日光温室水肥一体灌溉循环系统构建及性能试验

现有生产型日光温室灌溉普遍采用沟灌或直接利用管道进行管道输水灌溉,营养施用为复合肥随水冲施方式,缺乏精确调控手段,肥水利用率低、环境污染严重。针对这一问题,设计了一种水肥一体灌溉循环利用系统,采用地面挖沟、沟内放置袋装基质进行无土栽培的种植方法;灌溉使用水肥一体滴灌方式;构建回收管路,收集过量的水肥并实现循环利用。为了检验系统性能,在同等条件下,进行了对比试验。结果表明,与传统土栽水肥不循环模式相比,水肥一体循环循环系统用水量是传统土栽模式的69.4%,水分利用效率是传统土栽模式的1.92倍。利用该系统不但避免了对环境的污染,提高了水分利用效率,而且实现了节水、节肥的目的。

温室水肥一体化营养液调控装备设计与试验

针对当前温室生产中用水效率普遍较低、肥料使用量较高的问题,有必要对水肥一体化营养液调控及灌溉技术进行深入研究,探索适合中国具体情况的,低成本的水肥一体化营养液灌溉模式和相关农业装备。该文设计了一种水肥一体化营养液调控装备,根据营养液制备装置特点和制备过程,建立了营养液制备系统二阶数学模型,并利用增量式PID(proportion integration differentiation,比例-积分-微分)算法和改进Smith预估器对营养液的制备过程进行精确控制;利用EC传感器和p H传感器实时检测营养液的制备情况,并且通过驱动相应的继电器实现营养液的调控。试验结果表明,该水肥一体化营养液调控装备30 s左右可以进入营养液调控的稳定阶段(EC值误差在±0.1 m S/cm),系统达到规定的EC值的响应时间不超过60 s,使用该装备能够快速、精确的实现营养液的调控。

基于二次混合机构的营养液调控模型与PID算法实现

封闭式栽培是解决中国日光温室传统栽培连作障碍问题的有效途径之一。营养液调控过程的性能指标是封闭式栽培模式的关键。该文针对一种具有二次混肥特性的营养液调控过程进行动态分析并建立模型,使用PID控制算法实现了营养液调控,并对影响因素进行对比试验。试验结果表明,系统达到稳定的时间随出液流量的减小或营养液浓度之和的增大呈现减小的趋势;系统震荡持续时间与超调量随出液流量的减小或营养液浓度之和的增大呈现增大的趋势。由试验结果与分析可知,该带有二次混肥的封闭式栽培系统中最优的出液流量与营养液浓度之和分别为6 m3/h与200 g/L,在此状态下进行PID控制参数整定,得到系统在最优条件下稳定时间为100 s、超调量为3%、震荡持续时间为25 s。表明该带有二次混肥的封闭式栽培系统的营养液调控过程能使用PID算法进行调控,能使系统实现稳定、高效的运行。该研究为封闭式栽培的营养液调控提供了参考。

基于温度积分算法的温室环境控制方法

温室环境控制领域所研究的大多数智能控制算法复杂程度较高,不适宜实际生产应用,生产型温室大多采用设置静态工作点模式进行简单的环境控制,这种模式无法根据环境变化进行自动调整,浪费了大量的能量。针对这一问题,提出了基于温度积分算法的温室环境控制方法,根作物种类和生长阶段确定期望平均温度值,将全天24 h均分为长度更短的若干时间片,然后利用温度积分原理对每一时间片的温度调节点进行计算,根据得到的温度调节点结合当前实际温度进行环境控制。仿真试验表明,在保持温室内实际平均温度相同的情况下,利用温度积分算法对温室进行环境调节所消耗的能量为静态工作点的模式的64.43%。该方法计算量相对较小,适用于普通的温室环境控制器,能够简单有效地实现节能控制。

温室封闭式栽培自适应灌溉方法

为了改进和提高温室封闭式栽培精细灌溉控制方法,针对利用Penman-Monteith(P-M)公式和传感器数据信息相结合进行灌溉控制中因为涉及参数较多而使用不便、需要近似计算导致建立的作物蒸腾模型精度不够等问题,该文根据封闭式栽培可以回收并循环利用多余灌溉水的特点,利用灌溉量与排出量的差值和温室小气候环境数据建立相对精确的作物蒸腾量计算模型,并在此基础上利用人工神经网络算法实现了温室封闭式栽培自适应灌溉控制,结果表明,在10 d内灌溉用水量为实际蒸腾量的97.8%,基本实现了按照作物需水量进行灌溉。研究对于实现按照作物蒸腾量进行准确的水分供给、节约灌溉用水量、提高水分利用效率具有一定的现实意义。

复合式吸肥装置结构设计与性能试验

设计了一种新型复合式吸肥装置,并对其吸肥性能进行检测,与传统单文丘里管进行对比以验证其可行性。试验结果表明:在吸肥初始阶段,复合式吸肥装置喉部真空负压随进出口压力差的增大而降低,吸肥流量增大。吸肥流量随真空负压的绝对值增大呈线性增大趋势;当进出口压力差达到0.28 MPa左右时,真空负压降到最低值而不再发生变化,与此同时吸肥流量达到最大值;与单文丘里管相比,复合式吸肥装置由于使用过程中压力损失及水头损失,其单管吸肥流量较单文丘里管吸肥流量略有减小,但由于吸肥管数的增加,吸肥量可成倍增加。因此,在复合式吸肥装置进口处调节进口压力变化,在0.02~0.28 MPa的正确进出口压力差工作区间下控制复合式吸肥装置,可达到精确施肥的目的。