發(fā)布時間：2018-04-08 09:04

  本文選題：溫室　切入點：精準水肥調控　出處：《上海大學》2016年博士論文

【摘要】：農業(yè)現(xiàn)代化是我國未來農業(yè)發(fā)展的重中之重,現(xiàn)代農業(yè)技術、現(xiàn)代農業(yè)裝備將成為提高農業(yè)生產(chǎn)力和保障農業(yè)可持續(xù)化發(fā)展的重要手段。在這樣的戰(zhàn)略背景下,本論文著眼于設施農業(yè)的水肥生產(chǎn)過程,圍繞精準水肥調控過程中的智能管理系統(tǒng)和智能裝備技術,開展了以下方面的研究:(1)運用模糊建模理論,首次提出并建立了水肥管理因子(W_q,F_q,F_(feq),F_c,F_o)與作物發(fā)育指標(PMI,PI,RGI,YQ)的多變量模糊關系模型。分別對植株高度Hp、葉面積指數(shù)LAI、葉片光合作用速率FG、根系吸氮量RN、產(chǎn)量Y等主要作物發(fā)育指標進行了模型計算。模型輸出的可決系數(shù)分別為0.9608、0.9541、0.9633、0.9764、0.9873,與實際測量數(shù)據(jù)間具有較高的相關性。試驗對比結果表明,該模型能夠較準確地反應水肥管理因子與作物發(fā)育指標之間的關系。(2)對滴灌條件下水分和養(yǎng)分在土壤中的運移特性進行了數(shù)值模擬研究。運用HYDRUS-3D有限元數(shù)值模型,研究了土壤含水率和土壤養(yǎng)分濃度隨時間和空間的變化規(guī)律,以及不同灌溉施肥制度(施肥頻率、灌溉強度)對土壤含水率和養(yǎng)分濃度分布的影響。試驗結果表明:(1)灌溉施肥過程對水分和養(yǎng)分分布的影響隨土壤深度的增加而減小,對0~20cm土層影響最大,土壤養(yǎng)分濃度的變化滯后于土壤含水率的變化;(2)施肥結束后,位于土壤10cm處的養(yǎng)分濃度最大,30~70cm范圍內養(yǎng)分濃度分布較為均勻,而小于10cm的土壤表層養(yǎng)分濃度含量很低;隨時間推移,養(yǎng)分濃度分布空間整體下移,整體濃度值減小,土壤0~20cm范圍內的養(yǎng)分濃度含量達到最低;(3)在工作時間允許的情況下,采用中小流量滴頭、較高的施肥頻率并控制施肥濃度在中低水平,有利于作物根系對養(yǎng)分的吸收,提高施肥效率。(3)在節(jié)水灌溉理論的基礎上考慮施肥過程,對傳統(tǒng)設計理論進一步完善,建立了水肥條件下水力管網(wǎng)系統(tǒng)設計的一般理論與方法。以系統(tǒng)年化總費用為優(yōu)化目標,將系統(tǒng)設計指標以約束條件的形式描述,包括管徑、流速、壓力、輪灌組流量等約束,建立了面向成本的多約束水力管網(wǎng)優(yōu)化模型。提出了一種模擬退火遺傳混合算法(SAGA混合算法),通過罰函數(shù)將多約束優(yōu)化問題轉化為無約束優(yōu)化問題。采用傳統(tǒng)方法和SAGA混合算法分別對實際管網(wǎng)工程項目進行了優(yōu)化設計,系統(tǒng)年化總費用分別為17.4177萬元和13.9735萬元,后者相比前者節(jié)省成本19.77%。優(yōu)化結果表明,saga混合算法能夠對水肥條件下水力管網(wǎng)系統(tǒng)的設計過程進行有效地優(yōu)化,并提高設計效率。(4)運用分層設計思想,提出了一種智能水肥控制系統(tǒng)的4層平臺架構:種植層、控制層、本地管理層和遠程決策層。數(shù)據(jù)管理和訪問操作是貫穿整個平臺的核心內容。遠程決策層是以模型和知識庫為核心的遠程web服務平臺,本地管理層、控制層和種植層共同組成一個基于can總線的本地端分布式控制系統(tǒng),本地監(jiān)控站通過部署一個c/s和b/s混合架構的應用作為遠程端和本地端信息交互的紐帶。運用模塊化設計思想和嵌入式系統(tǒng)技術,分別研制了組合型自動反沖洗過濾器和低成本的罐混式智能水肥一體機。裝備系統(tǒng)中采用基于cortex-m3內核的mcu+hmi的結構實現(xiàn)了自動反沖洗的控制任務;采用arm+μc/os-ii+hmi的嵌入式架構,實現(xiàn)了智能水肥一體機的多任務管理,提高了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性,能夠實現(xiàn)一站式操作管理。(5)建立了文丘里吸肥器的結構模型,在該模型的基礎上確定了文丘里吸肥器的結構參數(shù)。通過試驗分析了不同進出口壓力條件下文丘里驅動流量、吸肥量和吸肥濃度的關系。試驗結果表明,本文設計的文丘里吸肥器其最佳進出口壓力水頭分別為14m和3m,最大吸肥量為430l/h,最大吸肥濃度為41.2%,能夠在較小的驅動力下實現(xiàn)較大的吸肥量。建立了智能水肥一體機濃度控制過程的機理模型,模型反映了實際混肥過程中存在的非線性、時滯性、時變性等特點,而輪灌制度的不確定性又增加了系統(tǒng)的時變因素;由ph中和一般模型推導了智能水肥一體機ph值控制過程的機理模型,模型反映了該過程中存在的本質非線性、時滯性、時變性和不確定性等特點。(6)針對濃度控制過程的對象特性,首次提出了一種新的變論域模糊控制策略(vfpi),并引入了一個協(xié)模糊控制器,通過測量系統(tǒng)流量的變化對控制器積分系數(shù)的基準值進行調節(jié),以適應輪灌條件的變化。對該算法分別進行了仿真對比實驗和施肥機試驗驗證與分析。仿真結果和試驗結果均表明,vfpi控制策略能夠更好地適應配方內容變化以及輪灌條件變化對混肥過程造成的影響;相比于常規(guī)pi控制,vfpi控制的調節(jié)時間更短、超調量更小、動態(tài)過程更平穩(wěn)。針對ph值控制過程的對象特點,首次提出了一種基于云模型推理的變論域模糊pi控制算法(CVFPI)。對該算法分別進行了仿真對比實驗和施肥機試驗驗證與分析。仿真結果和試驗結果均表明,CVFPI控制算法能夠適應水肥智能裝備pH過程的控制要求,具有較好的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性,相比于常規(guī)PI控制算法和VFPI控制算法,具有更小的超調量和穩(wěn)定時間,以及更強的抗干擾能力。
[Abstract]:Based on the fuzzy modeling theory , this paper first put forward and established the multi - variable fuzzy relation model of water - fertilizer management factors ( W _ q , F _ q , F _ ( feq ) , F _ c , F _ o ) and crop development index ( PMI , PI , RGI , YQ ) . ( 2 ) The effects of soil moisture content and nutrient concentration on soil moisture content and nutrient concentration distribution were studied . ( 4 ) Based on the idea of hierarchical design , a four - layer platform structure of intelligent water - fertilizer control system is put forward : planting layer , control layer , local management layer and remote decision - making layer . ( 6 ) For the object characteristics of the concentration control process , a new fuzzy control strategy ( vfpi ) is proposed for the first time , and a co - fuzzy controller is introduced to adjust the reference value of the integral coefficient of the controller by measuring the change of the flow rate of the system . The simulation results and the experimental results show that the control strategy of the vfpi can adapt to the control requirements of the pH process of the water - fertilizer intelligent equipment . The simulation results and the experimental results show that the Vfpi control algorithm can adapt to the control requirements of the pH process of the water - fertilizer intelligent equipment , and has better dynamic characteristics and steady - state characteristics . Compared with the conventional PI control algorithm and VFPI control algorithm , the vfpi control algorithm has smaller overshoot and settling time , and stronger anti - interference ability .

【學位授予單位】：上海大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S365;TP315

【參考文獻】

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1 李穎慧;李民贊;鄧小蕾;孫紅;鄭立華;;基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室栽培營養(yǎng)液電導率監(jiān)測系統(tǒng)[J];農業(yè)工程學報;2013年09期

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本文編號：1720933