張健 沈麗麗 陳基松 張雷雷 王超超 王軍

（1廣州華立學(xué)院，廣州 511325；2光明食品集團(tuán)上海農(nóng)場(chǎng)有限公司，上海 200072）

水資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)作物生存的必要基礎(chǔ)，肥料則可促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)，而農(nóng)藥能保證農(nóng)作物健康生長(zhǎng)和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。在我國(guó)目前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于先進(jìn)技術(shù)還未大范圍普及，多數(shù)農(nóng)作物在其生產(chǎn)過(guò)程仍采用傳統(tǒng)的灌溉、施肥、施藥方式，這就對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了一定的不利影響。例如，農(nóng)田大多采用人工井抽水漫灌或溝渠引水的方式，會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的水分滲漏和蒸騰，造成不必要的水資源浪費(fèi)[1]；農(nóng)作物的施肥和施藥也存在過(guò)度施用或施用不科學(xué)等問(wèn)題，且人工配肥和配藥費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、步驟繁瑣，極易出現(xiàn)配比不精準(zhǔn)的問(wèn)題，再加上大多采用人工噴施的施藥方式，不僅會(huì)對(duì)土壤和水源造成污染，還會(huì)對(duì)農(nóng)民的健康不利。因此，亟需在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中實(shí)行節(jié)水灌溉，并提高肥料和農(nóng)藥的利用率及施用技術(shù)水平，而采用水肥藥一體化技術(shù)即可達(dá)到上述效果。

水肥藥一體化技術(shù)是將肥料和農(nóng)藥均勻溶解于灌溉水中，根據(jù)農(nóng)作物不同階段的生長(zhǎng)需求，精準(zhǔn)配比成符合要求的營(yíng)養(yǎng)液和藥液，并通過(guò)末端管網(wǎng)輸送至農(nóng)作物，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，達(dá)到水肥藥協(xié)同、按需供給、少量多次、水肥平衡、水藥科學(xué)合理的效果，該技術(shù)是發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)和循環(huán)農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)關(guān)鍵實(shí)用技術(shù)。但是，根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前對(duì)于灌溉技術(shù)的研究多偏重于學(xué)術(shù)和技術(shù)的引進(jìn)，多注重技術(shù)控制而不是農(nóng)作物需求，且大多研究結(jié)果局限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的環(huán)境，實(shí)用性有限[1]；肥料、農(nóng)藥需單獨(dú)進(jìn)行人工配制并噴施，未能真正實(shí)現(xiàn)施用的完全自動(dòng)化；水肥一體化技術(shù)也存在配比不精準(zhǔn)、灌溉方式單一等不足。在此背景下，筆者以現(xiàn)有的水肥一體化灌溉系統(tǒng)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了水肥藥一體化精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)）的研究與設(shè)計(jì)?，F(xiàn)將相關(guān)研究結(jié)果報(bào)道如下。

1 精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)主要由首部系統(tǒng)、輸配水管網(wǎng)、田間傳感器、滴頭、噴頭等硬件組成，主要研究?jī)?nèi)容包括需求性分析、硬件選型與設(shè)計(jì)、配肥配藥控制策略研究、灌溉控制方式研究等，具體見(jiàn)圖1。其中，在首部系統(tǒng)中，筆者對(duì)配肥配藥策略進(jìn)行了研究（利用模糊控制法對(duì)精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的配肥策略進(jìn)行研究，即在Matlab環(huán)境下設(shè)計(jì)模糊控制器，通過(guò)ctfool模塊擬合曲線得到系統(tǒng)階躍響應(yīng)函數(shù)，進(jìn)而通過(guò)Matlab/Simulink模塊搭建仿真對(duì)模糊控制系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)液配比的有效性進(jìn)行驗(yàn)證；對(duì)于精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的配藥策略，可將藥液配比近似看作線性過(guò)程，在給定目標(biāo)比例后，分別控制清水和母液通道的電磁閥通斷時(shí)長(zhǎng)，即可實(shí)現(xiàn)藥液精準(zhǔn)配比），實(shí)現(xiàn)了短時(shí)間內(nèi)營(yíng)養(yǎng)液和藥液的精準(zhǔn)配比[2]。同時(shí)，精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)分別設(shè)定了施肥和施藥兩種程序灌溉控制方式，以“定時(shí)輪灌”為主要灌溉控制方式，以“依據(jù)土壤濕度進(jìn)行灌溉或依據(jù)外部其他控制指令進(jìn)行灌溉”為備用灌溉控制方式，并采用地表滴灌與噴灌兩種灌溉模式相結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)了滴灌施肥和噴灌施藥。

圖1 精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)內(nèi)容

2 精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的需求性分析

精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)需遵循適應(yīng)性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的原則[3]，具體要求：精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)能廣泛應(yīng)用于平原山地中的小型田間作物種植，且安裝方便、操作簡(jiǎn)單，農(nóng)戶能快速上手；精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的硬件選型需要經(jīng)濟(jì)耐用，尤其是用于輸送營(yíng)養(yǎng)液和藥液的管道等設(shè)備，要求具有耐腐、抗高壓的特性；精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的控制軟件需要簡(jiǎn)單易操作，且包含自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種模式，以防止精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)出現(xiàn)故障；精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本需較小，且具有節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)藥和增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益的應(yīng)用效果，使農(nóng)戶能快速回本。

筆者最終研究設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)，是以首部系統(tǒng)中的精量配肥配藥系統(tǒng)為中心，可結(jié)合溫室內(nèi)外的氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、溫室內(nèi)的田間管網(wǎng)和田間土壤傳感器等，實(shí)現(xiàn)水肥藥一體化自動(dòng)精準(zhǔn)灌溉。值得注意的是，在精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)程中，為方便田間管理，田間需劃分為多個(gè)灌溉區(qū)，系統(tǒng)為每個(gè)灌溉區(qū)配備了兩個(gè)電磁閥，分別控制噴灌和滴灌模式的啟停，從而能為農(nóng)作物提供定時(shí)定量供給或按需供給兩種模式的滴灌施肥和噴灌施藥。

3 精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的硬件選型與設(shè)計(jì)

3.1 水源及變頻水泵

在精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)過(guò)程中，灌溉用水均來(lái)自建設(shè)的約30 m3大小的室外蓄水池，蓄水池水源來(lái)自附近約90 m距離的池塘，池塘水通過(guò)水泵加壓引水至蓄水池，具體供水量為20.0 m3/h。同時(shí)，配置CDMF20-3輕型立式多級(jí)離心泵2臺(tái)，設(shè)定供水壓力為0.25 Mpa，且遵循節(jié)水、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的原則，為水泵配備變頻器，以達(dá)到按需供給、少量多次的供水效果。

值得注意的是，室外蓄水池中的儲(chǔ)存水中含有較多的大顆粒沙石、藻類和不溶性礦物質(zhì)等雜質(zhì)，且配比好的營(yíng)養(yǎng)液和藥液中也存在一定的不溶性雜質(zhì)，考慮到水肥藥一體化技術(shù)所使用的噴頭或者滴頭的孔徑很?。ㄓ绕涫堑晤^的孔徑，一般僅有0.5～1.2 mm），很容易被水中的雜質(zhì)堵塞，且長(zhǎng)期的雜質(zhì)殘留還會(huì)堵塞滴灌帶并使其老化，從而增加維護(hù)成本。因此，必須要對(duì)灌溉水源進(jìn)行嚴(yán)格的過(guò)濾處理，以延長(zhǎng)管網(wǎng)系統(tǒng)的壽命和提高精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的灌溉質(zhì)量。

3.2 過(guò)濾器

過(guò)濾器為首部系統(tǒng)的重要部件。在精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)過(guò)程中，雖然在灌溉前進(jìn)行了灌溉水的初級(jí)處理（利用室外的迷宮式沉淀池對(duì)灌溉水中的大顆粒沙石等進(jìn)行沉淀），但室外的迷宮式沉淀池易產(chǎn)生藻類等有機(jī)雜質(zhì)，故最終筆者選用了適用于有機(jī)雜質(zhì)和混合雜質(zhì)過(guò)濾的疊片式過(guò)濾器。

3.3 配肥配藥系統(tǒng)

精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的配肥配藥系統(tǒng)以混液灌為核心裝置，配有能穩(wěn)定吸肥和吸藥的文丘里管、攪拌裝置（包括母液桶內(nèi)攪拌電機(jī)和混液罐中的葉輪）、母液桶、過(guò)濾器、EC值傳感器、pH傳感器、流量計(jì)、止回閥等。配肥配藥系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)與運(yùn)行過(guò)程見(jiàn)圖2。其中，母液桶上部桶口均配置一套額定電壓為380V、功率為0.75 kW的攪拌電機(jī)，用于母液配置前和配置時(shí)的攪拌，以防止母液長(zhǎng)時(shí)間沉淀造成濃度不均。母液桶底部開口連接PVC管形成注肥（藥）通道。混液罐內(nèi)部裝有最低液位開關(guān)和控制浮子，以確?；煲汗迌?nèi)液體量充足，并能維持液位穩(wěn)定，保證配肥配藥過(guò)程穩(wěn)定?；旌瞎尥獠砍鏊茉O(shè)計(jì)有分支回路管，并在此分支回路管上，安裝1～2個(gè)高精度雙通道EC值傳感器和高精度雙通道pH傳感器（EC值傳感器的測(cè)量精度為0.01 mS/cm，pH傳感器的測(cè)量精度為0.05），用于實(shí)時(shí)測(cè)量混合液的電導(dǎo)率及酸堿性。

圖2 配肥配藥系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)與運(yùn)行過(guò)程

4 精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的配肥配藥控制策略研究

4.1 精量施肥施藥機(jī)的工作原理

在精量施肥施藥機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，首部變頻水泵響應(yīng)，將室外蓄水池內(nèi)的灌溉水抽入施壓后由過(guò)濾器過(guò)濾；同時(shí)，母液桶內(nèi)的攪拌電機(jī)開始工作。過(guò)濾后的加壓灌溉水通過(guò)配置的文丘里管，在文丘里管喉部形成真空負(fù)壓區(qū)，將母液桶內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)液或藥液吸入混液罐，在營(yíng)養(yǎng)液、藥液等母液由母液桶進(jìn)入混液罐的過(guò)程中，需經(jīng)歷攪拌和兩次過(guò)濾，以確保配比好的混合液濃度均勻、無(wú)不溶性雜質(zhì)等。在清水進(jìn)入混液罐前，首先要經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)散開型的噴頭（該噴頭可用來(lái)確?；煲汗拗行纬勺罴蚜髁浚?，且葉輪開始旋轉(zhuǎn)攪拌，以保證水肥或水藥充分混勻?；煲汗薜某鏊苌涎b有小型加壓泵，對(duì)配比好的混合液進(jìn)行加壓并輸送至田間管網(wǎng)；同時(shí)，混液罐的出水管將引流一小部分混合液經(jīng)過(guò)裝有EC值傳感器和pH傳感器的分支回路管，用于實(shí)時(shí)測(cè)量混合液的電導(dǎo)率及酸堿性，再根據(jù)測(cè)量結(jié)果，決定是否關(guān)閉或繼續(xù)供應(yīng)對(duì)應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)液和藥液，確保EC值和pH符合農(nóng)作物種植的農(nóng)藝要求且保持穩(wěn)定（一般要求配肥配藥的EC值精度為±0.015 mS/cm、pH精度為±0.1）。

4.2 配肥控制策略

4.2.1 模糊控制器設(shè)計(jì)

營(yíng)養(yǎng)液的配比具有多變量、大慣性、延時(shí)滯后等特點(diǎn)，很難建立合適的數(shù)學(xué)模型。為了使?fàn)I養(yǎng)液的配比更為精確，可采用模糊控制方法（模糊控制方法是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)控制方法，是一種非線性的控制方法。但由于引入專家邏輯思維模式，使模糊控制具有一定的自適應(yīng)能力，因而特別適用于難以用精確數(shù)學(xué)模型描述的系統(tǒng)，其基本原理見(jiàn)圖3）[4-5]，并運(yùn)用Matlab/Simulink模塊進(jìn)行仿真研究，驗(yàn)證模糊控制系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)液配比能力。

圖3 模糊控制系統(tǒng)的基本原理

同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)營(yíng)養(yǎng)液的精準(zhǔn)配比，需同時(shí)考慮母液通道和清水通道的配比誤差及其誤差變化，故要選擇性能更優(yōu)的二維模糊控制器，并對(duì)電導(dǎo)率EC值采用二維控制，以誤差及其誤差變化作為輸入變量，以電磁閥的通斷時(shí)間作為輸出變量。

此外，因農(nóng)作物生長(zhǎng)周期中，土壤環(huán)境的EC值、pH波動(dòng)范圍較小，故模糊控制系統(tǒng)在選擇模糊化語(yǔ)言時(shí)不宜數(shù)量過(guò)多，本模糊控制系統(tǒng)選取了5個(gè)。令模糊控制中設(shè)定的目標(biāo)電導(dǎo)率值為a，EC值傳感器在線測(cè)量的實(shí)際電導(dǎo)率值為A，則實(shí)際與目標(biāo)的電導(dǎo)率誤差值E=A-a，設(shè)置電導(dǎo)率誤差的語(yǔ)言變量為E={NB，NS，ZE，PS，PB}，論域X={-2，-1，0，1，2}，則EC值相鄰兩次誤差的變化量為Esc=e2-e1=（A2-a）-（A1-a）=A2-A1，電導(dǎo)率誤差變化量的語(yǔ)言變量為Esc={NB，NS，ZE，PS，PB}。其中，NB、NS、ZE、PS、PB在本模糊控制系統(tǒng)中的含義分別為“負(fù)大、負(fù)小、零、正小、正大”。配肥系統(tǒng)輸出的變量是電磁閥在開始運(yùn)行到配比完成1個(gè)周期的開啟時(shí)間，設(shè)其模糊輸出量為U，語(yǔ)言變量為U={NB，NS，ZE，PS，PB}，論域?yàn)閁={-2，-1，0，1，2}，其中，NB、NS、ZE、PS、PB在輸出量對(duì)應(yīng)的含義為輸液通道電磁閥通斷時(shí)長(zhǎng)的模糊子集“零、短時(shí)、中時(shí)、較長(zhǎng)時(shí)、長(zhǎng)時(shí)”。

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)編寫模糊控制規(guī)則，在制定好模糊規(guī)則后，對(duì)系統(tǒng)輸入變量進(jìn)行迷糊化處理，即以EC值誤差及其誤差變化兩個(gè)精確輸入量變化作為模糊輸入量。將經(jīng)過(guò)系統(tǒng)綜合計(jì)算的控制量模糊集合U變換為精確輸出，供執(zhí)行控制用，這個(gè)過(guò)程叫做解模糊或模糊判決，常見(jiàn)的解模糊方法有重心法、最大隸屬度法、系數(shù)加權(quán)平均法和隸屬度限幅元素平均法[6]，本模糊控制系統(tǒng)選擇常用的三角形隸屬度函數(shù)作為解模糊方法。

4.2.2 Matlab環(huán)境下模糊控制器的制作

進(jìn)入Matlab軟件，打開模糊推理系統(tǒng)主界面FIS（Fuzzy inference system）編輯器，F(xiàn)IS編輯器包含隸屬函數(shù)編輯器、模糊規(guī)則編輯器和輸出預(yù)覽器等功能。筆者依據(jù)施肥模式設(shè)計(jì)了二維模糊控制器，設(shè)置E和Esc兩個(gè)系統(tǒng)輸入量和一個(gè)輸出量U，編輯器窗口的具體展示見(jiàn)圖4。

圖4 FIS編輯窗口的具體展示

模糊系統(tǒng)中取E和Esc的論域?yàn)閧-2，-1，0，1，2}，其模糊子集為{NB，NS，ZE，PS，PB};輸出U的論域?yàn)閧-2，-1，0，1，2}，其模糊子集為{NB，NS，ZE，PS，PB}，然后建立E、Esc、U的三角形隸屬函數(shù)。

對(duì)于模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)原則，當(dāng)偏差較大時(shí)，控制量的變化需要將誤差調(diào)小，當(dāng)偏差較小時(shí)，需要在消除誤差的基礎(chǔ)上考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以防止系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的超調(diào)甚至震蕩等不穩(wěn)定情況[7]。由于E、Esc均選取了5個(gè)語(yǔ)言值，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，筆者編輯了25條模糊推理規(guī)則，得出模糊規(guī)則表，見(jiàn)圖5。

圖5 模糊控制規(guī)則及編輯界面

在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)不同的農(nóng)作物種類、不同的種植環(huán)境，對(duì)模糊規(guī)則庫(kù)稍作調(diào)整，以逐漸形成最佳的營(yíng)養(yǎng)液配比方案。在此模糊控制規(guī)則下，模糊控制器輸入輸出的非線性曲面關(guān)系，見(jiàn)圖6。

圖6 模糊控制輸入輸出的曲面關(guān)系

4.2.3 Simulink仿真模型的搭建

為驗(yàn)證模糊控制系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)液配比有效性，通過(guò)Matlab搭建仿真平臺(tái)，觀察電導(dǎo)率EC值誤差及其誤差變化是否達(dá)到了實(shí)際變化需求，即在Matlab命令行串口輸入Simulink創(chuàng)建仿真環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)仿真研究。同時(shí)，為了確定營(yíng)養(yǎng)液模糊控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，需對(duì)營(yíng)養(yǎng)液配比過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

4.2.4 模糊控制器的應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)筆者以茄科類作物為例，對(duì)其營(yíng)養(yǎng)液的實(shí)際配比控制過(guò)程進(jìn)行介紹。

根據(jù)農(nóng)藝要求，適宜茄科類作物種植的土壤pH范圍為5.5～6.5，且營(yíng)養(yǎng)液pH在5～8范圍時(shí)，對(duì)EC值的影響小，故可結(jié)合營(yíng)養(yǎng)液配比過(guò)程中的EC值響應(yīng)特性，對(duì)EC值參數(shù)獨(dú)立進(jìn)行模糊控制。

一般茄科類作物在定植后要求營(yíng)養(yǎng)液的電導(dǎo)率需控制在2.0～2.5 mS/cm，且在溫暖氣候下，茄科類作物在成株期灌溉的營(yíng)養(yǎng)液的EC值需控制在2.0～2.4 mS/cm。因此，筆者選用深圳芭田生態(tài)工程股份有限公司生產(chǎn)的茄科類水溶肥，于母液桶根據(jù)肥料的使用說(shuō)明配置母液，開啟灌溉施肥模式，并手動(dòng)打開灌溉施肥施藥系統(tǒng)的母液配肥通道電磁閥，每隔20 s記錄混液罐內(nèi)營(yíng)養(yǎng)液的EC值數(shù)據(jù)，并重復(fù)3次、取平均值。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 混液罐內(nèi)不同時(shí)間營(yíng)養(yǎng)液EC值變化情況

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)Matlab中ctfool模塊擬合曲線，得到系統(tǒng)階躍響應(yīng)，見(jiàn)圖7。

圖7 系統(tǒng)階躍響應(yīng)

通過(guò)兩點(diǎn)法求取傳遞函數(shù)，設(shè)u(t)為階躍信號(hào)，其幅值為U，即：

在辨識(shí)試驗(yàn)中，使用階躍信號(hào)u(t)激勵(lì)，收集到的響應(yīng)數(shù)據(jù)y(tk)，k=1，2，3，...，則輸出響應(yīng)可以表示為：

式2中：T為時(shí)間常數(shù)，K為放大增益，τ為滯后時(shí)間。

通過(guò)拉普拉斯逆變換：

根據(jù)拉普拉斯變換的終值定理：

式5中：y(∞)為階躍響應(yīng)y(t)的穩(wěn)定值。

根據(jù)函數(shù)圖像取兩點(diǎn)，t1=220 s時(shí)，EC值=1.255 mS/cm，t2=400 s時(shí)，EC值=2.253 mS/cm。得到傳遞函數(shù)τ=64.8，T=238.43，K=7.22。即系統(tǒng)傳達(dá)函數(shù)為。根據(jù)計(jì)算得到的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，打開Matlab中Simulink模塊進(jìn)行系統(tǒng)仿真，仿真模型見(jiàn)圖8。

圖8 Simulink環(huán)境下模糊控制系統(tǒng)的仿真模型

將設(shè)計(jì)好的模糊控制器導(dǎo)入到Matlab工作空間中，并修改Fuzzy Logic Controller為模糊控制器的名稱，點(diǎn)擊運(yùn)行進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線

結(jié)果表明，系統(tǒng)的上升時(shí)間約400 s，在450 s附近系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，表明系統(tǒng)能在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)設(shè)的EC值，由此可知，系統(tǒng)具有一定的魯棒性。

綜上，該模糊控制器能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)液的精準(zhǔn)配比。

4.3 配藥控制策略

在藥液配比時(shí)，通常以制劑用藥量或稀釋倍數(shù)作標(biāo)準(zhǔn)，且要求在噴灌施藥前，完成對(duì)藥液的精準(zhǔn)稀釋。由于藥液配比可近似看作線性過(guò)程，故為了達(dá)到配比精準(zhǔn)，可在給定目標(biāo)比例后，分別控制清水通道和母液通道的電磁閥通斷時(shí)長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)藥液的精準(zhǔn)配比。其中，對(duì)于清水通道，變頻水泵可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的流量輸入，但藥液桶的壓差會(huì)隨著液面高度的降低而減小，進(jìn)而導(dǎo)致供藥通道的流量變小，故為保證供藥充足，需要逐漸加大藥液通道的輸出占空比，即可根據(jù)流量計(jì)的反饋信號(hào)，通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)閥的開度來(lái)保證供藥通道有平穩(wěn)流量，并按比例分配清水通道和藥液通道的開通時(shí)間，從而最終實(shí)現(xiàn)藥液的精準(zhǔn)配比。

圖10 水藥配比控制策略

5 精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的灌溉控制方式研究

滴灌方式雖然具有明顯的節(jié)水效果，但會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物幼苗在定植后的緩苗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響幼苗成活率，且長(zhǎng)時(shí)間單獨(dú)采用滴灌方式，會(huì)導(dǎo)致土壤表面水鹽失衡，且在夏季高溫下，難以對(duì)溫室內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)控。而噴灌方式可在一定程度上調(diào)節(jié)溫室氣候，且可根據(jù)灌溉區(qū)的土壤性質(zhì)，通過(guò)調(diào)整噴頭大小或角度，改變灌溉的強(qiáng)度和均勻度，該灌溉方式不僅不會(huì)破壞土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，還能在保持土壤水分的情況下避免地表徑流，更能控制土壤溫度和消除因土壤表面的鹽堿化或地下水位上升而引起的次生鹽堿化。因此，綜合考慮兩種灌溉方式的優(yōu)缺點(diǎn)，精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)采用地表滴灌與噴灌兩種灌溉模式相結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)了滴灌施肥、噴灌施藥（噴灌模式還可噴灌清水用于調(diào)節(jié)田間氣候）。

6 小 結(jié)

筆者針對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中的灌溉、施肥、施藥環(huán)節(jié)，對(duì)自動(dòng)配肥和配藥策略進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一套水肥藥一體化精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)。該精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)水、肥、藥的精準(zhǔn)配比，從而達(dá)到節(jié)水灌溉、科學(xué)施肥施藥、減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料浪費(fèi)的目的。因此，該精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，有助于推進(jìn)現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。