基于脈寬調制的文丘里變量施肥裝置的改進

0模糊控制在自動混施肥系統中的應用灌溉施肥是一種綜合性的肥料灌溉技術。這意味著將肥料溶解在灌溉水中，通過壓力灌溉系統將肥料均勻地轉移到作物根部的土壤中。具有均勻施肥、高利用率和有效減輕土壤和環境污染等特點。廣泛用于微灌系統。施肥裝置是實現灌溉施肥的主要手段和重要設備之一。目前國內外常用的施肥裝置主要有自壓式、壓差式、水力驅動注入式、機械驅動注入式和文丘里吸入式等幾種形式,各種形式的施肥裝置都有其各自的優缺點,而且從自動控制角度分析,其混肥濃度的控制性能也各有差異。其中,文丘里吸入式結構簡單且經濟實用,得到了廣泛的應用,但其混肥濃度不易于實現自動調控,為此,根據文丘里施肥器的進出口壓力比與施肥濃度有著某種固定的關系,以及在其出口處調節進出口壓力差可以有效地改變其施肥濃度,在文丘里施肥器的基礎上,利用脈寬調制(pulsewidthmodulation,PWM)技術設計了一種水肥一體化變量施肥裝置,通過自動調節電磁閥PWM控制的占空比來實時改變吸肥濃度,并得出了不同進口水壓下PWM占空比與吸肥濃度的關系。但從自動控制角度看,該裝置屬于開環控制,其混肥精度與穩定性難以得到保證,需采用相應的控制方法以提高其精度與穩定性。模糊控制因不依賴于精確的數學模型,適用于非線性、時變性及純滯后對象的控制,在自動混施肥系統中得到了廣泛的應用。邵利敏等利用模糊控制算法確定各歸一化植被差異指數區間的最佳施肥量,并結合施肥機具行進速度調節施肥量,實現實時變量施肥。孫裔鑫等、梁春英等分別在播種施肥機上利用模糊PID(proportionintegrationdifferentiation)控制算法實現了對顆粒狀肥料、液體肥的精確施用。古玉雪等為協調雙變量施肥機車載電腦有限的運算能力與施肥精度和均勻性之間的矛盾,提出了一種基于模糊系統的開度轉速雙變量施肥播種控制序列生成方法,試驗表明使用該方法的施肥機指令響應及時,播撒均勻,平均施肥誤差比常用方法減小了4%。Domingo等將模糊控制技術與FPGA(fieldprogrammablegatearray)技術相結合,研制了一個可在線混合營養液濃度的溫室灌溉施肥系統,具有良好的節水節肥效果。么麗麗、楊青云、周亮亮、張瓊、雷永富等根據傳感器采集的溶液電導率信息或酸堿度信息,采用模糊控制策略控制混肥泵、電磁閥等進行肥液或營養液的在線自動混合,實現了水肥一體化的自動控制,經仿真、試驗表明所設計的灌溉施肥系統的性能指標滿足實際要求。由上述可知,將模糊控制應用于自動混施肥裝置中能取得良好的效果。因此,本文擬在基于脈寬調制的變量施肥裝置的基礎上,通過改進裝置結構,并增加一個肥液濃度的反饋模塊,使整個裝置構成一個閉環系統,并采用模糊控制策略,以期提高裝置的自動混肥精度和穩定性。1檢測結果分析本裝置的結構如圖1所示,它是在文獻所設計的裝置(圖1中虛線框內的部分)的基礎上,通過在主管的出口方向上安裝一個緩沖箱和增加一個肥液濃度測量模塊4來實現的。緩沖箱用于將水、肥充分混合均勻,并使混合液短暫地駐留其內,以便于肥液濃度的精度檢測;肥液濃度測量模塊4通過將其傳感部件置于緩沖箱內,用于實時測量混合后的肥液濃度,并將測量結果反饋至控制器。主水管的直徑為32mm;文丘里施肥器(塑料材質,規格為25mm,工作壓力≤0.6MPa,流量為0.5~2m3/h,施肥濃度為0~10%)與主水管并聯安裝,吸肥管為直徑12mm的硬質膠管;緩沖箱呈圓柱體形狀,其圓截面直徑為63mm,高為40cm,安裝在距文丘里施肥器出口30cm處,且圓柱體的軸向中心線與主水管的軸向中心線重合;電磁閥1和電磁閥2為雙穩態脈沖電磁閥,其工作電壓為直流3~12V;壓力變送器的型號為AOB-131,其量程為0~1MPa,精度0.4級;控制器采用MSP430F2132單片機作為主控器。本裝置主要是通過調節電磁閥2的PWM控制的占空比來實現混肥濃度的自動調節。當啟用裝置進行工作時,首先關閉電磁閥2,同時利用壓力變送器1檢測入口水壓,根據檢測結果調用各個壓力下所標定的PWM占空比與目標施肥濃度的對應關系,對PWM占空比進行調節,使混肥濃度趨近于目標濃度;然后利用肥液濃度測量模塊4實時反饋混合濃度,并根據反饋結果細微調整PWM占空比,使肥液混合后的濃度盡量逼近于目標濃度,從而減小混肥誤差。2肥液濃度測量模塊2.1肥液電導率測量由于肥料的原料大多數為無機鹽類,而這些無機鹽類屬于強電解質,在水中可以被電離成帶正、負電荷的離子,因此,肥液是一種電解質溶液,具有導電能力。肥液的導電能力一般用電導率來表征,電導率越大則溶液的導電能力越強,而肥液的電導率與肥液濃度有著顯著相關性,因此可通過測量肥液電導率的方法來間接測量肥液濃度。肥液像任何一種導電介質一樣,當電流通過時會存在一個等效電阻,對電流形成一定的阻力。一般用電導和電導率和表示這個阻力的大小,即式中,G為電導,S;Rx為肥液等效電阻,?;ρ為電阻率,?·cm;l為電導電極兩極片之間的距離,cm;A為肥液的導通截面積,cm2,與極片面積有關;k為電極常數,cm-1,其值為l與A之比;σ為電導率,S/cm。由此可見,肥液的電導率越大則其電導也越大,即其等效電阻越小。因此,可以通過測量肥液的電導或等效電阻的方式來測量其電導率,并根據肥液電導率與其濃度的函數關系(通過試驗標定得到),進而測量出肥液的濃度。目前,測量電解質溶液電導率的方法主要有電極法、電容耦合法和電磁感應法等。本文綜合考慮實際應用,采取電極法進行肥液電導率的測量。具體的測量方法如圖2所示,將一個電導電極置于待測肥液中,并電導電極上串聯一個電阻R,然后在電導電極與電阻R的兩端加一個激勵電源E進行測量。當肥液濃度發生改變時,其電導率也會隨之變化,從而電導電極兩極片間的肥液等效電阻Rx也會不同,而電阻(R,?)與電導電極極片間的肥液等效電阻Rx形成分壓電路,通過測量電阻R上的電壓(V,V)就可獲知肥液的等效電阻,根據等效電阻即可換算出電導率。由圖2可計算出肥液等效電阻Rx為式中,E為激勵電源的電壓,V。根據肥液的等效電阻Rx和電導電極的電極常數k可計算出肥液的電導率σ,即2.2電導率儀的設計2.2.1電極激勵源對網絡極化效應和電容效應的消除作用由于在農業應用中,肥液濃度對應的電導率通常在0.5~4.0mS/cm范圍內,因此選用量程為10~20000μS/cm的工業電導電極(上海華樂電子有限公司生產,鈦合金材質)進行電導率的測量。該電極的測量精度為0.01mS/cm,電極常數k=10cm-1,其輸出為待測溶液的等效電阻。當電導電極置于肥液中測量時,整個電導池表現為一個復雜的電化學系統,電導電極等效于電阻和電容串并聯構成的網絡,在測量過程中會存在極化效應(包括化學極化和濃差極化)和電容效應,從而引起測量誤差。由于電極采用直流電壓供電時的極化效應很嚴重,通常都采用交流電壓作為電極的激勵源進行測量,但電極激勵源的類型、頻率和幅值的選取是否合適,直接影響著其測量精度和穩定性。為確定電極的激勵源,以電導率為1413μS/cm的標準溶液(哈希公司生產)作為基準溶液,通過兌水的方式配制了一系列不同電導率的待測溶液,并在電極上串聯一個2200?的分壓電阻(型號為RJ71),同時以函數發生器(型號為SPF05)輸出不同頻率、幅值的方波或正弦波信號作為電極的激勵源,分別在各個待測溶液中進行測試試驗。試驗過程中,以1V為步進、在0~10V范圍內調節函數發生器輸出波形的峰-峰值,并分別在每個峰-峰值下,緩慢地調節輸出波形的頻率在0~10kHz范圍內變化,同時用示波器(型號為TektronixTDS2041)進行觀察。若發現,分壓電阻上的波形信號的形狀、頻率均與激勵源一致,且該波形信號的峰-峰值或有效值在各個待測溶液中均能長時間保持穩定,則表明電極在該激勵源作用下,其測量時的極化效應和電容效應基本上被消除。并以此作為選取激勵源的依據。根據對各組試驗結果的對比分析知,采用幅值為±3.5V的方波信號作為電極的激勵源,其測量效果最佳,而且此時分壓電阻上的波形電壓的有效值保持穩定。2.2.2電導率的測量試驗中發現,當電導電極串聯一個固定的分壓電阻、以相同頻率的方波激勵信號在其電導率量程范圍內進行測量時,其誤差會隨著待測溶液電導率的增大或減小而變大。因此,需在全量程內對電導率進行分檔測量,即將電導率的全量程分成多個測量范圍,對于每個測量范圍選取一個合適的分壓電阻與電極串聯,并采用一個合適頻率的激勵源進行測量,以提高測量精度。為能合理地進行分檔,在電極量程范圍內從低到高配制一系列不同電導率的待測溶液,待測溶液的電導率由便攜式多參數測量儀(型號為sension156,哈希公司生產)測量而得,對于每一種待測溶液,通過改變與電極串聯的分壓電阻及激勵源頻率進行測量,以分壓電阻上測得的有效值等于或接近于激勵源的1/2作為分檔標準。由試驗得出的電導率分檔范圍及其對應的分壓電阻和激勵源頻率如表1所示。不同檔位所需的與電極相串聯的分壓電阻,通過單片機控制一個多路復用器ADG1408進行自動切換。2.2.3晶振和電壓隨器的轉換電路ad8039電導電極測量電導率的信號調理電路主要由方波激勵信號產生電路和分壓電阻上的波形信號的有效值檢測電路2部分組成。1)方波激勵信號產生電路如圖3所示,方波激勵信號產生電路主要由MOS管Q4、運算放大器AD8039及一些外圍的阻容元件組成。其中,某一頻率的方波信號由MSP430F2132單片機內部集成的PWM控制器生成,該PWM控制器以單片機外接的8MHz晶振為時鐘源,其輸出的方波頻率經與示波器(TektronixTDS2041)比較,誤差小于1%;MOS管Q4與電阻R29組成一個電平轉換電路,用于將方波信號轉換成高電平為3.5V、低電平為0的方波信號;AD8039中的其中一個放大器U7B連接成電壓跟隨器形式,以提高方波信號的帶負載能力;而AD8039的另一個放大器U7A與電阻R25、R27、R28和R31構成一個偏置電壓為3.5V、增益為2倍的運算電路,即它將電壓跟隨器輸出的方波信號放大2倍后再與3.5V相減,從而可以使整個電路輸出±3.5V的方波信號。2)有效值檢測電路由前文可知,可通過分壓電阻上波形信號的有效值來反映肥液的電導率。該有效值可通過均方根-直流轉換器AD637進行測量,具體電路如圖4所示。由于AD637的輸入阻抗不高,為避免信號直接輸入時對前級信號造成影響,在AD637的輸入端前置了一個由AD8039構成的電壓跟隨器。AD637對輸入信號進行真有效值計算后,以等效的直流電壓輸出,然后再經電阻R30和R32分壓后,送至單片機的ADC轉換器進行電壓檢測。因此根據ADC轉換器檢測的電壓與電導率的關系,即可反演出待測溶液的電導率。2.2.4電解質溶液溫度溫度對溶液電導率測量影響很大,它直接影響溶液中電解質的電離度、溶解度、離子遷移速度、溶液的粘度、溶液的膨脹等,從而影響了溶液的電導率。溶液電導率具有正溫度系數,對于一般電解質溶液每升高1℃,電導率約增加2%。目前,公認25℃為測量溶液電導率的基準溫度,當溶液溫度不為25℃時,需要進行溫度補償,折換成25℃時的電導率,其換算公式為式中,σ25為溶液溫度為25℃時的電導率,S/cm;σt為溶液溫度為t℃時的電導率,S/cm;t為溶液的溫度,℃;α為溶液的溫度系數,一般情況下溶液溫度系數α為0.02。本文采用不銹鋼封裝且經過防水處理的數字溫度傳感器DS18B20測量肥液的溫度,根據檢測的溫度利用式(4)自動對肥液的電導率進行補償。3肥液電導率儀的性能3.1電導率測量結果由于待測溶液的電導率或溫度不同,有時也會使電極常數k發生變化,從而使得電導率測量儀的測量結果也可能會產生一定的偏差。為確定電極k相對穩定的待測溶液濃度范圍,在電極的量程范圍,通過向純水中添加NaCl的方式配制了一系列不同電導率的待測溶液,對電導率測量儀進行測試試驗,同時以一個多參數測量儀(型號為sension156)檢測溶液的電導率,并將其作為標準值與電導率測量儀進行對比,其試驗結果如圖5所示。從圖5可以看出,電導率測量儀的測量結果與標準儀器的測量結果存在著一定的偏差,同時也存在著某種關系:在溶液電導率為0~12.64mS/cm范圍內,偏差隨著電導率的增大而逐漸增大,且與標準值成極顯著的線性關系,決定系數R2達0.999;在溶液電導率為>12.64~17.33mS/cm范圍內,偏差也隨著電導率的增大而增大,但增幅逐漸減小;在溶液電導率為>17.33~20mS/cm范圍內,偏差隨著電導率的增大而減小,其變化幅度不斷減小。由此說明,電極常數k在待測溶液電導率為0~12.64mS/cm的范圍內是相對穩定的,而>12.64~20mS/cm范圍內存在著波動,因此本電導率測量儀的有效測量范圍為0~12.64mS/cm,并在此范圍內根據所測得的試驗關系標定電導率測量儀。3.2多參數測量法檢測肥液電導率為確定肥液濃度與電導率的具體函數關系,以芭田中芬大量元素水溶復合肥(氮、磷、鉀三者的比例為33:8:10)為試驗肥料,通過兌純凈水的方式配制了質量分數為1.0%、0.9%、0.8%、0.7%、0.6%、0.5%、0.4%、0.3%、0.2%和0.1%的一系列待測肥液,并在25℃下分別對各個肥液進行電導率的測定試驗。肥液的電導率用標準電導率儀(型號為sension156的多參數測量儀)進行測定,試驗所得的肥液濃度與電導率的關系如圖6所示。由圖6可得,肥液濃度與其電導率有著顯著的線性關系,決定系數R2為0.997,具體的函數關系為式中,y為肥液的質量分數,x為肥液的電導率,mS/cm。因此,電導率測量儀測得肥液的電導率后,根據式(5)即可將其轉換成相應的肥液濃度。4前后入口壓力下混肥濃度的控制采用粗細兩級調節的控制策略:首先,利用壓力變送器檢測肥液自動混合裝置的入口水壓,根據檢測結果利用各入口壓力下混肥濃度與PWM占空比的關系,調節占空比對電磁閥進行PWM控制,從而控制混肥濃度;然后,利用電導率測量儀對混合肥液的濃度進行實時檢測,并將檢測結果與目標混肥濃度進行比較以計算其誤差,根據誤差的大小對電磁閥PWM控制的占空比進行細調,使混肥濃度盡可能逼近目標濃度。4.1混肥濃度與占空比的擬合曲線不同由于文獻只標定了入口水壓為0.15、0.17、0.20、0.22和0.25MPa時混肥濃度與電磁閥PWM控制占空比的關系,而混肥裝置在實際應用中其入口水壓不可能恒定于某一個固定值,當入口水壓變化至所標定的5個壓力值之外時,就會造成控制器無法根據所標定的關系來調節PWM占空比進行混肥。從文獻可知,混肥濃度與占空比的擬合曲線在各個入口水壓下的形狀均比較相似,而且各曲線之間近似于發生了整體平移。因此,可將某個范圍內的水壓檢測值等效為某個標定的入口水壓進行粗調,其等效對應關系如表2所示。4.2模糊變量的選擇電磁閥PWM控制的占空比與混肥濃度呈二次多項式關系,而且電磁閥從接到控制信號到啟動開關動作約有20ms的延遲,此外混肥濃度隨著文丘里施肥器入口壓力的波動而變化,由此可見,受控對象具有非線性、滯后性和時變性等特點,難以得到精確的數學模型,現通常采用模糊控制來解決此問題,因此采用模糊控制算法來進行占空比的細調。為得到良好的控制性能,以目標濃度r與實測肥液濃度y的偏差e、偏差的變化量ec為輸入變量,電磁閥PWM控制的占空比的調節量u為輸出量,構建一個二維單變量模糊控制器,其原理框圖如圖7所示。e、ec和u的實際論域分別為[-2,2]、[-2,2]和[-5,5],單位為%。對應于e、ec和u,相應的模糊變量為E、EC和U。將2個輸入變量和輸出變量的語言值分成7個檔級,定義為NB(負大)、NM(負中)、NS(負小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)和PB(正大),即:E={NB,NM,NS,NZ,PZ,PS,PM,PB},EC={NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},U={NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。每個模糊變量在其論域內可以分成若干個檔級,即:E={e}={-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}、EC={ec}={-3,-2,-1,0,1,2,3}和U={u}={-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}。各變量均選擇工程上常用的三角形隸屬函數。模糊控制規則的選取原則是:當誤差大或較大時,選擇控制量以盡快消除誤差為主;而當誤差較小時,選擇控制量要注意防止超調,以保持系統的穩定性;誤差為正與誤差為負時相同,相應的符號都要變化。根據專家理論和實際經驗,采用模糊條件推理ifAandBthenC,得到模糊控制規則表,如表3所示。模糊控制的模糊關系采用式(6)和式(7)進行運算,即式中,Ei為偏差輸入量,ECj為偏差變化量輸入量,Uij為輸出量,Ri為分模糊關系,Rr為總模糊關系。在采用合成推理算法時,為了在實時控制中避免模糊關系矩陣合成運算時浪費大量的計算時間,先通過MATLAB離線計算出全部輸入輸出之間關系,形成一張控制輸出響應表(如表4所示),然后通過單片機編程語言的形式將其存入控制器(MSP430F2132單片機)中,以使控制器在某一采樣時刻根據輸入變量直接查詢控制表即可以獲得輸出響應。采用最大隸屬度平均值法進行解模糊化,將控制量由模糊量轉化為精確量。表4所示的輸出響應表用于調節電磁閥PWM控制的占空比。4.3電磁閥的粗調和混肥濃度檢測肥液自動控制裝置的控制流程如圖8所示,獲得目標混肥濃度時,首先檢測入口水壓并對其進行等效處理,根據等效水壓對應的PWM占空比控制電磁閥,對混肥濃度進行粗調;然后實時檢測肥液實際濃度,并根據混肥濃度誤差及其變化量,采用模糊控制算法對電磁閥的PWM占空比進行微調,從而進一步提高混肥的精度。同時,在微調過程中,每隔10s檢測1次入口水壓,若等效水壓較上一次有變動,則返回到粗調,