智能型多通道水肥一体化设备关键技术研究

作     者：熊贤沙 

作者单位：贵州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蔡家斌

授予年度：2023年

学科分类：0828[工学-农业工程] 08[工学] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：水肥一体化 数值模拟 PSO-Fuzzy PID控制器 性能试验 

摘      要：高效节水灌溉施肥是农业现代化建设的重要发展方向,水肥一体化设备是保障农业可持续发展、实现高效节水灌溉施肥的重要设备。针对目前我国水肥一体化设备仍存在水肥混合不均匀、配比精度较低等问题,本文着眼于精准农业的水肥混合生产过程,运用理论分析、数值模拟、试验等方法,对智能型多通道水肥一体化设备展开设计与研究分析。主要研究工作如下:(1)总体方案设计及整机结构确定。根据智能型多通道水肥一体化设备的设计原则、功能与性能需求,明确设备的工作流程,完成工作方案设计。对设备总体结构划分,完成吸肥结构和混肥结构的设计,从而确定整机模型,并运用SolidWoks软件对整机模型进行三维建模。(2)吸混肥系统的数值模拟。整机关键部件主要分为多通道文丘里管吸肥系统和混肥系统。先用三维软件分别建立模型,运用FloEFD软件仿真得到多通道文丘里管吸肥系统中的各通道吸肥量和水、肥入口端的压差呈正相关的工作特性,吸肥量数据为后续试验提供参考;运用Fluent软件对混肥系统进行多相流仿真,确定水肥在文丘里管初次混合,在混肥桶内再次混合,可以增加水肥的混合均匀性。(3)基于PSO优化的模糊PID控制器设计与仿真。建立水肥浓度控制过程的模型,利用Matlab对控制对象建立仿真模型。通过比较PID、Fuzzy PID的控制效果,设计了PSO-Fuzzy PID控制器,根据三种控制器的仿真对比实验,PSO Fuzzy-PID相比于PID,超调量降低21.36%,调节时间减少15s;相比于FuzzyPID,超调量降低了8.05%,调节时间减少了7.5s。PSO-Fuzzy PID控制器改善了被控系统动态变化适应性较弱的问题,控制性能更优越,有更强的抗干扰能力、适应性和鲁棒性。(4)样机研制与性能试验。根据整机结构设计及样机硬件选型,组装搭建样机并做性能试验。最大吸肥量试验,仿真数据与试验数据吻合度较高;控制器性能对比试验,PSO-Fuzzy PID控制系统在实际施肥灌溉中超调量小、调节时间段,具有较好的适应性和鲁棒性,能够满足实际灌溉施肥需求;不同单元素间的配比试验,设备可以迅速有效的实现水肥混合液的动态调节,实现不同单元素液肥之间的精确配比;稳定性试验,样机持续运行5小时,五个通道吸肥量基本保持稳定。本文研发的智能型多通道水肥一体化设备结构合理、水肥混合均匀性好、配肥精度高,能够满足贵州农业智能灌溉施肥的控制性能和精度要求,具有广阔的应用前景。