn)行，并切換成操作人員調(diào)整模式。

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