基于数学模型的水肥一体机的结构优化分析.pdf

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-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 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=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,即Q=S-2g(h+p/)其中,h 为吸肥器喉管中心与肥页面的高度差;S为吸肥器的横截面积;为肥料的体积力。由此可以确定吸肥器的作业状态8,即(h+p/)0 不能够吸肥(h+p/)0 能够吸肥(h+p/)=C(常数)吸肥流量稳定不变吸肥器内部的肥料流动可以看作为不可压缩液体的流动,且流动过程不存在能量交换。因此,在进行肥料的流动分析时,可以不考虑温度场的变化。文丘里吸肥器内部肥料流动的控制方程可以表示为ax+by+cz=0(a)t+?(aU)=-p0 x+?2a+mx(b)t+?(bU)=-p0y+?2b+my(c)t+?(cU)=-p0z+?2c+mz其中,肥料的流速 U 为U=ai+bj+ck其中,a、b、c 分别为肥料流速在 x、y、z 方向的分量;为肥料的黏度系数;mx、my、mz分别为肥料质量力在 x、y、z 方向的分量;p0为肥料在管道处的压力。此时,可以确定文丘里施肥器的数学模型。通过采用ICEM 软件对该数学模型进行分析,可以确定吸肥器吸肥性能达到最优(即吸肥流量达到最大值、水头损失最小且能够进行正常吸肥作业)时的参数如下:渐缩角=20,渐扩角=8,喉部直径 d0=6mm。2.2 灌溉预测控制算法优化为了达到精确灌溉控制的目的,采用模糊控制和灰色预测结合的算法,对灌溉需水量进行预测。其中,灰色预测模型是进行预测的关键。首先,定义灰色预测模型为 GM(m,g)。其中,m 为模型中的微分方程阶数;g 为模型变量的数量。由于灌溉用水采用流量控制方式,因此可以采用一阶模型,即 GM(1,1)进行控制。假设当前灌溉水流量的横向量 Q 为Q(0)=Q(0)(1),Q(0)(2),.,Q(0)(m)对原始数据进行累加,可以得到Q(1)=Q(0)(1),Q(1)(2),.,Q(1)(m)Q(1)(i)=ij=1Q(0)(i),i=1,2,.,m对累加数据进行紧邻均值处理,可以得到q(1)(i)=0.5Q(1)(i)+Q(1)(i-1),i=2,3,.,m此时,确定预测模型 GM(1,1)的白化方程为dQ(1)(t)dt+sQ(1)(t)=其中,s 为预测模型的发展系数;为灰色作用值。对上式求解,并进行累加操作,可以得到预测序列为Q(0)(i+1)=Q(1)(i+1)-Q(1)(i),i=1,2,.,m此时,i+n 时刻灌溉用水量预测值为Q(i+n)=Q(1)-se-s(i+n-n)(1-es)通过以上方法可以进行灌溉用水量的预测,达到精确灌溉的目的。3 试验结果由于本文主要针对文丘里吸肥器进行了结构优562023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期化,因此采用数值模拟的方式对吸肥器进行吸肥性能对比试验。文丘里吸肥器的结构在优化前后其吸肥性能对比结果如表 1 所示。表 1 对比试验结果Table 1 The result of comparative testm3/h吸肥器结构进口流量吸肥流量优化前1.6580.079优化后1.6130.121 由表 1 可知:优化结构后的文丘里吸肥器的性能明显优于未优化结构前的性能,吸肥流量大约提高了25%。其后,采用该水肥一体机进行农田灌溉,观察其作业性能,结果表明:该水肥一体机可以正常作业,实现精准灌溉。4 结论1)针对传统的灌溉和施肥方式作业效率较低、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。2)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。3)为了验证水肥一体机的结构合理性,进行了吸肥性能对比试验和灌溉试验,结果表明:该水肥一体机结构合理,可实现精准灌溉。参考文献:1 张明生.浙江省水资源可利用与优化研究D.杭州:浙江大学,2005.2 王孝龙.水肥精准配比控制系统研发D.杨凌:西北农林科技大学,2018.3 高祥照,杜森,钟永红,等.水肥一体化发展现状与展望J.中国农业信息,2015(5):14-19.4 尹飞虎.节水农业及滴灌水肥一体化技术的发展现状及应用前景J.中国农垦,2018(6):30-32.5 孟一斌.微灌施肥装置水力性能研究D.北京:中国农业大学,2006.6 赵文星,吴至境,刘德力,等.基于农业物联网的果园环境智能监测系统设计J.江苏农业科学,2016,45(5):391-394.7 姜年昌.人机界面测试方法探讨J.电子质量,2019(8):1-3.8 成大先.机械设计手册K.北京:机械工业出版社,2010:15-32.Structure Optimization Analysis of Water and Fertilizer Integrated Machine Based on Mathematical Model Jiao Xuelei (Sichuan Vocational College of Finance and Economics,Chengdu 610101,China)Abstract:Aiming at the problem of low efficiency and low utilization rate of water and fertilizer in the traditional irriga-tion and fertilization methods,the structure of water and fertilizer based on mathematical model was designed and opti-mized.The water and fertilizer integrated machine was constituted of data acquisition system,irrigation and fertilization system,automatic control system and control center.To realize precise fertilization and irrigation,the structure of Venturi fertilizer absorber was optimized by the method of mathematical model.And the control algorithm combining fuzzy control and grey prediction was used to predict irrigation.The comparative test of fertilizer absorption performance and irrigation test were carried out.The test result show that the structure of the water and fertilizer integrated machine is reasonable,and the accurate irrigation can be realized.Key words:water and fertilizer integrated machine;venturi fertilizer;fuzzy control;algorithm of grey prediction 662023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期