CN108450115B - 一种基于多路流量控制的水肥一体机及其流量控制方法 - Google Patents

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CN108450115B CN201810110248.1A CN201810110248A CN108450115B CN 108450115 B CN108450115 B CN 108450115B CN 201810110248 A CN201810110248 A CN 201810110248A CN 108450115 B CN108450115 B CN 108450115B
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Abstract

本发明公开一种基于多路流量控制的水肥一体机及流量控制方法，通过各水路的数字调节阀控制流量，从而实现对于配肥比例的控制。水和多路水溶肥同时进入水泵，在水泵中混合均匀，最终通过滴灌带到达植物根部，此种结构施肥效率较高，花费时间较短。多种类肥料同时施加，使肥料充分混匀到达作物根部，提高作物的吸肥效率。防止施肥过程中不同植物肥料的不均匀，避免不同植株的长势不均造成作物品质差异。本发明采用适应调和比值控制算法，该控制算法能够实现流量控制快速性和跟随性能的统一。当主管路流量受到较大扰动时，支管路流量跟随迅速，可以有效避免流量比值失配的情况发生。

Description

一种基于多路流量控制的水肥一体机及其流量控制方法
技术领域
本发明属于农业设备技术领域，具体涉及一种基于多路流量控制的水肥一体机及其流量控制方法。
背景技术
水肥一体化技术，是将灌溉与施肥融为一体的农业新技术，一般采用滴灌技术，通过铺设滴灌带将水分以及水溶肥以滴状浸润植物根部。水溶肥是一种可以快速完全溶于水的复合型肥料，它易于被作物吸收，而且利用率较高，是实现水肥一体化灌溉的理想肥料。水肥一体机的研究，多集中在定时控制、逻辑控制、开关控制等领域。在农业生产中，有两个鲜明的特性：一是种植规模较大，为了缩短混肥所消耗的时间，有效保持肥料肥力及效能，需要在线式施肥；二是作物对水肥的比例有较高的要求，需要实时保证其多路水肥比例不变。因此在控制算法的研究上，除了常规复杂系统控制的要求外，还要满足调和比值控制的特殊要求。
目前市场的水肥一体机普遍存在以下缺点：
(1)现有的水肥一体机，多采用预混桶方式施肥，施肥前需在预混桶内按一定水肥比例配置好水肥溶液，然后才能施出。这种方式不仅施肥效率较低，花费时间较长，而且限制了施肥规模的扩大。
(2)现有的水肥一体机，水肥比例仅以各肥料阀门开断时间来控制水肥的比例，所配水溶肥中各养分浓度与预期差异较大，无法实现精准农业；在机器实际运行中，系统中存在着水压，水中气泡等一些外部扰动因素，一些较大的扰动可能造成系统流量比值失配；且施肥过程中不同植株获得的肥料不均匀，会使不同植株长势不均，造成作物的品质差异。
(3)现有的水肥一体机，功能较单一或者较少，只能按照经验通过手动或预算设定进行施肥，无法根据植株周围环境的实时变化调整相应的施肥策略。
发明内容
针对现有水肥一体机施肥效率较低、肥料配比不够精准、功能较少等不足，本发明提出基于全闭环和多流量比值控制的一种基于多路流量控制的水肥一体机及其流量控制方法。
本发明提供一种基于多路流量控制的水肥一体机，包括：
用于采集水肥管路中主管路和支管路的实时流量的多个流量计；
对水肥管路的实时流量进行控制的执行系统，包括：多个数字调节阀、变频器和水泵；所述多个数字调节阀分别设置在供水主管路、大量元素的水溶肥支管路、微量元素的水溶肥支管路和酸液支管路以调节水肥管路的流量；所述水溶肥和酸液通过相应管路汇入供水主管路后再流入水泵并在水泵内混合均匀后输出到灌溉管路；所述变频器用于控制水泵转速以调节供水肥的压力；
对所述数字调节阀和水泵进行控制的PLC控制系统，包括：
水泵控制模块；
根据管路的设定流量和实时流量间的偏差对管路中数字调节阀的开度进行闭环控制的PID控制模块；
根据设定的支管路和主管路的流量比值、主管路的设定流量和主管路的实时流量计算各个支管路的设定流量的调和控制器模块。
本发明还一种基于多路流量控制的水肥一体机的流量控制方法，包括如下步骤：
步骤1：采集水肥管路中主管路和支管路的实时流量；
步骤2：根据设定的支管路和主管路的流量比值、主管路的设定流量和主管路的实时流量计算各个支管路的设定流量；
步骤3：根据管路的设定流量和实时流量间的偏差对管路中数字调节阀的开度进行闭环控制；
本发明具有以下有益效果及优点：
1.针对水肥一体化滴灌施肥的具体要求，设计了在线式施肥管路机构，通过变频器实现恒压供水。保证出水口压力不变。通过各水路的数字调节阀控制流量。从而实现对于配肥比例的控制。水和多路水溶肥同时进入水泵，在水泵中混合均匀，最终通过滴灌带到达植物根部。此种结构施肥效率较高，花费时间较短。多种类肥料同时施加，使肥料充分混匀到达作物根部，提高作物的吸肥效率。防止施肥过程中不同植物肥料的不均匀，避免不同植株的长势不均造成作物品质差异。
2.本发明采用适应调和比值控制算法，该控制算法能够实现流量控制快速性和跟随性能的统一。当主管路流量受到较大扰动时，支管路流量跟随迅速，可以有效避免流量比值失配的情况发生。
3.与水肥一体机通讯的环境参数检测装置可以连续检测温室大棚中的环境参数，根据PLC中预先存储的专家经验规则，指导或提醒使用者进行施肥比例和施肥流量的调整。并可通过DTU数据模块上传环境数据。为施肥参数确定提供数据支持。数据上传至Web端服务器，专家可远程监控水肥一体机的各项数据。
附图说明
图1为本发明的一种基于多路流量控制的水肥一体机的结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中适应调和比值控制算法原理结构示意图；
图3为本发明具体实施方式中适应调和比值控制具体实施算法结构示意图；
图4为本发明具体实施方式中操作流程图；
图5为本发明具体实施方式中水肥一体机管路结构示意图；
图6为本发明具体实施方式中数据通讯方式示意图。
具体实施方式
参照附图对本发明的一种基于多路流量控制的水肥一体机及其流量控制方法进行说明。
如图1所示本发明的一种基于多路流量控制的水肥一体机，包括：PLC控制系统1、执行系统2和数据采集系统3。PLC控制系统1根据数据采集系统3采集的数据，运行控制算法，对执行系统2进行控制。
数据采集系统3包括：用于采集水肥管路中主管路和支管路的实时流量的多个流量计31；采集水泵出水口处压力的远程压力表32，将出水口压力以模拟电压信号的方式传递至PLC控制系统；采集肥料参数的EC值传感器33和PH值传感器34；采集环境参数的湿度传感器35、温度传感器36、光辐照度传感器37、二氧化碳传感器38；将环境参数传输给所述PLC控制系统1的数据采集变送器39。
执行系统2用于对水肥管路的实时流量进行控制，包括：多个数字调节阀21、变频器22和水泵23。所述多个数字调节阀21分别设置在供水主管路、大量元素的水溶肥支管路、微量元素的水溶肥支管路和酸液支管路以调节水肥管路的流量；所述水溶肥和酸液通过相应管路汇入供水主管路后再流入水泵23并在水泵内混合均匀后输出到灌溉管路；所述变频器22用于控制水泵23转速以调节供水肥的压力。变频器22的功率为0.4KW至2KW。
PLC控制系统1用于对所述数字调节阀21和水泵23进行控制，包括：水泵控制模块11、PID控制模块12、调和控制器模块13和数据采集与通讯模块14。水泵控制模块11通过控制变频器22对水泵23的转速进行调节。调和控制器模块13根据设定的支管路和主管路的流量比值、主管路的设定流量和主管路的实时流量计算各个支管路的设定流量；PID控制模块12根据管路的设定流量和实时流量间的偏差对管路中数字调节阀21的开度进行闭环控制。数据采集与通讯模块14用于存储肥料参数、环境参数和各管路的实时流量。将检测获得的肥料参数和环境参数与PLC控制系统中预先存储的专家经验规则进行比较分析，可指导或提醒使用者如何进行施肥比例和施肥流量的调整。
在计算支管路的设定流量时，采用调和比值控制算法，该控制算法能够实现流量控制快速性和跟随性能的统一。当主管路流量受到较大扰动时，支管路流量跟随迅速，可以有效避免流量比值失配的情况发生。支管路的设定流量由主管路的设定流量和主管路的实时流量共同决定。
调和控制器模块13具体根据如下公式计算支管路的设定流量：
r2(t)＝k(γr1(t)+(1-γ)y1(t)) (1)
其中，t为当前时刻；r1(t)为主管路的设定流量；y1(t)为主管路的实时流量；r2(t)为支管路的设定流量；k支管路和主管路的流量比值；γ为增益加权值，其大小代表了在支管路的设定流量中，主管路的设定流量r1(t)和主管路的实时流量y1(t)所占比例的大小；
增益加权值γ的大小代表了在支管路的设定流量中，主管路的设定流量r1(t)和主管路的实时流量y1(t)所占比例的大小。可以看到，当γ＝0时，等效为跟随主管路的实时流量的系统。而取γ＝1时，等效为只跟随主管路的设定流量的系统。在调和比值控制中，增益加权值的选择将会影响控制器的性能。在不同情况下，要达到最好的控制效果，增益加权值γ的取值也不尽相同，选择最优的增益加权值存在一定难度。通过试凑的方法确定增益加权值，过程繁琐，耗时耗力。进一步的，选用适应调和比值控制算法，根据两回路输出值的变化，在线调整增益加权值，是解决这一难题的良好选择，该算法的控制结构示意图如图2所示。增益加权值可根据主管路的实时流量y1(t)和支管路的实时流量y2(t)在线更新。适应调和比值控制算法的增益加权值γ根据下式计算：
Figure BDA0001568961320000061
其中，λ表示增益加权值的变化量；y2(t)为支管路的实时流量；当S＝0或者ky1(t)-y2(t)＝0时，γ的调整达到平衡，不再改变；Ti的大小取主管路和支管路中较长的积分时间常数；S代表的是符号参数，它的取值为1、-1、0；符号参数的选取规则如下：
当主管路的设定流量r1(t)增大时，S取值为1。如两路输出值满足ky1(t)＞y2(t)，说明主管路设定流量影响小，γ应增大；而如果ky1(t)＜y2(t)，则γ应该减小；
当主管路设定流量r1(t)减小时，S取值为-1。如果两路输出值满足ky1(t)＞y2(t)，说明支管路反应过大，此时应当减少；而如果ky1(t)＜y2(t)，γ应当增大。
图3为本发明具体实施方式中适应调和比值控制具体实施算法结构示意图，当设有多条支管路时，流量小的支管路的设定流量计算跟随流量大的上一级管路。如果多条支管路的流量相近时，各支管路的设定流量计算都可跟随主管路。如果各条支管路的流量相差较大时，则大流量的支管路的设定流量计算跟随主管路，小流量的支管路的设定流量计算跟随大流量的支管路，这样可以解决小流量的支管路跟随主管路而导致调节迟钝的问题，使小流量支管路流量的调节更加灵敏。
进一步的，所述PLC控制系统1由封装于一体冲压而成的金属外壳中的PLC控制器和触摸屏组成。PLC控制系统1可以在温室大棚等较为潮湿的环境中正常工作。
进一步的，所述EC值传感器33和PH值传感器34设置于供水主管路和水泵间的管路上，用于检测水肥混合液的EC值和PH值。
进一步的，数字调节阀21由步进电机驱动器和阀体组成。数字调节阀21安装于水肥管路中，可根据PID控制模块12输出的控制信号，调节阀体开度，从而控制各个管路中液体流量大小。
进一步的，水肥一体还包括数据上传部分4，所述数据上传部分4采用DTU数据传输模块，该DTU数据传输模块与PLC控制系统1的数据采集与通讯模块通过RS485总线结构通讯，将肥料参数、环境参数和各管路实时流量上传到Web服务器。该DTU数据传输模块安装有数据流量卡，通过GPRS网络和Web服务器相连。Web服务器上的服务端程序通过移动通讯网络定时轮询不同地区的设备的PLC控制系统，PLC控制系统再按照一定的通讯协议通过DTU数据传输模块回执当前温室大棚中的各项环境参数通讯方式如图6所示，Web服务器接收到回执的各项温室环境参数之后，按照时间顺序保存至数据库中。
进一步的，所述数据采集变送器39的硬件设计以MICROCHIP公司的8位单串口处理芯片PIC18F4620为处理核心；通过IIC接口以及ADC接口挂结传感器，完成对温室大棚中空气温度、空气湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤温度、土壤湿度等温室环境参数的采集；键盘、拨码开关和LCD显示屏提供人机交互接口，通过键盘设置确定温室环境参数采集器采集哪种类型的温室环境参数，通过拨码开关设定温室环境参数数据采集器的设备ID，LCD显示屏直观的显示出当前设备的ID、采集温室环境参数的种类、该种类温室环境参数的具体数值；隔离型485芯片ADM2587挂结在PIC18F4620串口之上，完成温室环境参数数据采集器与控制器之间的通讯；电压转换部分使用DC-DC模块、稳压芯片等器件，为整个温室环境参数数据采集器提供稳定的各等级电源。
本发明还一种基于多路流量控制的水肥一体机的流量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：采集水肥管路中主管路和支管路的实时流量；
步骤2：根据设定的支管路和主管路的流量比值、主管路的设定流量和主管路的实时流量计算各个支管路的设定流量；具体根据如下公式计算支管路的设定流量：
r2(t)＝k(γr1(t)+(1-γ)y1(t)) (1)
其中，t为当前时刻；r1(t)为主管路的设定流量；y1(t)为主管路的实时流量；r2(t)为支管路的设定流量；k支管路和主管路的流量比值；γ为增益加权值，其大小代表了在支管路的设定流量中，主管路的设定流量r1(t)和主管路的实时流量y1(t)所占比例的大小；增益加权值γ根据下式计算：
Figure BDA0001568961320000081
其中，λ表示增益加权值的变化量；y2(t)为支管路的实时流量；当S＝0或者ky1(t)-y2(t)时，γ的调整达到平衡，不再改变；Ti的大小取主管路和支管路中较长的积分时间常数；S代表的是符号参数，它的取值为1、-1、0；符号参数的选取规则如下：
当主管路的设定流量r1(t)增大时，S取值为1。如两路输出值满足ky1(t)＞y2(t)，说明主管路设定流量影响小，γ应增大；而如果ky1(t)＜y2(t)，则γ应该减小；
当主管路设定流量r1(t)减小时，S取值为-1。如果两路输出值满足ky1(t)＞y2(t)，说明支管路反应过大，此时应当减少γ；而如果ky1(t)＜y2(t)，γ应当增大。
步骤3：根据管路的设定流量和实时流量间的偏差对管路中数字调节阀的开度进行闭环控制；
在本实施中，设备主监控界面为设备的启动界面，在设备正常运行时触摸屏也停留在本界面，该界面实时显示每一路流量计所监控的管路流量，水泵的工作状态，输出肥液的EC/PH值。
在本实施中，水肥一体机有两种操作模式，手动模式和自动模式。整个操作过程的流程图如图4所示。
所述手动模式，可根据所需的水溶肥密度，设定主管路灌溉水流量和各路水溶肥肥液流量。然后通过手动旋钮控制施肥的开始和停止。
所述自动模式，使用者可以设定六个施肥时间段，每个时间段前面配有开关。当开关为开启状态时，表示本时间段有效。当系统时间进入设定时间段，设备将进行施肥操作。当开关为关闭状态，在本时间段设备不动作。时间段的设定与更改需要在开关为关闭状态时进行。每个时间段，施肥的比例即水的流量和各个水溶肥的流量均可分别设定。在有些植物的生长时期，并不需要每一天都进行施肥操作。此时可打开时间间隔开关，进行施肥周期的设定，设备将在每个施肥周期的第一天进行施肥操作。
所述水肥管路选用PVC(聚氯乙烯)管作为管材材料管线的管径主要选择了两种规格。主管路即供水回路选择了G1管径，其他支管路的部分选择了G1/2的管径。整个管路的结构如图5所示。温室中设有水桶，不同大量元素水溶肥桶组，微量元素水溶肥桶组，酸液桶。主管路连接水桶；另外几条管路为支管路，根据用户设计要求即水溶肥的种类，支管路为3至5条，连接其他桶组。
具体实施时，当设备工作时，水泵运转产生吸力，水流从主管路进入横向回路后，流速加快产生负压区，吸力增加，吸入副回路水溶肥，最终液体混合进入水泵。每一条水路上有数字调节阀21，涡轮流量计31和控制器组成控制回路，系统实时控制每一条管路液体流量，最终使水和各路肥料达到设定的流量比例，液体经水泵出水口到达各垄滴灌带，对于温室作物进行滴灌。出水口水压由远程压力表32监控。通过变频器22调节水泵23转速，实现恒压供水。
本次实施中环境状态监控包括CO2的浓度，光照强度，风速，雨量，各拓展执行机构开关量的状态等测得的数据可以简单直观的显示出来，可以通过罗盘显示，也可以通过数据显示，还可以对参数的上下限进行显示，用来提供报警信息。本发明一体机可以对参数报警上下限的数值进行输入，可以设置DTU地址，可以设置执行机构拓展开关量的名称；还可以对CO2浓度，光照强度，风速，雨量，空气温湿度，土壤温湿度的历史数据用图表的形式显示出来，使得相关数据能够更方便的读出以及直观的显示出来。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于多路流量控制的水肥一体机，其特征在于，包括：
用于采集水肥管路中主管路和支管路的实时流量的多个流量计；
对水肥管路的实时流量进行控制的执行系统，包括：多个数字调节阀、变频器和水泵；所述多个数字调节阀分别设置在供水主管路、大量元素的水溶肥支管路、微量元素的水溶肥支管路和酸液支管路以调节水肥管路的流量；所述水溶肥和酸液通过相应管路汇入供水主管路后再流入水泵并在水泵内混合均匀后输出到灌溉管路；所述变频器用于控制水泵转速以调节供水肥的压力；
对所述数字调节阀和水泵进行控制的PLC控制系统，包括：
水泵控制模块；
根据设定的支管路和主管路的流量比值、主管路的设定流量和主管路的实时流量计算各个支管路的设定流量的调和控制器模块；
根据管路的设定流量和实时流量间的偏差对管路中数字调节阀的开度进行闭环控制的PID控制模块；
所述调和控制器模块根据如下公式计算支管路的设定流量：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，t为当前时刻；r 1(t)为主管路的设定流量；y 1(t)为主管路的实时流量；r 2(t)为支管路的设定流量；k为支管路和主管路的流量比值；
Figure 335034DEST_PATH_IMAGE002
为增益加权值，其大小代表了在支管路的设定流量中，主管路的设定流量r 1(t)和主管路的实时流量y 1(t)所占比例的大小；增益加权值
Figure 330803DEST_PATH_IMAGE002
根据下式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（2）
其中，
Figure 907277DEST_PATH_IMAGE004
表示增益加权值的变化量；y 2(t)为支管路的实时流量；当S=0或者k y 1(t)- y 2(t)=0时，
Figure 771328DEST_PATH_IMAGE002
的调整达到平衡，不再改变；Ti的大小取主管路和支管路中较长的积分时间常数；S代表的是符号参数，它的取值为1、-1、0；符号参数的选取规则如下：
当主管路的设定流量r 1(t)增大时，S取值为1；如两路输出值满足
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，说明主管路设定流量影响小，
Figure 162864DEST_PATH_IMAGE002
应增大；而如果
Figure 313223DEST_PATH_IMAGE006
，则
Figure 580256DEST_PATH_IMAGE002
应该减小；
当主管路设定流量r 1(t)减小时，S取值为-1；如果两路输出值满足
Figure 247998DEST_PATH_IMAGE005
，说明支管路反应过大，此时应当减少
Figure 995505DEST_PATH_IMAGE002
；而如果
Figure 988869DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 336674DEST_PATH_IMAGE002
应当增大。
2.如权利要求1所述的基于多路流量控制的水肥一体机，其特征在于，所述PLC控制系统由封装于一体冲压而成的金属外壳中的PLC控制器和触摸屏组成。
3.如权利要求1所述的基于多路流量控制的水肥一体机，其特征在于，所述水肥一体机还包括：采集水泵出水口处压力的远程压力表；采集肥料参数的EC值传感器和PH值传感器；采集环境参数的土壤湿度传感器、空气湿度传感器、土壤温度传感器、空气温度传感器、光辐照度传感器、二氧化碳传感器；将环境参数传输给所述PLC控制系统的数据采集变送器，根据PLC中预先存储的专家经验规则，指导或提醒使用者进行施肥比例和施肥流量的调整。
4.如权利要求3所述的基于多路流量控制的水肥一体机，其特征在于，所述PLC控制系统还包括：用于存储所述肥料参数、环境参数和各管路的实时流量的数据采集与通讯模块。
5.如权利要求4所述的基于多路流量控制的水肥一体机，其特征在于，所述水肥一体机还包括数据上传部分，所述数据上传部分采用DTU数据传输模块，该DTU数据传输模块与PLC控制系统的数据采集与通讯模块通过RS485总线结构通讯，将肥料参数、环境参数和各管路实时流量上传到Web服务器。
6.如权利要求3所述的基于多路流量控制的水肥一体机，其特征在于，所述EC值传感器和PH值传感器设置于供水主管路和水泵间的管路上。
7.如权利要求1所述的基于多路流量控制的水肥一体机，其特征在于，所述数字调节阀由步进电机驱动器和阀体组成。
8.一种基于多路流量控制的水肥一体机的流量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：采集水肥管路中主管路和支管路的实时流量；
步骤2：根据设定的支管路和主管路的流量比值、主管路的设定流量和主管路的实时流量计算各个支管路的设定流量；
步骤3：根据管路的设定流量和实时流量间的偏差对管路中数字调节阀的开度进行闭环控制；
所述步骤3根据如下公式计算支管路的设定流量：
Figure 276948DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，t为当前时刻；r 1(t)为主管路的设定流量；y 1(t)为主管路的实时流量；r 2(t)为支管路的设定流量；k支管路和主管路的流量比值；
Figure 800333DEST_PATH_IMAGE002
为增益加权值，其大小代表了在支管路的设定流量中，主管路的设定流量r 1(t)和主管路的实时流量y 1(t)所占比例的大小；增益加权值
Figure 72920DEST_PATH_IMAGE002
根据下式计算：
Figure 642442DEST_PATH_IMAGE003
（2）
其中，
Figure 120828DEST_PATH_IMAGE004
表示增益加权值的变化量；y 2(t)为支管路的实时流量；当S=0或者k y 1(t)- y 2(t)=0时，
Figure 764299DEST_PATH_IMAGE002
的调整达到平衡，不再改变；Ti的大小取主管路和支管路中较长的积分时间常数；S代表的是符号参数，它的取值为1、-1、0；符号参数的选取规则如下：
当主管路的设定流量r 1(t)增大时，S取值为1；如两路输出值满足
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，说明主管路设定流量影响小，
Figure 771569DEST_PATH_IMAGE002
应增大；而如果
Figure 500490DEST_PATH_IMAGE006
，则
Figure 48146DEST_PATH_IMAGE002
应该减小；
当主管路设定流量r 1(t)减小时，S取值为-1；如果两路输出值满足
Figure 123288DEST_PATH_IMAGE005
，说明支管路反应过大，此时应当减少
Figure 894935DEST_PATH_IMAGE002
；而如果
Figure 314415DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 524816DEST_PATH_IMAGE002
应当增大。
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