一种水肥一体化的微喷灌溉施肥装置的制作方法

本发明属于农业灌溉，尤其涉及一种水肥一体化的微喷灌溉施肥装置。

背景技术：

1、水肥一体化灌溉技术是现代精准农业的重要组成部分，通过将灌溉与施肥有机结合，实现按作物需求同步供给水分和养分，可显著提高水肥利用效率。

2、微喷灌溉作为节水灌溉的主要形式之一，其流量适中、覆盖均匀的特点使其特别适用于经济作物和设施农业。

3、目前，现有水肥一体化微喷装置通常由供水单元、供肥单元、施肥泵和微喷管网组成，通过文丘里注肥器或比例注肥泵将肥料注入灌溉水中，混合后经微喷头喷洒至作物根部区域。然而，现有技术中施肥泵的压力调节与施肥浓度调节分属两套独立的控制回路，两者通过共用管路产生强耦合扰动，当供肥调节阀改变开度以调节浓度时，管网压力随之波动，而压力波动又反向影响施肥泵的输出流量，进一步干扰混合液浓度，导致系统缺乏协同解耦机制，难以实现精准的水肥协同调控。

4、针对上述问题，现有技术亟需改进。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的在于提供一种水肥一体化的微喷灌溉施肥装置，旨在解决上述问题。

2、本发明是这样实现的，一种水肥一体化的微喷灌溉施肥装置，包括：

3、供水单元、供肥单元、施肥泵、微喷管网、传感器阵列、混合液电导率传感器以及主控单元；

4、所述供水单元与供肥单元的输出端通过管路共同连通至所述施肥泵的进液口，所述施肥泵的出液口与所述微喷管网连通；所述供肥单元的输出管路上设有受控于所述主控单元的供肥调节阀；所述施肥泵的出液口与所述微喷管网之间的管路上设有所述混合液电导率传感器；

5、所述微喷管网的入口处或所述施肥泵的出液口处设有用于检测管网入口表压的压力传感器，灌溉区域的土壤内埋设有用于检测土壤状态的所述传感器阵列；所述传感器阵列至少包括土壤水分传感器和土壤电导率传感器；所述压力传感器、传感器阵列、混合液电导率传感器均与所述主控单元通信连接，所述主控单元的输出端分别与所述施肥泵的施肥泵电机和所述供肥调节阀电气连接；

6、所述主控单元内配置有水肥协同调控模块和协同解耦控制模块；

7、所述水肥协同调控模块用于根据所述传感器阵列反馈的土壤水肥状态动态计算靶向施肥浓度，并结合流体动力学与平滑滑模控制律实时计算出最终控制电流以驱动调控所述施肥泵；

8、所述协同解耦控制模块用于根据所述混合液电导率传感器反馈的实际混合液电导率与所述靶向施肥浓度对应的目标电导率之间的偏差，调节所述供肥调节阀的开度，并对所述最终控制电流进行前馈修正，以协同浓度调节与压力调节。

9、进一步的技术方案，所述水肥协同调控模块具体包括：

10、无量纲化特征提取单元，用于获取实时土壤水肥状态参量与目标需水需肥基准值，利用防奇点机制对水分亏缺状态与养分亏缺状态进行无量纲化特征提取，分别得到纯数值的水分亏缺特征因子与养分亏缺特征因子；

11、靶向施肥浓度动态计算单元，用于基于水肥交互影响机制，将所述水分亏缺特征因子与养分亏缺特征因子作为交互影响变量输入至带有平滑偏置项的浓度衰减模型中，动态计算当前最优的靶向混合肥料浓度；

12、目标注水压力映射单元，用于根据所述靶向混合肥料浓度对流体混合物密度进行修正，并结合伯努利流体动力学映射规则、微喷组件的物理结构尺寸及微喷头流量系数，计算使微喷系统达到预定灌溉量所需的管网目标注射压力；

13、稳压驱动调控单元，用于将所述管网目标注射压力作为前馈目标指令，根据目标压力与施肥泵的机械排量及电机转矩常数计算施肥泵电机所需转矩，并将转矩映射为控制电流，结合压力传感器反馈的实际压力，利用具备抗奇点特性的平滑滑模控制律计算施肥泵电机的最终控制电流，并发送至所述施肥泵电机；

14、以及供肥调节阀控制单元，用于根据所述靶向混合肥料浓度生成阀控信号并发送至所述供肥调节阀，以调节实际水肥混合比例。

15、进一步的技术方案，所述无量纲化特征提取单元计算水分亏缺特征因子与养分亏缺特征因子的具体逻辑为：

16、计算预设的田间持水率与传感器阵列实时采集的土壤体积含水率之间的差值以表征水分绝对亏缺量，并将所述水分绝对亏缺量除以预设的水分基准衰减项进行无量纲化归一处理，得到所述水分亏缺特征因子；其中，所述水分基准衰减项由所述田间持水率与第一极小常数叠加构成，所述第一极小常数与田间持水率保持量纲一致，用于作为防奇点机制避免除零奇异性；

17、计算目标需肥电导率与传感器阵列实时采集的土壤电导率之间的差值以表征养分绝对亏缺量，并将所述养分绝对亏缺量除以预设的养分基准衰减项进行无量纲化归一处理，得到所述养分亏缺特征因子；其中，所述养分基准衰减项由所述目标需肥电导率与第二极小常数叠加构成，所述第二极小常数与目标需肥电导率保持量纲一致，用于作为防奇点机制避免计算奇异性。

18、进一步的技术方案，所述靶向施肥浓度动态计算单元计算当前最优的靶向混合肥料浓度的具体逻辑为：

19、当所述水分亏缺特征因子与养分亏缺特征因子均表征为正向亏缺状态时，提取设定的基准肥料饱和浓度，并构建非线性衰减权重项对所述基准肥料饱和浓度进行衰减修正，输出所述靶向混合肥料浓度；

20、其中，所述非线性衰减权重项的衰减程度由所述养分亏缺特征因子与水分亏缺特征因子构成的映射比例共同制约，所述养分亏缺特征因子与靶向混合肥料浓度正相关，所述水分亏缺特征因子与靶向混合肥料浓度负相关；且在所述非线性衰减权重项中用于表征水分亏缺特征因子的变量侧附加有无量纲正偏置系数，以防止当水分亏缺趋近于零时引发指数项爆炸的奇异性；

21、当所述水分亏缺特征因子或养分亏缺特征因子未表征为正向亏缺状态时，将所述靶向混合肥料浓度约束输出为零。

22、进一步的技术方案，所述目标注水压力映射单元计算施肥泵出液口处的目标表压的具体逻辑为：

23、利用所述靶向混合肥料浓度与预设的浓度转质密度转换系数，对纯水密度进行线性补偿映射，获取当前流体混合物的实际动态密度；

24、基于设定的单次灌溉目标体积、微喷灌溉总时长以及微喷管网中全部微喷头的总等效过流面积与微喷头流量系数，计算维持预定灌溉流量所需的流体等效动压项；

25、根据伯努利流体动力学原理，将所述实际动态密度与流体等效动压项结合构建理论微喷头端压力；

26、将所述理论微喷头端压力与微喷管网中微喷头的最低工作表压进行边界比对并取最大值，确定为有效末端工作压力；

27、将所述有效末端工作压力与微喷管网中从施肥泵出液口至微喷头入口之间的沿程及局部阻力压降损失相叠加补偿，得到所需驱动的所述目标表压。

28、进一步的技术方案，还包括设置于所述施肥泵进液口管路上的泵入口压力传感器，所述泵入口压力传感器与所述主控单元通信连接；

29、所述稳压驱动调控单元计算施肥泵电机的最终控制电流的具体逻辑为：

30、基于所述目标表压与泵入口压力传感器实时采集的施肥泵入口表压确定动态泵端压差，并结合施肥泵的每转机械排量、机械效率以及施肥泵电机的转矩常数，映射计算出用于克服基础负载的前馈驱动电流；

31、基于所述目标表压与压力传感器实时采集的实际表压确定管网压力跟随偏差，并构建带有最大补偿电流上限约束的平滑滑模反馈补偿项；其中，所述平滑滑模反馈补偿项内部引入具有压力单位量纲的平滑滑模正则化参数，用于消除跟随偏差在过零切换边界处的奇异性与控制抖振；

32、根据所述管网压力跟随偏差驱动所述平滑滑模反馈补偿项计算动态补偿电流；

33、将所述前馈驱动电流与动态补偿电流进行闭环叠加，并利用施肥泵电机的额定电流作为物理安全边界进行硬限幅截断，输出所述最终控制电流至施肥泵电机。

34、进一步的技术方案，所述协同解耦控制模块包括：

35、浓度闭环控制单元，用于根据所述混合液电导率传感器反馈的实际混合液电导率与所述靶向施肥浓度对应的目标电导率之间的偏差，通过pid控制算法生成供肥调节阀开度调节量；

36、前馈解耦补偿单元，用于根据所述供肥调节阀开度变化对管网压力的影响量，对所述稳压驱动调控单元计算得到的最终控制电流进行前馈修正，以降低浓度调节与压力调节之间的耦合扰动。

37、进一步的技术方案，所述混合液电导率传感器安装在所述施肥泵的出液口与所述微喷管网之间的主管路上，且位于所述供肥单元与供水单元混合后的流体充分混合区域下游。

38、进一步的技术方案，所述第一极小常数的取值范围为0.001至0.01，所述第二极小常数的取值范围为0.001毫西门子每厘米至0.01毫西门子每厘米；所述无量纲正偏置系数的取值范围为0.01至0.1。

39、进一步的技术方案，所述平滑滑模正则化参数的单位为帕斯卡，其取值范围为10帕斯卡至1000帕斯卡；所述最大补偿电流上限的取值范围为所述施肥泵电机额定电流的0.1倍至0.5倍。

40、相比于现有技术，本发明的有益效果：

41、通过主控单元内置的水肥协同调控模块，实时采集土壤水分与电导率，结合防奇点无量纲化特征提取和带有水肥交互影响的浓度衰减模型，动态计算靶向施肥浓度，并依据流体动力学映射目标注水压力，最终利用平滑滑模控制律精确驱动施肥泵，实现按需同步供给水分与养分，显著提高水肥利用效率。

42、协同解耦控制模块根据混合液电导率反馈与目标电导率的偏差，通过pid闭环调节供肥调节阀开度，同时根据阀门开度变化对管网压力的影响量，对施肥泵控制电流进行前馈修正，提前补偿压力扰动，从而在精准调控施肥浓度的同时维持微喷管网压力稳定，克服传统双回路独立控制的耦合缺陷。

43、无量纲化特征提取中引入防奇点极小常数和浓度衰减模型中的平滑偏置系数，避免分母为零或指数爆炸；稳压驱动调控采用带正则化参数σ的平滑滑模控制，有效抑制抖振，并对控制电流限幅保护电机，确保系统在土壤水肥临界值及复杂工况下仍能稳定、连续运行。

44、目标注水压力映射单元根据靶向施肥浓度修正混合液密度，结合伯努利方程、微喷头流量系数及管路阻力损失，精确计算施肥泵所需出口表压，使微喷系统在不同肥料浓度下仍能按预定灌溉量均匀喷洒；同时传感器阵列持续监测土壤状态，使装置能自适应不同作物、生长阶段及土壤类型，实现精细化水肥管理。