基于数学模型的水肥一体机的结构优化分析.pdf
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1、基 于 数 学 模 型 的 水 肥 一 体 机 的 结 构 优 化 分 析焦学磊(四川财经职业学院,成都610101)摘 要:针对传统的灌溉和施肥方式作业效率及水肥使用率较低的问题,基于数学模型对水肥一体进行结构设计并优化分析。水肥一体机的主要组成包括数据采集系统、灌溉施肥系统、自动控制系统和控制中心。为了实现精准施肥和灌溉,采用数学模型的方法对文丘里吸肥器进行结构优化设计,并利用模糊控制和灰色预测结合的控制算法进行灌溉预测。进行了吸肥性能对比试验和灌溉试验,结果表明:水肥一体机结构合理,可实现精准灌溉。关键词:水肥一体机;文丘里吸肥器;模糊控制;灰色预测控制算法中图分类号:S224.4 文献
2、标识码:A 文章编号:1003-188X(2023)12-0063-040 引言我国是农业大国,种植面积广阔,农田用水和肥料使用量巨大。由于技术发展较为落后,我国的大部分农村仍然采用传统的先施肥再灌溉的浇灌方式,灌溉时间和施肥料完全根据人的经验确定。这种灌溉方式对于水的利用率还不到 60%1,化肥利用率仅为30%,不但造成了资源的极大浪费,而且由于化肥中的氮、磷等元素的流失造成环境的污染2。因此,亟需开发一款精准水肥一体化控制系统。水肥一体机是一种利用压力管道将水、肥混合,采用滴灌或喷灌的方式共同作用于农作物的施肥技术3-4。与传统的灌溉方式相比,这种灌溉方式可以显著提高水肥利用率,降低肥料用
3、量,减少土壤中的氮、磷等元素的流失,还可有效节约人工成本。然而,由于我国水肥一体机发展较晚,施肥器等并没有明确的国家标准规定,因此不能够保证设计的水肥一体机结构参数在作业时达到最优5。目前,结构优化主要有两种方法:一是凭经验对若干方法进行比较,选择最优方案;二是采用建立数学模型的方法,利用计算机进行结构分析,从而确定最优结构。其中,第 2 种方法可以用有效地缩短产品设计周期,提高结构优化设计水平。本文将第 2 种方法应用于水肥一体机的结构优化。收稿日期:2022-07-20基金项目:四川省成都市科技厅科研计划项目(2020C19)作者简介:焦学磊(1982-),男,山东青岛人,讲师,硕士,(E
4、-mail)ba-iunwpcxu69091 。1 结构设计1.1 总体结构设计水肥一体机的主要组成包括数据采集系统、灌溉施肥系统、自动控制系统和控制中心。1.2 数据采集系统数据采集系统主要对农田的环境(包括土壤温湿度、风速、光照强度、大气压和太阳辐射等)进行监测,并实时地将监测数据反馈至环境数据监测站点。为了实现数据的采集和传输,数据采集系统主要包括采集模块和无线传输模块。数据采集模块的硬件结构如图 1 所示。其中,风速、太阳辐射和大气压力传感器通过 1 个传感器节点连接,并放置于室外;为了延长传感器节点的使用寿命,在节点外设置塑料保护盒;每 4 个土壤温湿度传感器通过 1 个节点连接,放
5、置于土壤不同的深度位置;同时,每个传感器节点配置太阳能供电板用于供电。图 1 数据采集模块硬件结构图Fig.1 The hardware structure diagram of data acquisition module传感器节点完成数据的采集后,主要通过无线传输模块的网关节点实现数据的转发,并最终传递至监测站点。网关节点的主要部件包括数据转发器、电362023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期源、铅蓄电池和无线网桥等6,如图 2 所示。图 2 网关节点结构简图Fig.2 The schematic diagram of gateway node structure1.3 灌
6、溉施肥系统灌溉施肥系统主要用于实现肥料的混合和灌溉,包括均匀混肥模块、灌溉模块、监测模块和控制器,如图 3 所示。注:N1N6 为文丘里吸肥器;N7 为灌区电磁阀;N8 为浮球;J1J6 为吸肥电磁阀;K1K5 为称重传感器;AE 为不同成分肥料。图 3 灌溉施肥系统结构简图Fig.3 The structure diagram of irrigation and fertilization system为了实现肥料的精准配比,采用称重传感器进行不同成分母液的称重;同时,在文丘里管下方设置电磁阀,控制母液不同成分的配比;肥料最终进入混液罐,并利用浮球阀控制清水量。为了对肥料的 EC 值和 pH
7、 值进行监测,混液罐液体通过灌溉泵后分为两路,分别用于灌溉和监测,最终控制肥料的 EC 值和pH 值在要求范围内。1.4 监控系统监控系统的作用主要包括两方面,即监控土壤和环境的状态及监控灌溉施肥系统的作业状态,主要组成包括模拟量输入模块、监测仪表及触摸屏等。其中,模拟量输入模块用于接收采集的环境和土壤状态信息,并转化系统可识别信息。监控仪表用于显示灌溉肥料的 EC 值和 pH 值。触摸屏采用 MT8012iP 型号的人机界面触摸屏7,该触摸屏与控制中心接通,将接收到的数据以曲线趋势或数字的方式实时显示并记录农田状态,还可以通过触摸屏控制水肥一体机自动或者手动运行。1.5 控制中心控制中心是整
8、个水肥一体机的中枢,通过对收集的农田、环境和灌溉数据进行综合分析,完成开关量、施肥灌溉系统的启停等指令的控制。控制中心的程序逻辑图如图 4 所示。图 4 控制中心程序逻辑图Fig.4 The program logic diagram of control center其硬件的主要组成包括单片机系统、电源模块及时钟电路等。其中,单片机系统采用性能稳定、抗干扰能力较强的 8 位 STC 单片机,通过程序的设计还可以接收手机 APP 或电脑网站指令、读取时钟电路数据;电源模块的芯片采用稳压电源芯片,为了增加抗干扰能力,还增设了滤波电路;时钟电路则采用高性能芯片。2 结构优化分析为了实现精准的灌溉和
9、施肥,需要文丘里吸肥器准确地将肥料注入混液罐。文丘里吸肥器对水肥一体机的吸肥、灌溉等作业能力影响最大。因此,采用数学模型的方法对文丘里吸肥器进行结构优化设计,并进行灌溉预测。2.1 数学模型进行结构优化文丘里吸肥器的结构简图如图 5 所示。462023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期图 5 文丘里施肥器结构简图Fig.5 The structure diagram of Venturi fertilizer文丘里施肥器主要分为 3 部分,即收缩段、喉管和扩散段。通过对其结构进行分析,以吸肥器的中轴线作为基准线,可以得知肥料在进口处和喉管出符合以下能量方程,即Z+pg+v2m2g=
10、Z+Pg+v2n2g+h1-0其中,p 和 p分别为肥料在进口处和喉管的压力;为稀释肥料的水密度;vm和 vn分别为进口处和喉管肥料的流速;h1-0为肥料由进口至喉管的高度差。对于方程中的参数,具有以下关系,即Z=Z,vm=4Qmd2m,vn=4Qd2n,h1-0=v22g其中,Qm和 Qn分别为进口处和喉管肥料的流量;v为肥料在文丘里吸肥器内部的平均流速。能量方程中,不同位置肥料的流量可以通过查询流量对照表确定,肥料在进口处的压力可通过试验测得,因此可以通过以上方程确定喉管处肥料压力 p。假设肥料在流动过程中没有液体的损失,则可以根据液体的连续性方程确定文丘里吸肥器的流量 Q 满足以下方程,
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