水肥药一体化精准灌溉系统的研究与设计

2022-08-15张健沈丽丽陈基松张雷雷王超超王军

上海农业科技 2022年4期

张健沈丽丽陈基松张雷雷王超超王军

（1广州华立学院，广州 511325；2光明食品集团上海农场有限公司，上海 200072）

水资源是农业生产、农作物生存的必要基础，肥料则可促进农作物生长，而农药能保证农作物健康生长和优质高产。在我国目前的农业生产中，由于先进技术还未大范围普及，多数农作物在其生产过程仍采用传统的灌溉、施肥、施药方式，这就对现代农业发展产生了一定的不利影响。例如，农田大多采用人工井抽水漫灌或沟渠引水的方式，会产生过多的水分渗漏和蒸腾，造成不必要的水资源浪费[1]；农作物的施肥和施药也存在过度施用或施用不科学等问题，且人工配肥和配药费时、费力、步骤繁琐，极易出现配比不精准的问题，再加上大多采用人工喷施的施药方式，不仅会对土壤和水源造成污染，还会对农民的健康不利。因此，亟需在农业生产中实行节水灌溉，并提高肥料和农药的利用率及施用技术水平，而采用水肥药一体化技术即可达到上述效果。

水肥药一体化技术是将肥料和农药均匀溶解于灌溉水中，根据农作物不同阶段的生长需求，精准配比成符合要求的营养液和药液，并通过末端管网输送至农作物，实现精准灌溉，达到水肥药协同、按需供给、少量多次、水肥平衡、水药科学合理的效果，该技术是发展生态农业和循环农业的一项关键实用技术。但是，根据国内外研究现状，目前对于灌溉技术的研究多偏重于学术和技术的引进，多注重技术控制而不是农作物需求，且大多研究结果局限于实验室内的环境，实用性有限[1]；肥料、农药需单独进行人工配制并喷施，未能真正实现施用的完全自动化；水肥一体化技术也存在配比不精准、灌溉方式单一等不足。在此背景下，笔者以现有的水肥一体化灌溉系统为基础，进行了水肥药一体化精准灌溉系统（以下简称精准灌溉系统）的研究与设计。现将相关研究结果报道如下。

1 精准灌溉系统研究与设计的主要内容

精准灌溉系统主要由首部系统、输配水管网、田间传感器、滴头、喷头等硬件组成，主要研究内容包括需求性分析、硬件选型与设计、配肥配药控制策略研究、灌溉控制方式研究等，具体见图1。其中，在首部系统中，笔者对配肥配药策略进行了研究（利用模糊控制法对精准灌溉系统的配肥策略进行研究，即在Matlab环境下设计模糊控制器，通过ctfool模块拟合曲线得到系统阶跃响应函数，进而通过Matlab/Simulink模块搭建仿真对模糊控制系统的营养液配比的有效性进行验证；对于精准灌溉系统的配药策略，可将药液配比近似看作线性过程，在给定目标比例后，分别控制清水和母液通道的电磁阀通断时长，即可实现药液精准配比），实现了短时间内营养液和药液的精准配比[2]。同时，精准灌溉系统分别设定了施肥和施药两种程序灌溉控制方式，以“定时轮灌”为主要灌溉控制方式，以“依据土壤湿度进行灌溉或依据外部其他控制指令进行灌溉”为备用灌溉控制方式，并采用地表滴灌与喷灌两种灌溉模式相结合，最终实现了滴灌施肥和喷灌施药。

图1 精准灌溉系统的研究与设计内容

2 精准灌溉系统的需求性分析

精准灌溉系统的研究与设计需遵循适应性、稳定性和经济性的原则[3]，具体要求：精准灌溉系统能广泛应用于平原山地中的小型田间作物种植，且安装方便、操作简单，农户能快速上手；精准灌溉系统的硬件选型需要经济耐用，尤其是用于输送营养液和药液的管道等设备，要求具有耐腐、抗高压的特性；精准灌溉系统的控制软件需要简单易操作，且包含自动控制和手动控制两种模式，以防止精准灌溉系统出现故障；精准灌溉系统的设计成本需较小，且具有节水、节肥、节药和增加农业生产效益的应用效果，使农户能快速回本。

笔者最终研究设计的精准灌溉系统，是以首部系统中的精量配肥配药系统为中心，可结合温室内外的气象环境监测系统、温室内的田间管网和田间土壤传感器等，实现水肥药一体化自动精准灌溉。值得注意的是，在精准灌溉系统的应用过程中，为方便田间管理，田间需划分为多个灌溉区，系统为每个灌溉区配备了两个电磁阀，分别控制喷灌和滴灌模式的启停，从而能为农作物提供定时定量供给或按需供给两种模式的滴灌施肥和喷灌施药。

3 精准灌溉系统的硬件选型与设计

3.1 水源及变频水泵

在精准灌溉系统的研究与设计过程中，灌溉用水均来自建设的约30 m3大小的室外蓄水池，蓄水池水源来自附近约90 m距离的池塘，池塘水通过水泵加压引水至蓄水池，具体供水量为20.0 m3/h。同时，配置CDMF20-3轻型立式多级离心泵2台，设定供水压力为0.25 Mpa，且遵循节水、节能、经济的原则，为水泵配备变频器，以达到按需供给、少量多次的供水效果。

值得注意的是，室外蓄水池中的储存水中含有较多的大颗粒沙石、藻类和不溶性矿物质等杂质，且配比好的营养液和药液中也存在一定的不溶性杂质，考虑到水肥药一体化技术所使用的喷头或者滴头的孔径很小（尤其是滴头的孔径，一般仅有0.5～1.2 mm），很容易被水中的杂质堵塞，且长期的杂质残留还会堵塞滴灌带并使其老化，从而增加维护成本。因此，必须要对灌溉水源进行严格的过滤处理，以延长管网系统的寿命和提高精准灌溉系统的灌溉质量。

3.2 过滤器

过滤器为首部系统的重要部件。在精准灌溉系统的研究与设计过程中，虽然在灌溉前进行了灌溉水的初级处理（利用室外的迷宫式沉淀池对灌溉水中的大颗粒沙石等进行沉淀），但室外的迷宫式沉淀池易产生藻类等有机杂质，故最终笔者选用了适用于有机杂质和混合杂质过滤的叠片式过滤器。

3.3 配肥配药系统

精准灌溉系统的配肥配药系统以混液灌为核心装置，配有能稳定吸肥和吸药的文丘里管、搅拌装置（包括母液桶内搅拌电机和混液罐中的叶轮）、母液桶、过滤器、EC值传感器、pH传感器、流量计、止回阀等。配肥配药系统的整体结构与运行过程见图2。其中，母液桶上部桶口均配置一套额定电压为380V、功率为0.75 kW的搅拌电机，用于母液配置前和配置时的搅拌，以防止母液长时间沉淀造成浓度不均。母液桶底部开口连接PVC管形成注肥（药）通道。混液罐内部装有最低液位开关和控制浮子，以确保混液罐内液体量充足，并能维持液位稳定，保证配肥配药过程稳定。混合罐外部出水管设计有分支回路管，并在此分支回路管上，安装1～2个高精度双通道EC值传感器和高精度双通道pH传感器（EC值传感器的测量精度为0.01 mS/cm，pH传感器的测量精度为0.05），用于实时测量混合液的电导率及酸碱性。

图2 配肥配药系统的整体结构与运行过程

4 精准灌溉系统的配肥配药控制策略研究

4.1 精量施肥施药机的工作原理

在精量施肥施药机启动运行时，首部变频水泵响应，将室外蓄水池内的灌溉水抽入施压后由过滤器过滤；同时，母液桶内的搅拌电机开始工作。过滤后的加压灌溉水通过配置的文丘里管，在文丘里管喉部形成真空负压区，将母液桶内的营养液或药液吸入混液罐，在营养液、药液等母液由母液桶进入混液罐的过程中，需经历搅拌和两次过滤，以确保配比好的混合液浓度均匀、无不溶性杂质等。在清水进入混液罐前，首先要经过旋转散开型的喷头（该喷头可用来确保混液罐中形成最佳流量），且叶轮开始旋转搅拌，以保证水肥或水药充分混匀。混液罐的出水管上装有小型加压泵，对配比好的混合液进行加压并输送至田间管网；同时，混液罐的出水管将引流一小部分混合液经过装有EC值传感器和pH传感器的分支回路管，用于实时测量混合液的电导率及酸碱性，再根据测量结果，决定是否关闭或继续供应对应的营养液和药液，确保EC值和pH符合农作物种植的农艺要求且保持稳定（一般要求配肥配药的EC值精度为±0.015 mS/cm、pH精度为±0.1）。

4.2 配肥控制策略

4.2.1 模糊控制器设计

营养液的配比具有多变量、大惯性、延时滞后等特点，很难建立合适的数学模型。为了使营养液的配比更为精确，可采用模糊控制方法（模糊控制方法是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的计算机控制方法，是一种非线性的控制方法。但由于引入专家逻辑思维模式，使模糊控制具有一定的自适应能力，因而特别适用于难以用精确数学模型描述的系统，其基本原理见图3）[4-5]，并运用Matlab/Simulink模块进行仿真研究，验证模糊控制系统的营养液配比能力。

图3 模糊控制系统的基本原理

同时，为实现短时间内营养液的精准配比，需同时考虑母液通道和清水通道的配比误差及其误差变化，故要选择性能更优的二维模糊控制器，并对电导率EC值采用二维控制，以误差及其误差变化作为输入变量，以电磁阀的通断时间作为输出变量。

此外，因农作物生长周期中，土壤环境的EC值、pH波动范围较小，故模糊控制系统在选择模糊化语言时不宜数量过多，本模糊控制系统选取了5个。令模糊控制中设定的目标电导率值为a，EC值传感器在线测量的实际电导率值为A，则实际与目标的电导率误差值E=A-a，设置电导率误差的语言变量为E={NB，NS，ZE，PS，PB}，论域X={-2，-1，0，1，2}，则EC值相邻两次误差的变化量为Esc=e2-e1=（A2-a）-（A1-a）=A2-A1，电导率误差变化量的语言变量为Esc={NB，NS，ZE，PS，PB}。其中，NB、NS、ZE、PS、PB在本模糊控制系统中的含义分别为“负大、负小、零、正小、正大”。配肥系统输出的变量是电磁阀在开始运行到配比完成1个周期的开启时间，设其模糊输出量为U，语言变量为U={NB，NS，ZE，PS，PB}，论域为U={-2，-1，0，1，2}，其中，NB、NS、ZE、PS、PB在输出量对应的含义为输液通道电磁阀通断时长的模糊子集“零、短时、中时、较长时、长时”。

根据专家经验编写模糊控制规则，在制定好模糊规则后，对系统输入变量进行迷糊化处理，即以EC值误差及其误差变化两个精确输入量变化作为模糊输入量。将经过系统综合计算的控制量模糊集合U变换为精确输出，供执行控制用，这个过程叫做解模糊或模糊判决，常见的解模糊方法有重心法、最大隶属度法、系数加权平均法和隶属度限幅元素平均法[6]，本模糊控制系统选择常用的三角形隶属度函数作为解模糊方法。

4.2.2 Matlab环境下模糊控制器的制作

进入Matlab软件，打开模糊推理系统主界面FIS（Fuzzy inference system）编辑器，FIS编辑器包含隶属函数编辑器、模糊规则编辑器和输出预览器等功能。笔者依据施肥模式设计了二维模糊控制器，设置E和Esc两个系统输入量和一个输出量U，编辑器窗口的具体展示见图4。

图4 FIS编辑窗口的具体展示

模糊系统中取E和Esc的论域为{-2，-1，0，1，2}，其模糊子集为{NB，NS，ZE，PS，PB};输出U的论域为{-2，-1，0，1，2}，其模糊子集为{NB，NS，ZE，PS，PB}，然后建立E、Esc、U的三角形隶属函数。

对于模糊控制规则的设计原则，当偏差较大时，控制量的变化需要将误差调小，当偏差较小时，需要在消除误差的基础上考虑系统的稳定性，以防止系统产生不必要的超调甚至震荡等不稳定情况[7]。由于E、Esc均选取了5个语言值，结合专家经验，笔者编辑了25条模糊推理规则，得出模糊规则表，见图5。

图5 模糊控制规则及编辑界面

在实际应用中，可根据不同的农作物种类、不同的种植环境，对模糊规则库稍作调整，以逐渐形成最佳的营养液配比方案。在此模糊控制规则下，模糊控制器输入输出的非线性曲面关系，见图6。

图6 模糊控制输入输出的曲面关系

4.2.3 Simulink仿真模型的搭建

为验证模糊控制系统的营养液配比有效性，通过Matlab搭建仿真平台，观察电导率EC值误差及其误差变化是否达到了实际变化需求，即在Matlab命令行串口输入Simulink创建仿真环境进行系统仿真研究。同时，为了确定营养液模糊控制系统的传递函数，需对营养液配比过程的数据进行记录。

4.2.4 模糊控制器的应用实例

现笔者以茄科类作物为例，对其营养液的实际配比控制过程进行介绍。

根据农艺要求，适宜茄科类作物种植的土壤pH范围为5.5～6.5，且营养液pH在5～8范围时，对EC值的影响小，故可结合营养液配比过程中的EC值响应特性，对EC值参数独立进行模糊控制。

一般茄科类作物在定植后要求营养液的电导率需控制在2.0～2.5 mS/cm，且在温暖气候下，茄科类作物在成株期灌溉的营养液的EC值需控制在2.0～2.4 mS/cm。因此，笔者选用深圳芭田生态工程股份有限公司生产的茄科类水溶肥，于母液桶根据肥料的使用说明配置母液，开启灌溉施肥模式，并手动打开灌溉施肥施药系统的母液配肥通道电磁阀，每隔20 s记录混液罐内营养液的EC值数据，并重复3次、取平均值。具体数据见表1。

表1 混液罐内不同时间营养液EC值变化情况

根据测量数据，通过Matlab中ctfool模块拟合曲线，得到系统阶跃响应，见图7。

图7 系统阶跃响应

通过两点法求取传递函数，设u(t)为阶跃信号，其幅值为U，即：

在辨识试验中，使用阶跃信号u(t)激励，收集到的响应数据y(tk)，k=1，2，3，...，则输出响应可以表示为：

式2中：T为时间常数，K为放大增益，τ为滞后时间。

通过拉普拉斯逆变换：

根据拉普拉斯变换的终值定理：

式5中：y(∞)为阶跃响应y(t)的稳定值。

根据函数图像取两点，t1=220 s时，EC值=1.255 mS/cm，t2=400 s时，EC值=2.253 mS/cm。得到传递函数τ=64.8，T=238.43，K=7.22。即系统传达函数为。根据计算得到的系统传递函数，打开Matlab中Simulink模块进行系统仿真，仿真模型见图8。

图8 Simulink环境下模糊控制系统的仿真模型

将设计好的模糊控制器导入到Matlab工作空间中，并修改Fuzzy Logic Controller为模糊控制器的名称，点击运行进行仿真，仿真结果见图9。

图9 系统仿真响应曲线

结果表明，系统的上升时间约400 s，在450 s附近系统趋于稳定，表明系统能在较短时间内达到预设的EC值，由此可知，系统具有一定的鲁棒性。

综上，该模糊控制器能在短时间内实现营养液的精准配比。

4.3 配药控制策略

在药液配比时，通常以制剂用药量或稀释倍数作标准，且要求在喷灌施药前，完成对药液的精准稀释。由于药液配比可近似看作线性过程，故为了达到配比精准，可在给定目标比例后，分别控制清水通道和母液通道的电磁阀通断时长，从而实现药液的精准配比。其中，对于清水通道，变频水泵可实现稳定的流量输入，但药液桶的压差会随着液面高度的降低而减小，进而导致供药通道的流量变小，故为保证供药充足，需要逐渐加大药液通道的输出占空比，即可根据流量计的反馈信号，通过调整调节阀的开度来保证供药通道有平稳流量，并按比例分配清水通道和药液通道的开通时间，从而最终实现药液的精准配比。

图10 水药配比控制策略

5 精准灌溉系统的灌溉控制方式研究

滴灌方式虽然具有明显的节水效果，但会导致农作物幼苗在定植后的缓苗时间过长，影响幼苗成活率，且长时间单独采用滴灌方式，会导致土壤表面水盐失衡，且在夏季高温下，难以对温室内的温度进行调控。而喷灌方式可在一定程度上调节温室气候，且可根据灌溉区的土壤性质，通过调整喷头大小或角度，改变灌溉的强度和均匀度，该灌溉方式不仅不会破坏土壤团粒结构，还能在保持土壤水分的情况下避免地表径流，更能控制土壤温度和消除因土壤表面的盐碱化或地下水位上升而引起的次生盐碱化。因此，综合考虑两种灌溉方式的优缺点，精准灌溉系统采用地表滴灌与喷灌两种灌溉模式相结合，最终实现了滴灌施肥、喷灌施药（喷灌模式还可喷灌清水用于调节田间气候）。