基于双闭环的水肥一体化精准控制方法及系统与流程

1.本发明涉及农业灌溉技术领域，更具体的说，是一种基于双闭环的水肥一体化精准控制方法及系统。


背景技术：

2.农业生产者对水与肥的施用仍以施用经验为指导，使用漫灌、沟灌等粗放式灌溉施肥方式，缺乏精确可靠的数据支撑，容易导致资源浪费、土壤板结、环境污染、烧坏作物等问题出现，且难以保持长久的高质量生产。为了提高水肥的利用效率，减少环境污染，保证作物高质量出产，水肥一体化技术应运而生。
3.国外对水肥一体化技术的设计与研究比国内早很多。以色列公司 netafim开发了福莱斯水肥一体化灌溉产品，该系统可以实时采集作物的生长环境信息和施肥灌溉过程信息，通过无线网络进行数据远程传输，系统控制器对信息进行处理生成灌溉施肥决策，具有远程控制功能。荷兰priva公司研发的水肥一体化智能监控系统nutrifit，能够按照预设值，调节肥液ec值和ph值，使用微灌进行灌溉施肥。国外系统大多价格高昂，且难于维护，对我国农业灌溉施肥针对性不强，难于在国内进行大面积推广使用。
4.中国专利cn107544263a“基于参数自整定pid调节水肥配比控制系统”利用rbf神经网络得到增量式pid控制算法的最佳参数组合，提高了pid参数整定的响应速度。但是该方法用一个控制器同时控制灌水量与注肥量，不能更为精确地控制实际注肥比。而且rbf神经网络需要较大的存储空间，plc控制器内存容量小，难以将rbf神经网络布局到plc中，不能对参数进行实时整定。公开号为cn112690078a 的中国专利“一种智能水肥药一体化灌溉系统及方法”集合了供水设备、分区灌溉设备、配比设备、比例控制单元、恒压控制单元、分区控制器，能够保持灌溉系统供水压力恒定、实现均匀灌溉出水。该系统提高了灌溉效率，降低了成本，但配比设备采用的是比例控制单元，需较长时间才能到达稳定状态。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于双闭环的水肥一体化精准控制方法及系统，本发明能够精确、快速的控制水肥比，实现精准施肥，节约水肥比例调节时间。
6.其技术方案如下：
7.本发明在一实施例中公开一种基于双闭环的水肥一体化精准控制方法，包括以下步骤：
8.s1：获取当前周期的理论灌水量上一周期的理论灌水量及上上周期的理论灌水量获取当前周期的理论注肥量上一周期的理论注肥量及上上周期的理论注肥量
9.s2：获取当前周期的反馈灌水量bw、上一周期的反馈灌水量b
w-1
及上上周期的反馈灌水量b
w-2
，获取当前周期的反馈注肥量bq、上一周期的反馈注肥量b
q-1
及上上周期的反馈注肥量b
q-2
；
10.s3：根据步骤s1及s2获取的数据计算得到当前周期的理论灌水量与反馈灌水量bw的偏差值ek、上一周期的理论灌水量与反馈灌水量b
w-1
的偏差值e
k-1
、上上周期的理论灌水量与与反馈灌水量 b
w-2
的偏差值e
k-2
；
11.s4：根据步骤s1及s2获取的数据计算得到当前周期的理论注肥量与反馈注肥量bq的偏差值dk、上一周期的理论注肥量与反馈注肥量b
q-1
的偏差值d
k-1
、上上周期的理论注肥量与反馈注肥量b
q-2
的偏差值d
k-2
；
12.s5：根据步骤s3及s4得到的数据计算当前周期的实际灌水量wc及实际注肥量qc。
13.进一步地，在步骤s5之前，还包括：
14.设置灌水量控制器的参数k
p
、ki、kd，设置注肥量控制器的参数j
p
、 ji、jd，水肥溶液检测计的反馈系数α，水流量传感器的反馈系数β，水肥溶液混合执行器的混合系数γ；
15.其中，k
p
、j
p
为比例系数，ki、ji为积分系数，kd、jd为微分系数。
16.进一步地，实际灌水量wc满足以下公式：
17.wc＝k
p
(e
k-e
k-1
) k
iek-1
kd(e
k-2e
k-1
e
k-2
)；
18.实际注肥量qc满足以下公式：
19.qc＝j
p
(d
k-d
k-1
) j
idk-1
jd(d
k-2d
k-1
d
k-2
)。
20.进一步地，在步骤s2中，反馈灌水量为水流量传感器从水肥溶液中对灌水量的反馈，且反馈灌水量为水肥溶液与反馈系数β的乘积；
21.在步骤s2中，反馈注肥量为水肥溶液检测计从水肥溶液f中对注肥量的反馈，且反馈注肥量为水肥溶液与反馈系数α的乘积。
22.进一步地，在步骤s1之前还包括：
23.设置当前周期的理论灌水量及理论注肥量并令当前周期的理论灌水量上一周期的理论灌水量及上上周期的理论灌水量相等；当前周期的理论注肥量上一周期的理论注肥量及上上周期的理论注肥量相等。
24.本发明在另一实施例中公开一种基于双闭环的水肥一体化精准控制系统，该系统执行如上述任一项所述的控制方法，该系统包括注肥环、灌水环及混合执行器，其中：
25.注肥环包括注肥量控制器及水肥溶液检测计，注肥量控制器与水肥溶液检测计相连，所述水肥溶液检测计用于从水肥溶液中获取对注肥量的反馈，所述注肥量控制器用于控制多通道施肥机输出稳定的注肥量；
26.灌水环包括灌水量控制器及水流量传感器，灌水量控制器与水流量传感器相连，所述水流量传感器用于从水肥溶液中获取对注水量的反馈，灌水量控制器用于控制增压泵以输出稳定的灌水量，消除灌水量偏差；
27.混合执行器，与注肥环及灌水环相连，注肥环的水肥原液与灌水环的过滤水在混合执行器混合后，形成具有固定浓度的水肥溶液。
28.进一步地，该系统还包括过滤管路模块、田间管路模块及肥液桶，过滤管路模块与田间管路模块相连，过滤管路模块与外部水源相连，水肥溶液检测计及水流量传感器分别与过滤管路模块相连，混合执行器为文丘里吸肥器，文丘里吸肥器与过滤管路模块相连，肥液桶与过滤管路模块及文丘里吸肥器相连。
29.进一步地，过滤管路模块包括第一过滤管路、第二过滤管路，增压泵设于第一过滤管路上，增压泵与灌水量控制器相连，第一过滤管路上设有一级过滤器、二级过滤器，第二
过滤管路上设有三级过滤器，第一过滤管路与第二过滤管路相连。
30.进一步地，肥液桶的进水口与第一过滤管路和第二过滤管路的连接处相连，肥液桶的出水口与文丘里吸肥器的进口相连；文丘里吸肥器的另一进口与第一过滤管路与第二过滤管路的连接处相连，文丘里吸肥器的出口与第二过滤管路相连。
31.进一步地，所述田间管路模块包括主水管、多个支管、多个毛管、多个土壤墒情监测仪，主水管与第二过滤管路相连，多个支管分别与主水管相连，每一个支管上分别连接有多个毛管，每一个毛管上分别设有多个出水器，每一支管上分别设有田间电磁阀，土壤墒情监测仪设置于田间。
32.下面对本发明的优点或原理进行说明：
33.本发明通过设置灌水量控制器及注肥量控制器，通过灌水量控制器控制水流量，通过注肥量控制器控制注肥量，实现灌水量与注肥量的双闭环控制，实现灌水量与注肥量的精确控制。本发明通过灌水量控制器及注肥量控制器能够实现灌水量与注肥量的快速、精确控制，实现精准施肥，节约水肥比例调节时间。
附图说明
34.图1是基于双闭环的水肥一体化精准控制方法的流程图；
35.图2是控制系统的控制原理图；
36.图3是基于双闭环的水肥一体化精准控制系统的结构图；
37.图4是控制系统的稳态结构图；
38.附图标记说明：
39.1、灌水量控制器；2、注肥量控制器；3、外部水源；4、文丘里吸肥器；5、肥液桶；6、第一过滤管路；7、一级过滤器；8、增压泵； 9、二级过滤器；10、第二过滤管路；11、三级过滤器；12、球阀； 13、流量计；14、压力表；15、主水管；16、支管；17、毛管；18、土壤墒情监测仪；19、田间电磁阀；20、进水主管；21、第一进水支管；22、施肥机进口电磁阀；23、第二进水支管；24、进水电磁阀； 25、水肥原液输出管；26、压力变送器；27、吸肥电磁阀；28、水肥输送管路；29、注肥泵；30、注肥控制电磁阀；31、ec传感器；32、 ph传感器；33、排水管；34、排水电磁阀；35、出水器。
具体实施方式
40.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“中”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
42.如图1所示，本发明在一实施例中公开一种基于双闭环的水肥一体化精准控制方法，包括以下步骤：
43.s1：获取当前周期的理论灌水量上一周期的理论灌水量及上上周期的理论灌水量获取当前周期的理论注肥量上一周期的理论注肥量及上上周期的理论注肥量
44.在步骤s1之前还包括：
45.设置当前周期的理论灌水量及理论注肥量并令当前周期的理论灌水量上一周期的理论灌水量及上上周期的理论灌水量相等；当前周期的理论注肥量上一周期的理论注肥量及上上周期的理论注肥量相等。
46.在步骤s1中，直接获取上述设置的数据即可。
47.在设置完理论灌水量及理论注肥量之后，还需要设置以下参数：
48.设置灌水量控制器的参数k
p
、ki、kd，设置注肥量控制器的参数j
p
、 ji、jd，水肥溶液检测计的反馈系数α，水流量传感器的反馈系数β，水肥溶液混合执行器的混合系数γ，。其中，k
p
、j
p
为比例系数，ki、ji为积分系数，kd、jd为微分系数。
49.s2：获取当前周期的反馈灌水量bw、上一周期的反馈灌水量b
w-1
及上上周期的反馈灌水量b
w-2
，获取当前周期的反馈注肥量bq、上一周期的反馈注肥量b
q-1
及上上周期的反馈注肥量b
q-2
。
50.其中，通过水流量传感器对当前水肥溶液的水流量进行采样，得到反馈灌水量，反馈灌水量为水流量传感器从水肥溶液中对灌水量的反馈，且反馈灌水量为水肥溶液f与反馈系数β的乘积，即bw＝β*f。
51.通过水肥溶液检测计对当前水肥溶液的注肥量进行采样，得到反馈注肥量，反馈注肥量为水肥溶液检测计从水肥溶液f中对注肥量的反馈，且反馈注肥量为水肥溶液f与反馈系数α的乘积，即bq＝α*f。
52.s3：根据步骤s1及s2获取的数据计算得到当前周期的理论灌水量与反馈灌水量bw的偏差值ek、上一周期的理论灌水量与反馈灌水量b
w-1
的偏差值e
k-1
、上上周期的理论灌水量与与反馈灌水量b
w-2
的偏差值e
k-2
。
53.其中，当前周期的理论灌水量与反馈灌水量bw的偏差值上一周期的理论灌水量与反馈灌水量b
w-1
的偏差值上上周期的理论灌水量与与反馈灌水量b
w-2
的偏差值
54.s4：根据步骤s1及s2获取的数据计算得到当前周期的理论注肥量与反馈注肥量bq的偏差值dk、上一周期的理论注肥量与反馈注肥量b
q-1
的偏差值d
k-1
、上上周期的理论注肥量与反馈注肥量b
q-2
的偏差值d
k-2
。
55.其中，当前周期的理论注肥量与反馈注肥量bq的偏差值上一周期的理论注肥量与反馈注肥量b
q-1
的偏差值上上周期的理论注肥量与反馈注肥量b
q-2
的偏差值
56.s5：根据步骤s3及s4得到的数据计算当前周期的实际灌水量wc及实际注肥量qc。
57.进一步地，实际灌水量wc满足以下公式：
58.wc＝k
p
(e
k-e
k-1
) k
iek-1
kd(e
k-2e
k-1
e
k-2
)；
59.实际注肥量qc满足以下公式：
60.qc＝j
p
(d
k-d
k-1
) j
idk-1
jd(d
k-2d
k-1
d
k-2
)。
61.上述实际灌水量wc与际注肥量qc的单位均为m3，通过计算得到实际灌水量wc与实际注肥量qc之后，按照实际灌水量wc与实际注肥量qc控制灌水量与注肥量即可，从而实现灌水量与注肥量的精确控制。
62.在本实施例中，利用正交实验，实现灌水量控制器的三个参数k
p
、 ki、kd与注肥量控制器的三个参数j
p
、ji、jd的设置。针对上述六个参数，设计了25组试验，每个参数有五个水平值，选取最优的参数水平组合，正交试验表如表1所示。k
p
的水平值为a1、a2、a3、a4、a5， ki的水平值为b1、b2、b3、b4、b5，kd的水平值为c1、c2、c3、c4、 c5，j
p
的水平值为d1、d2、d3、d4、d5，ji的水平值为f1、e2、e3、 e4、e5，jd的水平值为d1、d2、d3、d4、d5。
63.最后根据这六个参数利用两组pid控制算法对实际灌水量wc与实际注肥量qc进行控制。
64.表1正交试验表
65.[0066][0067]
如图2至图4所示，本发明在另一实施例中还公开一种基于双闭环的水肥一体化精准控制系统，该系统执行如上述实施例所述的控制方法，该系统包括注肥环、灌水环及混合执行器。其中，注肥环包括注肥量控制器2及水肥溶液检测计，注肥量控制器2与水肥溶液检测计相连，所述水肥溶液检测计用于从水肥溶液中获取对注肥量的反馈，所述注肥量控制器2用于控制多通道施肥机以输出稳定的注肥量。灌水环包括灌水量控制器1及水流量传感器，灌水量控制器1与水流量传感器相连，所述水流量传感器用于从水肥溶液中获取对注水量的反馈，所述灌水量控制器1用于控制增压泵8以输出稳定的灌水量，消除灌水量偏差。混合执行器，与注肥环及灌水环相连，注肥环的水肥原液与灌水环的过滤水在混合执行器混合后，形成具有固定浓度的水肥溶液。
[0068]
进一步地，本实施例的控制系统还包括过滤管路模块、田间管路模块及肥液桶5。
过滤管路模块与田间管路模块相连，过滤管路模块与外部水源3相连，水肥溶液检测计及水流量传感器分别与过滤管路模块相连。本实施例的混合执行器为文丘里吸肥器4，文丘里吸肥器 4与过滤管路模块相连，肥液桶5与过滤管路模块及文丘里吸肥器4 相连。
[0069]
本实施例的过滤管路模块至少包括第一过滤管路6，以及设置于第一过滤管路6上的一级过滤器7、增压泵8及二级过滤器9，增压泵8位于一级过滤器7与二级过滤器9之间，灌水量控制器1与增压泵8相连。优选地，本实施例的灌水量控制器1为变频器，变频器内嵌pid控制器，控制增压泵8输出稳定的灌水量。
[0070]
过滤管路模块还包括第二过滤管路10及三级过滤器11，三级过滤器11设置于第二过滤管路10上，第二过滤管路10的进水口与第一过滤管路6的出水口相连。三级过滤器11与二级过滤器9之间设有球阀12。本实施例的水流量传感器为流量计13和/或压力表14。流量计13及压力表14设置于第二过滤管路10上，流量计13与压力表14分别与灌水量控制器1相连。三级过滤器11位于流量计13与球阀12之间。
[0071]
肥液桶5的进水口与第一过滤管路6和第二过滤管路10的连接处相连，肥液桶5的出水口与文丘里吸肥器4的进口相连。文丘里吸肥器4的另一进口与第一过滤管路6和第二过滤管路10的连接处相连，文丘里吸肥器4的出口与第二过滤管路10相连。
[0072]
外部水源3经过一级过滤器7、增压泵8、二级过滤器9、球阀 12、三级过滤器11、流量计13、压力表14后输送至田间管路模块，实现对田间的灌溉，此时达到田间的是三级过滤水。在灌溉过程中通过流量计13及压力表14对水流量进行监测。
[0073]
进一步地，田间管路模块包括主水管15、多个支管16、多个毛管17、多个土壤墒情监测仪18。其中，主水管15与第二过滤管路 10相连，多个支管16分别与主水管15相连，每一个支管16上分别连接有多个毛管17，每一个毛管17上分别设有多个出水器35，每一支管16上分别设有田间电磁阀19，土壤墒情监测仪18设置于田间。注肥量控制器2设置于多通道施肥机上，该注肥量控制器2为多通道施肥机的控制器，多个土壤墒情监测仪18及多个田间电磁阀19分别与多通道施肥机相连。
[0074]
通过第二过滤管路10输送过来的三级过滤水经过主水管15、支管16、毛管17后通过多个出水器35输送至田间灌溉。由于在每一个支管16上均设有田间电磁阀19，通过田间电磁阀19可控制不同地块的灌溉，从而实现分区灌溉。本实施例的土壤墒情监测仪18的数量与田间电磁阀19的数量相对应，在每一个分区地块分别设置有一个土壤墒情监测仪18，通过土壤墒情监测仪18实时监测土壤的湿度、温度等土壤墒情信息。
[0075]
本实施例多通道施肥机内嵌有pid控制器，该pid控制器即为注肥量控制器2，该pid控制器用于实现注肥量的稳定输出。多通道施肥机还包括进水主管20及第一进水支管21，进水主管20与第一过滤管路6、第二过滤管路10的连接处连接，进水主管20位于第一过滤管路6与球阀12之间。第一进水支管21与进水主管20相连，文丘里吸肥器4为多个，多个文丘里吸肥器4的入口分别与第一进水支管21相连，进水主管20上设置有施肥机进口电磁阀22。外部水源3 通过第一过滤管路6输送至进水主管20内，并进入第一进水支管21 内，进而进入文丘里吸肥器4。
[0076]
该系统还包括第二进水支管23，第二进水支管23与进水主管20 相连，第二进水支管23与进水主管20的连接处位于第一过滤管路6 与施肥机进口电磁阀22之间。肥液桶5为多个，多个肥液桶5分别与第二进水支管23相连，肥液桶5的入口与第二进水支管23之间设
置有进水电磁阀24。
[0077]
为了实现水肥原液与水的混合，该系统还包括多个水肥原液输出管25，多个肥液桶5的出水口分别通过水肥原液输出管25与多个文丘里吸肥器4的入口相连。水肥原液输出管25上设置有压力变送器 26及吸肥电磁阀27。在其他实施例中，压力变送器26还可设置于肥液桶5内。在文丘里吸肥器4的负压作用下，通过水肥原液输出管 25将肥液桶5内的水肥原液吸入文丘里吸肥器4内，与二级过滤水混合后得到一定比例的水肥溶液。
[0078]
多通道施肥机还包括水肥输送管路28，多个文丘里吸肥器4的出口分别与水肥输送管路28相连，水肥输送管路28上设有注肥泵 29及注肥控制电磁阀30，水肥输送管路28与第二过滤管路10相连。水肥输送管路28与第二过滤管路10的连接处位于球阀12与三级过滤器11之间。水肥原液与二级过滤水混合后的水肥溶液经过水肥输送管路28及第二过滤管路10输送至田间，从而实现施肥灌溉。
[0079]
本实施例的水肥溶液检测计为ec传感器31、ph传感器32，ec 传感器31及ph传感器32分别设置于第二过滤管路10上。ec传感器31及ph传感器32分别与注肥量控制器2相连。通过ec传感器 31、ph传感器32检测水肥溶液中的离子浓度及酸碱度。
[0080]
本实施例在肥液桶5内设有液位传感器，所述液位传感器与所述注肥量控制器2相连。肥液桶5的排水口还连接有排水管33，排水管33上设有排水电磁阀34。
[0081]
本实施例可预先设定肥液桶5的注肥及注水量，当液位传感器监测到液位超过设定阈值时，则水位溢出；当液位低于设定阈值时，则认为是空桶。通过液位传感器对肥液桶5内液位进行监测，可有效防止因为水位溢出导致的水肥浪费，以及防止空桶导致空气被吸入注肥泵29造成注肥泵29的叶轮产生气蚀而减少使用寿命。
[0082]
本实施例的控制系统在使用时，可预先设置灌溉时间实现定时灌溉。该控制系统还可通过多通道施肥机预先设置阈值，通过土壤墒情监测仪18实施采集土壤的墒情情况，当采集的墒情信息低于设定阈值时开始灌溉，当采集的墒情信息超过设定阈值时停止灌溉。
[0083]
该控制系统针对南方丘陵山地同一灌溉项目不同分区的海拔高度及地块大小不同导致的管路所需压力不同的情况，对不同地块分区实现分区压力调节，以适应不同分区对管路压力的要求。具体为在多通道施肥机中设置不同分区所需的管路压力，并将设置的管路压力发送至变频器，通过变频器控制增压泵8输出不同的管路压力，实现分区控制。
[0084]
本实施例通过压力表14及流量计13可实现对管路破裂、堵塞等异常情况进行监测。当流量计13监测到第二过滤管路10的水流量不变或增加，同时压力表14监测到压力持续下降时，则可判定存在管路破裂的情况。当压力表14监测到压力维持稳定不变，流量计13监测到第二过滤管路10的水流量持续减小时，则可判定管路或田间出水器35存在堵塞的情况。当监测到管路存在破裂或堵塞的情况则可及时修复，降低损失。
[0085]
本实施例的基于双闭环的水肥一体化精准控制系统采用灌水量与注肥量双闭环，如图2所示，为灌水量与注肥量双闭环控制系统原理图。注肥量控制器2和水肥溶液检测计反馈回路构成注肥环，灌水量控制器1和水流量传感器反馈回路构成灌水环。注肥环的主要作用是通过水肥溶液检测的反馈实现稳定注肥量，灌水环的主要作用是保持灌水量稳定，最终消除灌水量偏差。灌水量控制器1与注肥量控制器2组合，即把灌水量控制器1的输出与注肥量控制器2的输出在混合执行器处混合，最终得到稳定的具有固定浓度的水肥溶液。注
肥量控制器2与灌水量控制器1电性相连。
[0086]
基于双闭环水肥一体化精准控制系统的稳态结构如图4所示。灌水量输入为水肥溶液f经过反馈系数为β水流量传感器与灌水输入混合得到wn。注肥量输入为水肥溶液f经过反馈系统为α的水肥溶液检测计与灌水输入混合得到qn。灌水量控制器1与注肥量控制器2的控制参数，k
p
为比例控制单元，为积分控制单元，skd为微分控制单元。其中，k
p
、ki、kd为灌水量控制器1的参数。注肥量控制器2采用pid控制方式，j
p
为比例控制单元，为积分控制单元， sjd为微分控制单元。其中，j
p
、ji、jd为注肥量控制器的参数。wn经过灌水量pid控制器得到wc，qn经过注肥量pid控制器得到qc，wc与qc于混合执行器处混合得到水肥溶液f。
[0087]
本系统的系统函数：
[0088][0089]
由系统函数可以看出，双闭环水肥控制系统由一个灌水量控制系统及一个注肥量控制系统组合而成。灌水量控制系统及注肥量控制系统均属于有零点的二阶系统，能快速到达稳定状态。
[0090]
本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或组合，均落在本发明权利保护范围之内。