精准配肥控制系统的设计与研究

发布时间：2017-06-25 06:05

  本文关键词：精准配肥控制系统的设计与研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：我国灌溉水资源匮乏,化肥污染严重,为保持农业的可持续发展,对灌溉施肥的控制与管理技术的研究越来越受到重视。随着科学技术的快速发展,更多的新技术在农业灌溉施肥中得到广泛应用。国内外对农业灌溉施肥的控制与管理技术都做了许多研究。但与国外优秀技术进行对比,国内的研究起步较晚且技术相对落后,存在着较大程度的差距。虽然国外的设备较为成熟,但因作物生长因素、气候环境、土壤条件等差异,难以满足中国的实际需求;再者,国内研究主要局限于实验室,并且系统造价昂贵。故有必要设计一套物美价廉的水肥配制控制系统满足社会需要。本研究通过对系统结构、控制算法、软硬件设计等方面的研究,设计了一套精准配肥控制系统,通过调节水肥溶液的浓度值和酸碱度,配制出适合农作物生长需求的水肥溶液,从而提高作物的产量、质量并节约能源、保护环境。首先,通过分析电动比例调节阀和传感器的工作原理,建立了电动比例调节阀和传感器的数学模型,再结合被控系统的组成结构,以此建立被控系统的数学模型。其次,基于被控系统的数学模型,设计了精准配肥控制系统的模糊PID控制器,进行仿真实验,并与传统PID控制器进行对比分析,仿真结果说明模糊PID控制器比传统PID控制器能使被控系统获得更好的性能。最后,本文对精准配肥控制系统进行了软硬件设计。根据“硬件在回路”的控制思想,本控制系统主要包括:一台作为控制处理中心的上位机(包括Simulink模型和监控中心)、一台作为数据采集系统的单片机STM32F103及电源模块、传感器模块和执行机构。其中,电源模块为整个系统提供能源,并通过DC/DC降压电路满足系统各部分的工作电压。选用CM-230K电导率EC传感器、pH电极、流量传感器和BP801型压力变送器对水肥溶液的参数进行采集,利用STM32F103单片机处理采集数据,数据传输模块将数据发送至上位机分析。上位机将采集数据传递至Simulink模型中推理运算,经模糊推理后,将推理结果经过数据传输模块发送至单片机,控制执行机构的阀门开度,进而调节水肥溶液的EC值或pH值,直至配制出设定浓度或酸碱度的水肥溶液。采用Matlab/GUI图形化用户编程界面创建的精准配肥系统监控中心界面对采集数据进行实时显示,使数据监测更加一目了然。经试验表明:该精准配肥控制系统能够配制出设定浓度或酸碱度的水肥溶液,其最大误差绝对值小于5%,满足实际控制要求。且系统界面友好易于操作,能实时显示水肥溶液的各项参数和执行机构的工作状态,能满足精准配肥的实际需要。
【关键词】：精准配肥 模糊PID控制器 Simulink模型 实时监测
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S224.2;TP273
【目录】：

• 摘要6-7
• ABSTRACT7-9
• 第1章 文献综述9-15
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 水肥一体化精准配肥控制技术概述10
• 1.3 国外研究现状10-11
• 1.4 国内研究现状11-13
• 1.5 存在的问题及发展趋势13-15
• 第2章 绪论15-17
• 2.1 研究目的及意义15
• 2.2 研究主要内容15-17
• 第3章 系统总体设计17-23
• 3.1 系统总体结构设计17-18
• 3.2 执行机构数学建模18-20
• 3.2.1 直流电动机数学建模18-20
• 3.2.2 线性滞后环节数学建模20
• 3.2.3 执行机构数学模型20
• 3.3 传感器模块数学建模20-21
• 3.3.1 EC传感器数学建模20-21
• 3.3.2 pH传感器数学建模21
• 3.4 被控系统数学模型21-23
• 第4章 模糊PID控制器设计及系统仿真研究23-35
• 4.1 PID控制算法23-24
• 4.2 模糊控制器设计24-29
• 4.2.1 模糊控制器结构设计25
• 4.2.2 模糊化25-27
• 4.2.3 模糊控制规则设计27-28
• 4.2.4 解模糊28-29
• 4.3 模糊PID控制器设计29-32
• 4.4 系统仿真研究32-35
• 第5章 精准配肥控制系统软硬件设计35-55
• 5.1 控制系统总体设计35-36
• 5.2 控制系统硬件设计36-50
• 5.2.1 电源模块36-37
• 5.2.2 传感器选型37-40
• 5.2.3 控制器设计40-46
• 5.2.4 执行机构选型46-50
• 5.3 控制系统软件设计50-55
• 5.3.1 系统软件开发环境和仿真工具50
• 5.3.2 控制系统流程图50-51
• 5.3.3 软件程序设计51
• 5.3.4 监控中心设计51-55
• 第6章 实验研究与分析55-63
• 6.1 系统性能测试55-57
• 6.2 配肥精度测试57-63
• 第7章 总结与展望63-65
• 7.1 总结63-64
• 7.2 展望64-65
• 参考文献65-69
• 致谢69-71
• 发表论文及参加课题一览表71

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本文编号：481003