随着水肥一体化技术的发展,水肥一体化装备得到快速发展,但大都施用的是液体肥料或事先将固体肥溶解成液体肥,缺少直接施用固体肥的水肥一体化装备。本文设计了一种水肥一体化固体肥混施装备及其自动控制系统,可实现固体肥料的添加、溶解和施用的同步进行。由肥液浓度检测并反馈,改变加肥速度和供水流量,实现了混施装备的出口肥液浓度均匀可调。控制系统采用模糊PID控制算法进行闭环调控,可快速响应并稳定地调节肥液浓度,提高了施肥性能。本文的主要研究工作及研究成果如下:(1)水肥一体化固体肥混施装备设计设计了一种水肥一体化固体肥混施装备,可按需灌溉和施肥,同时进行固体肥料的添加、溶解和施用。混施装备主要由加肥机构、供水机构、混肥机构、输出机构和供能系统组成。加肥机构采用电机带动螺杆旋转送料的方式,供水机构采用直流泵直接抽取水源,通过混肥机构加快固体肥料溶解,最后由输出机构将肥液施到田间。混施装备由蓄电池供电,可由太阳能板进行电量补充。根据实际需求和试验选择合适的结构参数,初步完成了混施装备的结构设计,确定了施肥性能参数,整体施肥均匀系数约为46.29%。(2)水肥一体化固体肥混施控制系统设计构建了水肥一体化混施控制系统,主要包括加肥模块、供水模块和肥液浓度检测模块。通过脉冲数和频率控制加肥模块,实现了加肥速度的精量调节,通过脉宽控制供水模块,实现了供水流量的精准调节,由肥液浓度检测并反馈,实时改变加肥速度和供水流量,实现了混施装备的出口肥液浓度均匀可调。采用模糊PID控制算法和建立混肥模型,优化了混施装备的控制系统,形成闭环反馈控制,可快速响应并稳定地调节肥液浓度,提高了施肥性能。设计了人机交互模块,可在控制屏上显示并调节加肥速度、供水流量、肥液浓度等参数,设有模式选择、手动/自动控制、监控画面、参数曲线等界面。(3)水肥一体化固体肥混施试验研究搭建了水肥一体化固体肥混施试验台,通过肥液浓度、加肥速度和供水流量及液位的标定,建立了其与控制量的函数关系。通过供能系统试验确定了混施装备的持续工作时间为7小时,有太阳能补电可长时间持续工作。由加肥机构和供水机构的试验测量了加肥和供水的控制精度的误差在5%以内。在混施装备的整机试验中,施肥均匀系数提高了约22.87%,最高达到了74.58%。采用控制变量法试验得到了加肥速度和供水流量对肥液浓度的影响,供水流量一定时,肥液浓度随加肥速度的增加而增大,加肥速度一定时,肥液浓度随供水流量的减少而增大。设定混肥桶出口目标肥液浓度,并测量实际肥液浓度,得到肥液浓度变化曲线,响应时间约为10min,且肥液浓度的波动幅度在±1g/L以内,受到干扰后调整时间约为20min,稳态误差约为0.55g/L,表明水肥一体化固体肥自动混施装备控制系统具有良好的稳定性、快速性和准确性。