水肥一体化技术是保证肥随水走、按需灌溉施肥和节水节肥的重要措施,针对我国粮食生产面临着水资源短缺,传统农田灌溉中水肥供应不同步,水、肥利用效率低,管网灌溉系统不完善等问题,本文以山东省农业重大应用技术创新课题为依托,以大田典型粮食作物小麦、玉米为例,研究基于微喷灌模式的水肥一体化技术与设备,包括:根据实时墒情和生长期实现三段式全自动化灌溉施肥作业;设计移动式灌溉施肥一体机和一种含Smith预估器的切换控制方法,实现母液快速配置、精量均匀注肥;采用改进的遗传算法对田间管网进行多目标优化,确定最佳微喷带铺放宽度,建立低成本、均匀度高、适宜小麦玉米的微喷灌田间管网布置模式。本文具体研究主要包括以下5部分。1.三段式灌溉施肥时间分配模型通过小麦玉米周年水肥需求量分析,明确测墒补灌、因需追肥在小麦玉米生产的重要性,以此计算每次灌溉施肥作业中的灌水量和施肥量,并建立灌溉施肥时间分配模型,设计三段式灌溉施肥方法,实现从地表预润、灌溉施肥和冲刷管网的全自动化灌溉施肥作业,有效的提高肥料利用率。2.移动式灌溉施肥一体机结构设计完成移动式灌溉施肥一体机机械结构部分的设计。按模块化对一体机的移动式行走架、精量配肥装置和首部枢纽装置进行设计。选择排肥器的类型,确定各零部件选型,设计多孔注肥结构,进行三维建模,并基于Fluent进行注肥均匀性的仿真,得到以三孔注肥方式确保管道肥液均匀的方法。3.一体机灌溉施肥控制方法设计与实现以小麦为例,基于不同长期所需水肥量,结合实时测定土壤墒情信息,根据流量确定肥水配比关系,实现精量注肥,设计母液浓度动态计算方法,建立母液浓度动态调控数学模型,针对不同类型颗粒肥溶解时间差异问题,设计一种含Smith预估器的切换控制方法快速稳定母液浓度,并通过Simulink对控制方法进行仿真验证;在此基础上,设计并实现一体机的中央控制系统,集成灌溉施肥时间分配方法和母液浓度动态调控方法,实现全自动灌溉施肥作业和母液浓度精准调控。4.微喷灌田间管网优化在小麦玉米水肥一体化适宜种植模式研究的基础上,依据微喷灌灌溉水在田间的分布特点,通过田间管网系统线路的水力学解析,得到不同型号微喷带的水力学性能。在此基础上,基于采用改进的遗传算法,采用并列选择法进行田间管网进行多目标优化,确定微喷灌田间管网最佳微喷带铺放宽度为2.2米,单位面积的管网成本为4968元/hm~2,每个灌溉单元灌溉面积为790m~2,相比经验田间管网布置每公顷节省407元,有效的节约成本。5.完成试验台与两代样机的加工,并在多地进行大量的现场试验,试验表明:四种颗粒肥在灌溉施肥过程中EC响应曲线呈3段式变化,表明一体机能够按时间分配模型进行三段式灌溉施肥作业;施肥阶段EC值平稳,误差波动幅度小,过渡时间短、坡度陡、超调量小,表明自适应切换控制会根据不同延迟的时间选用不同的控制方法,快速实现母液的动态调控,有效的减小延迟时间,提高肥料利用率,实现最大程度节水、节肥和节省成本,对提高现代农业发展的经济效益、社会效益和环境效益具有重大意义。