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主路式水肥一體機(jī)施肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn).pdf

  • 資源ID:17594       資源大小:1.97MB        全文頁(yè)數(shù):7頁(yè)
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主路式水肥一體機(jī)施肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn).pdf

年 第 期 第 卷 農(nóng)機(jī)化研究 主路式水肥一體機(jī)施肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 李 擎 李家春 熊賢沙 蔡家斌 貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 貴陽(yáng) 摘 要 針對(duì)現(xiàn)階段水肥一體化設(shè)備存在施肥不均 自動(dòng)化程度不高及滯后性嚴(yán)重的問(wèn)題 根據(jù)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)節(jié)水省肥和 減少環(huán)境污染的灌溉要求 設(shè)計(jì)了一款可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)混肥 施肥 節(jié)水灌溉的主路式水肥一體化施肥機(jī) 根據(jù)液肥的 和 值調(diào)節(jié)過(guò)程的特點(diǎn) 開(kāi)發(fā)了以 為核心的液肥控制系統(tǒng)硬件 并結(jié)合 設(shè)計(jì)了以模糊 為控 制器的液肥 和 值控制系統(tǒng) 為驗(yàn)證施肥機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的精確性和魯棒性 設(shè)計(jì)了施肥系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能試驗(yàn) 結(jié)果表明 在施肥階段 模糊 控制系統(tǒng)具有較短的穩(wěn)態(tài)時(shí)間和較小的超調(diào)量 相比于 控制系統(tǒng) 對(duì) 和 值進(jìn) 行調(diào)節(jié)的穩(wěn)態(tài)時(shí)間分別減少了 和 穩(wěn)態(tài)超調(diào)量分別降低了 和 可實(shí)現(xiàn)對(duì)混肥溶液進(jìn)行迅速有效 的調(diào)節(jié) 滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需要 關(guān)鍵詞 水肥一體化 施肥機(jī) 模糊 過(guò)程控制 中圖分類號(hào) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 文章編號(hào) 收稿日期 基金項(xiàng)目 貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目 黔科合支撐 一般 作者簡(jiǎn)介 李 擎 男 山東淄博人 碩士研究生 通訊作者 李家春 男 貴陽(yáng)人 教授 博士生導(dǎo)師 引 言 我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó) 農(nóng)業(yè)灌溉用水量約占全國(guó)水 資源總量的 截至 年 全國(guó)農(nóng)業(yè)設(shè)施總面積 已經(jīng)超過(guò)了 但是 我國(guó)的水資源嚴(yán)重 短缺 且化肥的過(guò)量使用不僅降低了肥料的利用率 還 污染了土壤 在過(guò)去 年間 由于化肥的普及 直 接導(dǎo)致了中國(guó)主要農(nóng)田的顯著的土壤酸化和灌溉水源 污染 水肥一體化技術(shù)是將灌溉與施肥有機(jī)結(jié)合 根據(jù) 不同作物的特點(diǎn)借助壓力系統(tǒng) 精確地把水肥耦合溶 液應(yīng)用于作物的一種技術(shù) 與傳統(tǒng)大水漫灌等灌溉 模式相比 水肥一體化技術(shù)可以顯著提高水肥藥的利 用率 其管道直接利用液態(tài)肥浸潤(rùn)作物根系 減少 水分的下滲蒸發(fā)和肥料揮發(fā) 通??蓪?shí)現(xiàn)節(jié)水 和節(jié)肥 從而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)及提高經(jīng)濟(jì) 效益 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中 作物需要一定的土壤酸堿度 和 值 這也是水肥一體化技術(shù)需要控制的兩個(gè)重要 指標(biāo) 由于它們的控制十分非線性 加之管道傳輸?shù)?因素帶來(lái)的嚴(yán)重滯后性和不確定性 因此成為了水肥 一體化技術(shù)中需要解決的棘手問(wèn)題 目前 在對(duì)液 體肥料的 和 值過(guò)程控制研究的一個(gè)大的方面是 控制 為此 筆者基于模糊 控制 設(shè)計(jì)了一 種主路式水肥一體機(jī) 并通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試 驗(yàn) 實(shí)現(xiàn)了對(duì)作物的精確灌溉施肥 有效緩解了水肥一 體化設(shè)備中液態(tài)肥控制存在的滯后性和不確定性問(wèn) 題 對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化水平的提高起到一定的促進(jìn) 作用 結(jié)構(gòu)組成及工作原理 結(jié)構(gòu)組成 主路式水肥一體化施肥機(jī)主要由鋁合金框架 控 制系統(tǒng) 支吸肥管 混肥桶和吸肥泵等部件組成 如 圖 所示 混肥桶 工控觸摸屏 控制柜 鋁合金框架 進(jìn)水口 吸肥泵 混肥液出口 傳感器 吸肥管 吸肥口 圖 施肥機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 第 期李擎等 主路式水肥一體機(jī)施肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)第 卷 其中 控制系統(tǒng)被總成在控制柜中 吸肥管主要 由流量傳感器 浮子流量計(jì) 手動(dòng)閥 電磁閥和文丘里 管組成 可滿足最多 種水肥藥溶液的施肥配比 工作原理 工作原理如圖 所示 工作時(shí) 混肥桶的進(jìn)水口 與灌溉管道直接相連 吸肥泵由混肥桶的出口帶動(dòng)混 合肥液輸送至指定灌溉區(qū) 在吸肥泵的出口分出一股 回路 返回吸肥管帶動(dòng)文丘里產(chǎn)生吸力 帶動(dòng)肥液由 液態(tài)肥儲(chǔ)存桶進(jìn)入吸肥管 經(jīng)流量傳感器 浮子流量 計(jì) 手動(dòng)閥 電磁閥 文丘里管后 肥液被注入混肥桶 內(nèi) 在混肥桶內(nèi)與水混合形成一定比例的混合肥液 輸送到指定灌溉區(qū) 如此循環(huán)往復(fù) 在此過(guò)程中控制 柜中的變量控制系統(tǒng)根據(jù)在可編程控制器上設(shè)置的 灌溉施肥程序和外部檢測(cè)到的 值 來(lái)控制每條 吸肥管安裝的電磁閥通斷 實(shí)現(xiàn)了對(duì)各管道不同類型 肥液的定量比例控制 攪拌泵 貯肥桶 貯肥桶閥門 吸肥管閥門 吸肥管流量傳感器 浮子流量計(jì) 止回閥 手動(dòng)閥 電磁閥 水射器 液位開(kāi)關(guān) 混肥桶 排廢閥 吸肥泵 傳感器 傳感器 壓力傳感器 主通道流量傳感器 控制柜 圖 工作原理圖 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 硬件層設(shè)計(jì) 施肥控制模塊主要由一塊作為下位機(jī)的 觸 摸屏人機(jī)界面與遠(yuǎn)程 端組成 其中 與觸摸 屏通過(guò) 模式的線纜連接直接進(jìn)行通訊 與遠(yuǎn) 程 端通過(guò) 模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的 相互傳輸 實(shí)物圖如圖 所示 型號(hào)為 可利用自身拓展模塊 實(shí)現(xiàn)模擬信 號(hào)輸入 以及脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換和輸出 滿足設(shè)計(jì)需求 觸摸屏人機(jī)界面采用的是北京昆侖通態(tài)生產(chǎn)開(kāi)發(fā)的 組態(tài)軟件 以及相對(duì)應(yīng)開(kāi)發(fā)的 型號(hào)觸摸屏 其配備了 為核心的主頻為 的 和串行接口 以太網(wǎng)口等多種接口 滿足了對(duì)數(shù)據(jù)處理 圖像顯示和與上下位機(jī)連接通訊 等的功能 控制流程圖如圖 所示 圖 控制系統(tǒng)實(shí)物圖 第 卷農(nóng)機(jī)化研究第 期 圖 施肥系統(tǒng)控制流程圖 混肥液動(dòng)態(tài)調(diào)控模型 值的混合模型選擇典型的一階滯后模型 假 設(shè)機(jī)器工作時(shí)混肥桶內(nèi)的溶液體積和濃度保持不變 忽略回路帶來(lái)的影響 則在系統(tǒng)工作達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡 時(shí) 根據(jù)質(zhì)量守恒定律可得 null nullnull null null null null null null null null null 式中 混肥桶內(nèi)溶液體積 混肥桶內(nèi)溶液濃度 混肥桶進(jìn)水口濃度 第 支吸肥管溶液濃度 泵出口溶液濃度 混肥桶進(jìn)水口的流量 第 支吸肥管的流量 泵出口流量 吸肥管電磁閥的占空比 液體肥料溶液濃度和 值成正比 且混肥桶進(jìn)水 口的濃度可以忽略不計(jì) 取 和 為相同定值 當(dāng) 系統(tǒng)工作達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí) 有 則式 可以化簡(jiǎn)為 null nullnull null null null null null null null 式中 泵出口溶液的 值 第 支吸肥管溶液 值 其中 為系統(tǒng)預(yù)設(shè)值 設(shè)為 則式 根據(jù) 拉普拉斯變換可得 null null null null 根據(jù)設(shè)備的實(shí)際工作情況和實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù) 得到 滯后時(shí)間為 將上述變量帶入式 得到 值的近似傳遞函 數(shù)為 混合液態(tài)肥料和灌溉水一般呈現(xiàn)弱堿性 則其 值的調(diào)控是通過(guò)調(diào)節(jié)酸液電磁閥的開(kāi)關(guān)周期來(lái)實(shí)現(xiàn) 調(diào)節(jié)過(guò)程可認(rèn)為是酸堿中和過(guò)程 假設(shè)機(jī)器工作時(shí)混 肥桶內(nèi)的溶液體積和濃度保持不變 忽略回路帶來(lái)的 影響 則在系統(tǒng)工作達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)根據(jù)質(zhì)量守恒定 律可得 式中 混肥桶內(nèi)溶液體積 混肥桶內(nèi)的溶液酸濃度 酸溶液吸肥管的酸濃度 酸溶液吸肥管的流量 泵出口流量 酸溶液吸肥管電磁閥的占空比 式中 混肥桶內(nèi)的溶液堿濃度 第 期李擎等 主路式水肥一體機(jī)施肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)第 卷 第 支吸肥管的堿濃度 混肥桶進(jìn)水口堿濃度 第 支吸肥管的流量 泵出口流量 第 支吸肥管電磁閥的占空比 假設(shè)混肥桶溶液體積不變 則 根據(jù) 值滴定方程得到 其中 為過(guò)程輸出變量 為堿溶液的電離常 數(shù) 取灌溉水源的電離常數(shù) 值 酸 溶液濃度為 灌溉水源流入混肥桶的流量為 混肥桶體積為 通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)得到 值的延遲高階傳遞函數(shù)為 模糊 控制器的設(shè)計(jì) 控制廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域 它利用比例 積 分 微分的參數(shù)關(guān)系計(jì)算和獲得控制量 以此來(lái)控制 受控對(duì)象 控制器方程式為 null null null null null null null null 模糊 控制器是使用輸入和反饋之間的偏差 以及變化率作為輸入 并通過(guò)某些規(guī)則自動(dòng)調(diào)整 的 個(gè)參數(shù) 以 值為例 在調(diào)節(jié) 值時(shí) 該控制 器的工作原理為根據(jù) 值的誤差 和誤差變化率 來(lái)進(jìn)行模糊化和模糊推理 從而實(shí)時(shí)修正 控制器 的 個(gè)控制參數(shù) 以控制鹽溶液電磁閥的啟 ??刂?實(shí)現(xiàn)肥液 值的調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)原理圖如圖 所示 圖 模糊 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 控制器輸入值為吸肥泵出口混合肥液的 偏 差值 和偏差變化率 根據(jù)實(shí)際情況設(shè)誤差 和誤差 變化率 的取值范圍設(shè)為 輸出控制量 的變化范圍也取為 取值特征點(diǎn)均為 輸入輸出量的語(yǔ)言變量模糊子集 均取為 量化為 個(gè)等 級(jí) 其依次代表輸入值負(fù)大 負(fù)中 負(fù)小 合適 正小 正 中 正大 控制器輸入值為吸肥泵出口混合肥液的 偏 差值 和偏差變化率 根據(jù)實(shí)際情況 設(shè)誤差 和誤 差變化率 的取值范圍設(shè)為 為方便計(jì)算 將 它們分別模糊化 模糊論域均取為 則其量化 因子均為 輸出控制量 的變化范圍也取 為 取值特征點(diǎn)均為 輸入輸出量的語(yǔ)言變量模糊子集均取為 量化為 個(gè)等級(jí) 其依次代表輸入值 負(fù)大 負(fù)中 負(fù)小 合適 正小 正中 正大 根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工作的經(jīng)驗(yàn)積累及 和 值的 控制規(guī)律 綜合考慮系統(tǒng)工作的超調(diào)量及響應(yīng)速度等 制定的 和 值的模糊 控制器 個(gè)參數(shù)的控 制規(guī)則表如表 所示 選用三角形隸屬度函數(shù) 生成 隸屬度函數(shù)曲線分別如圖 和圖 所示 表 控制規(guī)則表 第 卷農(nóng)機(jī)化研究第 期 圖 的隸屬度函數(shù) 圖 值及 的 的隸屬度函數(shù) 為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的模糊 控制器性能 設(shè)計(jì)了 控制器來(lái)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行比較 根據(jù)實(shí)際情況 混合 肥液的初始 值為 調(diào)整后的混合肥液 值調(diào)整為 初始 值為 調(diào)整后為 模擬時(shí)間為 控制器的性能指標(biāo)可以通過(guò) 峰值量 峰值時(shí)間 穩(wěn)態(tài)時(shí)間和最大超量來(lái)評(píng)估 仿真 結(jié)果如表 及圖 圖 所示 表 仿真性能指標(biāo)表 項(xiàng)目控制器峰值時(shí)間 峰值 穩(wěn)態(tài)時(shí)間 最大超量 由仿真結(jié)果和表 可知 兩種控制器均達(dá)到了設(shè) 定值的要求 但模糊 控制器相比 控制器的波 動(dòng)較小 且達(dá)到設(shè)定 值和 值的穩(wěn)態(tài)時(shí)間分別減 少了約 和 這說(shuō)明 模糊 控制器具 有更短的穩(wěn)態(tài)時(shí)間和較強(qiáng)的穩(wěn)定性 圖 控制器仿真結(jié)果 圖 控制器仿真結(jié)果 樣機(jī)及性能試驗(yàn) 在貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院試驗(yàn)場(chǎng)地搭建主路式 水肥一體化施肥機(jī)樣機(jī) 并進(jìn)行性能試驗(yàn) 圖 為 樣機(jī)照片及其工控觸屏交互界面 第 期李擎等 主路式水肥一體機(jī)施肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)第 卷 圖 施肥機(jī)樣機(jī)及工控觸摸屏界面 常見(jiàn)農(nóng)作物供液濃度 值在 之間 值多控制在 之間 試驗(yàn)設(shè)定 值為 值為 在混肥口出口管道內(nèi) 安裝 傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混肥溶液 值 傳感器量程為 分辨率 傳感器分辨率為 在人機(jī)工控觸摸屏中設(shè)置 灌溉時(shí)間 并在第 開(kāi)始持續(xù) 施肥 的預(yù)設(shè)方案 通過(guò)傳感器和數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)記錄出口 混合肥液的 值 采樣周期為 試驗(yàn)結(jié)果如表 及圖 圖 所示 表 施肥機(jī)試驗(yàn)性能指標(biāo)表 項(xiàng)目控制器峰值時(shí)間 峰值 穩(wěn)態(tài)時(shí)間 穩(wěn)態(tài)超量 圖 試驗(yàn)結(jié)果曲線 圖 試驗(yàn)結(jié)果曲線 由表 可知 雖然 控制系統(tǒng)具有較短的響應(yīng) 時(shí)間 但隨之而來(lái)的是巨大的峰值和不穩(wěn)定性 以及 較長(zhǎng)的穩(wěn)態(tài)時(shí)間 相比于 控制系統(tǒng) 模糊 控 制系統(tǒng)在調(diào)控 和 的過(guò)程中穩(wěn)態(tài)時(shí)間分別減少 了 和 達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的穩(wěn)態(tài)超調(diào)量分別降 低了 和 說(shuō)明設(shè)計(jì)的基于模糊 的主路 式水肥一體機(jī)施肥系統(tǒng)在施肥作業(yè)中具有較好的精 確性和魯棒性 結(jié) 論 基于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)對(duì)于節(jié)水省肥的需求 設(shè)計(jì)了 以模糊 控制為基礎(chǔ)的主路式水肥一體化施肥機(jī) 施肥系統(tǒng) 來(lái)優(yōu)化現(xiàn)存水肥一體化設(shè)備存在的滯后性 和不確定性等問(wèn)題 基于 對(duì)其硬 件進(jìn)行了設(shè)計(jì) 并使用 軟件進(jìn)行了控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì)和仿真 搭建樣機(jī)并進(jìn)行了性能試驗(yàn) 結(jié)果表明 相比 于 控制系統(tǒng) 模糊 控制系統(tǒng)在調(diào)控 和 的過(guò)程中 穩(wěn)態(tài)時(shí)間分別減少了 和 達(dá) 到穩(wěn)態(tài)時(shí)的穩(wěn)態(tài)超調(diào)量分別降低了 和 具 有較優(yōu)異的精確性和魯棒性 滿足設(shè)計(jì)要求 參考文獻(xiàn) 趙學(xué)觀 何亞凱 王松林 等 雙變量排肥系統(tǒng)充肥性能分 析與試驗(yàn)研究 農(nóng)機(jī)化研究 李娟 何曉寧 王東偉 等 新型農(nóng)家肥果園自動(dòng)施肥機(jī)的 設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 農(nóng)機(jī)化研究 第 卷農(nóng)機(jī)化研究第 期 田莉 李家春 趙先鋒 等 水肥一體化施肥機(jī)變量吸肥系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 農(nóng)機(jī)化研究 李繼學(xué) 李家春 水肥一體化遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試 驗(yàn) 農(nóng)機(jī)化研究 孫宜田 李青龍 孫永佳 等 基于模糊控制的水肥藥一體 化系統(tǒng)研究 農(nóng)機(jī)化研究 余洪鋒 丁永前 劉海濤 等 小田塊變量施肥系統(tǒng)優(yōu)化設(shè) 計(jì)與應(yīng)用 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 高鵬 簡(jiǎn)紅忠 魏樣 等 水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā) 展前景 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技 吳玉發(fā) 水肥一體化自動(dòng)精準(zhǔn)灌溉施肥設(shè)施技術(shù)的研究 和實(shí)現(xiàn) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 金永奎 盛斌科 孫竹 等 水肥一體化管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和 實(shí)現(xiàn) 農(nóng)機(jī)化研究

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