CN103977719B - 基于无土栽培肥水灌溉***的肥水高效精准混合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无土栽培肥水灌溉***的肥水高效精准混合方法，包括预期段、预估段和微调段；采用分段式预估控制方法，通过设定合适预期系数，将多数营养液母液在执行混肥程序初始就加入混肥罐中，提高多数营养液母液的混肥时间，减少后期微调时间，并且避免发生超调现象；解决了现有的肥水灌溉机混肥过程存在的时滞性问题，分段式预估控制方法实现了高效精准肥水混合。

Description

基于无土栽培肥水灌溉***的肥水高效精准混合方法

技术领域

本发明涉及一种基于无土栽培肥水灌溉***的肥水高效精准混合方法。

背景技术

温室无土栽培技术是采用水培、雾培或基质培等方式栽培作物的方法，给作物提供最优的水、肥、气、热等生长环境，优化了传统自然环境下土壤种植农作物的栽培手段，是一项集成多科学领域技术的综合型设施农业技术。温室无土栽培作物需要的水分和养分均需从灌溉液中摄取，所以肥水灌溉是温室无土栽培技术中最为关键的技术之一，肥水高效精准混合装置非常适合于现代化温室无土栽培生产应用，是我国设施农业实现可持续发展的重要装备。

传统肥水混合通常采用人工混合方式，将各种肥料和水按比例进行充分混合，由于肥料元素类型繁多，肥水混合耗时、耗力以及精准性低；目前采用较多的肥水混合装置是文丘里式施肥器，其肥水均匀性和浓度无法精确控制；比例施肥泵能够实现肥与水的混合比例控制，但其比例调节范围较少，且受肥料罐中营养液沉淀问题影响，不能实现实时检测闭环自动调节功能。

肥水混合装置要实现高精准肥水混合作业，需主要解决肥水混合存在的长时滞性、均匀性问题以及肥水混合装置结构性能参数标定。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无土栽培肥水灌溉***的肥水高效精准混合方法；采用分段式预估控制方法，通过设定合适预期系数，将多数营养液母液在执行混肥程序初始就加入混肥罐中，提高多数营养液母液的混肥时间，减少后期微调时间，并且避免发生超调现象；解决了现有的肥水灌溉机混肥过程存在的时滞性问题，分段式预估控制方法实现了高效精准肥水混合。

为了实现以上目的，本发明的技术方案是：基于无土栽培肥水灌溉***的肥水高效精准混合方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)、预期段：根据肥水灌溉***设置的Ec值和灌溉量，计算各通道总注肥时间，如式(1)所示；并根据实时检测混合罐中的肥水Ec值和肥水容积，计算各通道向混肥罐的已注肥时间，如式(2)所示；第i通道总注肥时间与第i通道已注肥时间的差值乘以预期系数和***系数的结果为第一阶段各通道注肥时间，如式(3)所示；其中预期系数是第一次注肥量占总注肥量的比例，如式(4)所示；***系数是***单次注入理论注肥量达稳定后的Ec值对应的稀释倍数除以混肥罐中肥水Ec理论值的稀释倍数，如式(5)所示；

$T_{si}=\frac{L}{n\×D\×S_i}---\left(1\right)$

${T_i}^{\′}=\frac{L^{\′}}{n\×D^{\′}\×S_i}---\left(2\right)$

ΔT_i1＝(T_si-T_i′)×k×k_e(3)

$k=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_{i1}}{T_{si}}---\left(4\right)$

$k_e=\frac{D^{\′\′}}{D}---\left(5\right)$

其中，T_si——第i通道总注肥时间，s；L——灌溉量设定值，升；S_i——第i通道的注肥速率，升/s；T_i'——第i通道已注肥时间,s；D——混肥罐中肥水Ec理论值的稀释倍数；n-----为通道数量；1≤i≤n；D'——混肥罐中肥水Ec实测值的稀释倍数；L'——混肥罐中肥水容积，升；ΔT_i1——第i通道第1次注肥时间，s；k——预期系数，人为设定值；k_e——***系数，标定获得；D”——***单次注入理论注肥量达稳定后的Ec值对应的稀释倍数；

步骤(2)、预估段：根据步骤(1)选择的预期系数，计算预估系数，如式(6)所示；预估系数乘以总理论注肥时间，为第二阶段各通道注肥时间，如式(7)所示；根据***单次注肥后获得的响应Ec最大值对应的稀释倍数乘以衰减系数，如式(8)所示，如其结果大于混肥罐中肥水Ec理论值的稀释倍数，即控制阀值T_f>0，则不执行预估段注肥程序，直接进入步骤(3)微调阶段；如其结果小于混肥罐中肥水Ec理论值的稀释倍数，即控制阀值T_f<0，则执行注肥程序；其中衰减系数是根据单次注肥响应标定获得，其在不同目标Ec值情况下，单次响应D_max与D”间的关系满足式(10)；

k_f＝(1-k)×k_e(6)

ΔT_i2＝k_fT_si(7)

D”＝k_α*D_max(8)

T_f＝D_max×k_α-D(9)

D”＝0.7658D_max+0.0789(10)

其中，k_f——预估系数；ΔT_i2——第i通道第2次注肥时间，s；k_α——衰减系数；D_max——单次注肥后达到Ec最大值对应的稀释倍数；T_f——预估段控制阀值；

步骤(3)、微调段：通过上述二次注肥混合流程，混肥罐中肥水Ec值已接近目标Ec值；Ec目标值减去Ec检测值设为Y，若0.1≤Y≤0.15时，则进行注肥微调；若Y<0.1时，则等待20s并再次检测，20s后若Y<0.1则混肥成功，若0.1≤Y则继续注肥微调等待并再次判断。经过步骤(1)与步骤(2)之后不会出现Ec目标值减去Ec检测值大于0.15的情况，公知技术不详细描述。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用分段式预估控制方法，通过设定合适预期系数，将多数营养液母液在执行混肥程序初始就加入混肥罐中，提高多数营养液母液的混肥时间，减少后期微调时间，并且避免发生超调现象；解决了现有的肥水灌溉机混肥过程存在的时滞性问题，分段式预估控制方法实现了高效精准肥水混合。

附图说明

图1本发明方法采用的肥水灌溉装置的硬件结构示意图；

图2肥水灌溉装置在不同预期系数激励下混肥效果图；

图3肥水灌溉装置不同目标Ec值混肥结果图；

图4肥水灌溉装置不同目标Ec值情况下pH值结果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步的描述。

如图1所示，本发明方法中“各通道”就是指图1中肥料桶A、肥料桶B、肥料桶C、肥料桶D与混肥罐之间的管路，图1表示的是4个通道；实时检测混合罐中的肥水Ec值是通过图1中的缓冲池检测的；各个通道中都设置有流量计和电磁阀，控制器控制着相应的流量计和电磁阀，从而实现本发明方法各个通道混肥时间的控制。

本发明方法要实施依赖的硬件***主要包括：(1)肥水灌溉装置控制器：可编程逻辑控制器、组态触屏电脑、模数扩展板；(2)肥水信息采集传感器：Ec传感器、pH传感器、液位传感器、液温传感器、流量传感器；(3)肥水灌溉装置配套执行设备：增压自吸泵、隔膜泵、液位开关、电磁阀；(4)辅助设备：开关电源、UPVC管及配件、过滤器、营养液母液罐、混肥罐、营养液回收罐、多路继电器、断路器、铝型材台架等。

***软件主要包括：上位机组态触控屏监控软件和下位PLC软件。本方案中各传感器信号接入PLC控制器和模数扩展板，通过RS232通信接口，连接到触屏平板电脑上，实时显示与存储各传感器信息的实际测量值。根据设定肥水信息参数：灌溉量、肥水浓度(Ec值)，采用肥水混合控制算法驱动肥各执行机构完成混肥，实现高效精准均匀混合，并将混合好的肥水通过滴灌带送至作物根部。

当混肥命令执行时，首先打开混肥泵、混肥阀和循环阀，并关闭灌溉阀，如图1所示。隔膜泵吸取营养液母液通过过滤器，将营养液母液吸入混肥罐，通过混肥泵将水源和营养液母液进行充分混合。当缓冲池中检测的肥水Ec值和pH值达到预期设定值时，自动停止混肥程序。此时关闭混肥阀和循环阀，并打开灌溉阀，将混合好的肥水通过滴灌带供给各作物根部。灌溉阀与滴灌带间安装有流量计，检测累计灌溉量信息。

本发明针对肥水灌溉机混肥过程存在的时滞性问题，设计了分段式预估控制算法实现高效精准肥水混合，控制方法共分为三段，分别为预期段、预估段、微调段。

基于无土栽培肥水灌溉***的肥水高效精准混合方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)、预期段：根据肥水灌溉***设置的Ec值和灌溉量，计算各通道总注肥时间，如式(1)所示；并根据实时检测混合罐中的肥水Ec值和肥水容积，计算各通道向混肥罐的已注肥时间，如式(2)所示；第i通道总注肥时间与第i通道已注肥时间的差值乘以预期系数和***系数的结果为第一阶段各通道注肥时间，如式(3)所示；其中预期系数是第一次注肥量占总注肥量的比例，如式(4)所示；***系数是***单次注入理论注肥量达稳定后的Ec值对应的稀释倍数除以混肥罐中肥水Ec理论值的稀释倍数，如式(5)所示；

$T_{si}=\frac{L}{n\&times;D\&times;S_i}---\left(1\right)$

${T_i}^{\&prime;}=\frac{L^{\&prime;}}{n\&times;D^{\&prime;}\&times;S_i}---\left(2\right)$

ΔT_i1＝(T_si-T_i′)×k×k_e(3)

$k=\frac{{\mathrm{\&Delta;T}}_{i1}}{T_{si}}---\left(4\right)$

$k_e=\frac{D^{\&prime;\&prime;}}{D}---\left(5\right)$

其中，T_si——第i通道总注肥时间，s；L——灌溉量设定值，升；S_i——第i通道的注肥速率，升/s；T_i'——第i通道已注肥时间,s；D——混肥罐中肥水Ec理论值的稀释倍数；n-----为通道数量；1≤i≤n；D'——混肥罐中肥水Ec实测值的稀释倍数；L'——混肥罐中肥水容积，升；ΔT_i1——第i通道第1次注肥时间，s；k——预期系数，人为设定值；k_e——***系数，标定获得；D”——***单次注入理论注肥量达稳定后的Ec值对应的稀释倍数；(k_e的标定属于公知技术不详细描述)

步骤(2)、预估段：根据步骤(1)选择的预期系数，计算预估系数，如式(6)所示；预估系数乘以总理论注肥时间，为第二阶段各通道注肥时间，如式(7)所示；执行依据：根据***单次注肥后获得的响应Ec最大值对应的稀释倍数乘以衰减系数，如式(8)所示，如其结果大于混肥罐中肥水Ec理论值的稀释倍数，如式(9)所示，即控制阀值T_f>0，则不执行预估段注肥程序，直接进入步骤(3)微调阶段；如其结果小于混肥罐中肥水Ec理论值的稀释倍数，即控制阀值T_f<0，则执行注肥程序；其中衰减系数是根据单次注肥响应标定获得，其在不同目标Ec值情况下，单次响应D_max与D”间的关系满足式(10)；

k_f＝(1-k)×k_e(6)

ΔT_i2＝k_fT_si(7)

D”＝k_α*D_max(8)

T_f＝D_max×k_α-D(9)

D”＝0.7658D_max+0.0789(10)

其中，k_f——预估系数；ΔT_i2——第i通道第2次注肥时间，s；k_α——衰减系数；D_max——单次注肥后达到Ec最大值对应的稀释倍数；T_f——预估段控制阀值；

步骤(3)、微调段：通过上述二次注肥混合流程，混肥罐中肥水Ec值已接近目标Ec值；Ec目标值减去Ec检测值设为Y，若0.1≤Y≤0.15时，则进行注肥微调；若Y<0.1时，则等待20s并再次检测，20s后若Y<0.1则混肥成功，若0.1≤Y则继续注肥微调等待并再次判断。经过步骤(1)与步骤(2)之后不会出现Ec目标值减去Ec检测值大于0.15的情况，公知技术不详细描述。

实施例：

以灌溉量为100L、Ec值为2.0mS/cm为例，选择5种预期系数，分别为0.6、0.75、0.85、0.95和1，其混肥效果如图2所示，肥水混肥所需时间分别为320s、310s、240s、207s和230s。当预期系数较小时(0.6和0.75)，增加了后期微调时间。当预期系数为1时，产生了超调现象，虽然其Ec值与目标Ec值差值小于0.1mS/cm，但由于混肥罐容积有限(120L)，当灌溉量设定为120L时，此时无法实现加水降低Ec值，所以预期系数选择0.85～0.95较为合适，既满足混肥高效性，又减少了后期微调时间。

本发明选择预期系数为0.95，进行灌溉量为100L、Ec值分别为1.5、2.0、2.5、3.0和4.0mS/cm的肥水混合试验，其混肥效果如图3和4所示，肥水混肥所需时间分别为205s、207s、252s、308s和323s，其pH值最终结果分别7.2、7.15、6.99、6.88和6.7，均能实现高效精准混肥。试验结果表明：肥水Ec设定值越高，注入营养液母液时间就越长，且增加了混合时间。

采用分段式预估控制，通过设定合适预期系数，将多数营养液母液在执行混肥程序初始就加入混肥罐中，提高多数营养液母液的混肥时间，减少后期微调时间，并且避免发生超调现象。

Claims (1)

1.基于无土栽培肥水灌溉***的肥水高效精准混合方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)、预期段：根据肥水灌溉***设置的Ec值和灌溉量，计算各通道总注肥时间，如式(1)所示；并根据实时检测混合罐中的肥水Ec值和肥水容积，计算各通道向混肥罐的已注肥时间，如式(2)所示；第i通道总注肥时间与第i通道已注肥时间的差值乘以预期系数和***系数的结果为第一阶段各通道注肥时间，如式(3)所示；其中预期系数是第一次注肥量占总注肥量的比例，如式(4)所示；***系数是***单次注入理论注肥量达稳定后的Ec值对应的稀释倍数除以混肥罐中肥水Ec理论值的稀释倍数，如式(5)所示；

$T_{si}=\frac{L}{n\&times;D\&times;S_i}---\left(1\right)$

${T_i}^{\&prime;}=\frac{L^{\&prime;}}{n\&times;D^{\&prime;}\&times;S_i}---\left(2\right)$

ΔT_i1＝(T_si-T_i′)×k×k_e(3)

$k=\frac{{\mathrm{\&Delta;T}}_{i1}}{T_{si}}---\left(4\right)$

$k_e=\frac{D^{\&prime;\&prime;}}{D}---\left(5\right)$

其中，T_si——第i通道总注肥时间，s；L——灌溉量设定值，升；S_i——第i通道的注肥速率，升/s；T_i'——第i通道已注肥时间,s；D——混肥罐中肥水Ec理论值的稀释倍数；n-----为通道数量；1≤i≤n；D'——混肥罐中肥水Ec实测值的稀释倍数；L'——混肥罐中肥水容积，升；ΔT_i1——第i通道第1次注肥时间，s；k——预期系数，人为设定值；k_e——***系数，标定获得；D”——***单次注入理论注肥量达稳定后的Ec值对应的稀释倍数；

步骤(2)、预估段：根据步骤(1)选择的预期系数，计算预估系数，如式(6)所示；预估系数乘以总理论注肥时间，为第二阶段各通道注肥时间，如式(7)所示；根据***单次注肥后获得的响应Ec最大值对应的稀释倍数乘以衰减系数，如式(8)所示，如其结果大于混肥罐中肥水Ec理论值的稀释倍数，即控制阀值T_f>0，则不执行预估段注肥程序，直接进入步骤(3)微调阶段；如其结果小于混肥罐中肥水Ec理论值的稀释倍数，即控制阀值T_f<0，则执行注肥程序；其中衰减系数是根据单次注肥响应标定获得，其在不同目标Ec值情况下，单次响应D_max与D”间的关系满足式(10)；

k_f＝(1-k)×k_e(6)

ΔT_i2＝k_fT_si(7)

D”＝k_α*D_max(8)

T_f＝D_max×k_α-D(9)

D”＝0.7658D_max+0.0789(10)

其中，k_f——预估系数；ΔT_i2——第i通道第2次注肥时间，s；k_α——衰减系数；D_max——单次注肥后达到Ec最大值对应的稀释倍数；T_f——预估段控制阀值；

步骤(3)、微调段：通过上述二次注肥混合流程，混肥罐中肥水Ec值已接近目标Ec值；Ec目标值减去Ec检测值设为Y，若0.1≤Y≤0.15时，则进行注肥微调；若Y<0.1时，则等待20s并再次检测，20s后若Y<0.1则混肥成功，若0.1≤Y则继续注肥微调等待并再次判断。