基于模糊PID算法的無線農用水泵遠程控制系統(tǒng)設計

摘要：針對當前農用和工用水泵控制系統(tǒng)中存在對液位的大慣性、非線性以及實現(xiàn)實時控制的問題，提出了一套基于模糊PID算法的無線農用水泵遠程控制系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的設計原理和硬件電路組成，實現(xiàn)了對遠程液位系統(tǒng)的監(jiān)視和控制功能。試驗結果表明，采用模糊PID算法較常規(guī)PID控制其響應速度快，且較快地達到穩(wěn)態(tài)，同時能夠實時調整和修改液位控制參數(shù)。當給系統(tǒng)增加外部干擾時，系統(tǒng)的階躍響應特性很好，能夠適應外界參數(shù)的變化，從而有效實現(xiàn)和改善系統(tǒng)的遠程控制性能，具有廣闊的推廣應用前景。

關鍵詞：水泵； 遠程液位控制； 模糊PID算法； 無線傳輸

中圖分類號：TP273+.4 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）01-0192-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.01.051

傳統(tǒng)的自動控制需要使被控對象建立在準確的數(shù)學模型基礎上[1]，但在實際生產生活中，由于系統(tǒng)產生的影響因素很復雜，要建立精確數(shù)學模型很困難。研究人員[2，3]提出的模糊數(shù)a學理論在自動控制研究領域發(fā)揮了很大作用，運用模糊數(shù)學理論完成的相關控制得到了迅速發(fā)展，模糊控制技術日趨成熟和完善。其中，基于PID算法的控制技術扮演了十分重要的角色，并將成為研究與應用的重點技術之一，各種模糊控制產品也充滿了日本、西歐和美國等市場[4]。

無線水泵控制是農戶用水、自來水廠、化肥廠、鍋爐廠和煉鐵廠中水處理等系統(tǒng)的重要工作，由于存在難以建立準確數(shù)學模型，以及非線性、耦合、參數(shù)時變和隨機干擾等特點，難以采用傳統(tǒng)PID或單一的控制方法實現(xiàn)水泵現(xiàn)場控制。為實現(xiàn)無線農用水泵遠程控制[5]，設計了一套基于模糊PID算法、適用于多變的工業(yè)環(huán)境的遠程無線水泵控制系統(tǒng)，以期當系統(tǒng)受到外部干擾時，能夠自適應調整實現(xiàn)遠程液位系統(tǒng)的監(jiān)視和控制功能。

1 無線農用水泵遠程控制系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)主要由兩部分組成，包括下位機水位檢測與信號發(fā)射裝置，以及上位機自動控制水泵的信號接收與控制裝置。系統(tǒng)采用5 V電池或太陽能為整個水位檢測與信號發(fā)射裝置端供電，并將水位傳感器采集的水位信息處理后通過無線收發(fā)模塊上傳到遠程上位機；無線接收模塊接收信號并在譯碼器解碼后讀入液位數(shù)據(jù)，單片機進而針對現(xiàn)場水位信息，實現(xiàn)對電動調節(jié)閥和水泵的智能控制，并完成顯示、存儲、過限報警等功能。無線農用水泵遠程控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 無線農用水泵遠程控制系統(tǒng)硬件電路設計

該系統(tǒng)主要設計了現(xiàn)場液位檢測模塊電路、控制模塊電路、無線收發(fā)模塊電路以及提供系統(tǒng)工作的電源模塊電路等。系統(tǒng)供電均為5 V直流電壓，因此可通過整流橋和ZA3020的穩(wěn)壓塊將220 V的交流電壓轉變?yōu)橄到y(tǒng)所需的ZA3020直流電壓。

2.1 液位檢測模塊電路設計

液位檢測模塊電路的主要任務是檢測液位值。此處設計采用差壓傳感器檢測不同水位對應輸出不同的電平值，該信號由單片機處理后經由無線收發(fā)模塊發(fā)射到上位機。其對應硬件電路如圖2所示。

2.2 無線收發(fā)模塊電路設計

無線收發(fā)模塊主要負責發(fā)送采集到的水位數(shù)據(jù)和接收來自監(jiān)控中心的控制命令。當編碼器將水位信息編碼后，將數(shù)據(jù)通過圖2中的數(shù)據(jù)輸出口Dout傳輸給發(fā)射器的數(shù)據(jù)接收口DATA，通過外接天線（長度25 cm）發(fā)射出無線電信號。其振蕩電阻R31為1.2 ？贅，該模塊頻率穩(wěn)定性基本與晶振相同，電路工作非常穩(wěn)定，信號收發(fā)距離遠，具體電路如圖3所示。

2.3 控制模塊電路設計

控制模塊主要用來控制水泵和電動閥。當單片機通過433 MHz的無線模塊接收到水位測量信號后[6]，通過單片機處理計算出當前水位高度，并通過模糊算法處理水位波動高度[7]，經由無線模塊發(fā)射信號啟停水泵，同時打開或調整電磁閥門控制水流量。控制模塊主要電路如圖4所示。

2.4 電源模塊電路設計

使用穩(wěn)壓電源能使電路性能更加穩(wěn)定可靠，電源如果處理不當將會影響整個電路的工作性能甚至無法工作。整個系統(tǒng)采用5 V電壓供電，電源模塊電路設計必須考慮到硬件系統(tǒng)對電源具有穩(wěn)壓和紋波小等要求，當然在有效保證電路電壓穩(wěn)定輸入的前提下，低功耗也是現(xiàn)今設計非常關注的。因而針對系統(tǒng)要求，系統(tǒng)采用ZA3020芯片獲得5 V供電電源。為使電路中5 V輸出電源的紋波較小，在經過ZA3020轉換后的電壓輸出端采用了一個22 μF和0.1 μF的電容，另外芯片的電源輸入端也放置了一個10 μF和和0.1 μF的濾波電容，從而有效減小輸入端受到的干擾，使信號穩(wěn)定可靠地輸入。系統(tǒng)輸入電源電壓處理電路如圖5所示。

3 無線農用水泵遠程控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 模糊PID原理結構

模糊PID算法控制器原理結構如圖6所示。In為設定值，由水箱本身大小決定；out為當前液位值，是控制系統(tǒng)的控制對象，u是流量控制設備的改變量（即電動閥開啟量大小，決定水流量）。PID控制器中的kp、ki、kd 3個系數(shù)對控制系統(tǒng)的響應速度、穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)精度以及超調量等方面發(fā)揮重要作用。其中比例系數(shù)kp的作用是提高響應速度和調節(jié)精度，積分系數(shù)ki用來消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，微分系數(shù)kd為改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。

系統(tǒng)模糊控制器設計在保留原有PID算法的基礎上，通過模糊推理程序實時監(jiān)測系統(tǒng)的二維輸入變量偏差e和偏差變化率de/dt，同時將其輸入到模糊控制器中，根據(jù)設置好的模糊集規(guī)則實時調整kp、ki、kd 3個參數(shù)。分別經過模糊化、近似推理和清晰化后，把得出的修正量Δki、Δkp和Δkd分別輸入PID控制器中，對3個參數(shù)進行在線修正，計算出控制量u和控制流量電動閥開啟量，實現(xiàn)液位遠程控制。

3.2 kp、ki、kd模糊控制策略及流程圖設計

模糊控制器的控制策略是依據(jù)專家經驗以及手動控制液位和水泵的實踐操作經驗確定的，定義模糊控制器的輸入e和ec、輸出kp、ki、kd模糊論域范圍都為{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，同時分別選取kp、ki、kd、系統(tǒng)偏差e和系統(tǒng)偏差變化率ec的模糊子集={NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB}，在設置規(guī)則時，本文首先以人工經驗目測為參考選取相應的參數(shù)，進而再通過仿真試驗對其優(yōu)化，以液位控制效果最好的一組為最終的控制規(guī)則，建立合適的模糊控制規(guī)則表，得到對Δkp、Δki和Δkd 3個參數(shù)的自整定模糊規(guī)則表[8-10]，具體見表1、表2和表3。

根據(jù)以上設定輸入輸出變量規(guī)則，得出各模糊子集的隸屬度函數(shù)如圖7。

由此根據(jù)各模糊子集的隸屬度函數(shù)和模糊控制規(guī)則，計算機通過模糊合成得到了kp、ki、kd的各自修正參數(shù)Δkp、Δki、Δkd的值，將修正參數(shù)代入下式中即可得到kp、ki、kd的值。

kp（t）=kp（t-1）+△kpki（t）=ki（t-1）+△kikd（t）=kd（t-1）+△kd

系統(tǒng)算法的程序流程如圖8所示：

4 無線農用水泵遠程控制系統(tǒng)通信協(xié)議的設計

設計中為了使上下位機之間的通訊安全可靠，故進行了通訊協(xié)議的設定，采用115 200 bps的通訊波特率，每幀的格式設置為1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校奇偶校驗。

協(xié)議中的命令包括上傳命令和下發(fā)命令，所有數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)均為16進制。其中每條命令包括8個字節(jié)，分別為同步字、命令類型、地址、包長、數(shù)據(jù)段及校驗位。同步字用于發(fā)起本條命令；地址用于表示此命令的作用對象，其地址設定為H01；字長用于表示本次發(fā)送的數(shù)據(jù)包字節(jié)總數(shù)；Byte4～Byte6 的值則可以根據(jù)需要自己設定，同一命令類型中Byte4～Byte6的值惟一，防止命令沖突；命令數(shù)據(jù)包的最后一位是校驗位，為前面7個字節(jié)之和。通訊開始命令數(shù)據(jù)包的格式如表4。

上位機向下位機下發(fā)命令后，下位機應作出適當返回，即下位機向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。上發(fā)命令的數(shù)據(jù)包格式按順序為同步字、命令類型、地址、包長、數(shù)據(jù)段及校驗位，具體格式如表5。

5 仿真結果及分析

為更詳細地驗證模糊PID控制器的動態(tài)性能，該系統(tǒng)建立在MATLAB環(huán)境中的Simulink仿真模型如圖9所示，系統(tǒng)依據(jù)專家經驗以及手動控制液位和水泵的實踐操作經驗，分別輸入相應參數(shù)值給Gain和Gain1，得到偏差信號，然后經由模糊邏輯控制器（Fuzzy Logic Controller）處理后，再通過模糊PID算法輸出控制信號，子系統(tǒng)Product、Product1和Product2分別輸出當前時刻的參數(shù)值，最后系統(tǒng)將此融合參數(shù)送給傳遞函數(shù)后輸出并反饋給輸入端，完成在線調整水泵的送水量工作。

根據(jù)上述仿真模型設定系統(tǒng)的采樣周期為1 ms，采用階躍響應的方式來檢測系統(tǒng)的響應性能，在200 ms和650 ms的時刻分別加入了幅值u（電壓）為1.0 V和幅值為0.7 V的外部擾動，得到系統(tǒng)參數(shù)kp、ki、kd自調整響應曲線如圖10所示。

圖11所示是在采用8度階躍信號的動態(tài)響應下，對液位高度分別運用PID控制和模糊PID控制方法的仿真結果圖。其中PID的比例參數(shù)取3、積分參數(shù)取1、微分參數(shù)取1，本設計中的模糊PID控制器參數(shù)采用試湊法獲得，即通過對PID參數(shù)不斷地進行調整，最后確定一組能夠使控制系統(tǒng)的輸出響應快速、調整時間短以及超調量盡量小的參數(shù)作為本文所使用的PID參數(shù)，其比例參數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)也分別為kp=6、ki=2、kd=2。

上述仿真結果表明，設計的模糊PID控制與常規(guī)PID控制相比，具有響應快、調整時間短、超調量小等特點，在給系統(tǒng)增加外部干擾時，系統(tǒng)響應速度快，抗干擾性強。

6 小結

針對基于模糊PID算法在無線農用水泵遠程控制中的應用進行了研究，使得該系統(tǒng)在液位控制技術方面有了明顯改善。系統(tǒng)將常規(guī)PID和模糊控制有效結合，實現(xiàn)了對PID 3個參數(shù)的實時在線調整。仿真試驗結果表明，液位模糊PID控制系統(tǒng)解決了由于系統(tǒng)或外界其他因素造成的系統(tǒng)控制性能差，響應時間短以及抗擾動能力低等問題，提高了遠程水泵控制系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動態(tài)性能，有效解決了該控制系統(tǒng)存在的滯后性強、超調量大等問題，能夠為工農業(yè)上的應用提供更加精確的液位監(jiān)測，生產更高品質工農業(yè)產品，同時達到節(jié)約成本、提高經濟效益的目的。

參考文獻：

[1] 丁肇紅，袁震東.時變系統(tǒng)的Laguerre模型辨識及設計變量（1）[J].華東師范大學學報（自然科學版），2002（4）：22-28.

[2] KING P J， MAMDANI E H. The application of fuzzy control system to industrial processes[J]. Automatica，1977，13（3）：235-242.

[3] KICKERT W J M. Application of a fuzzy controller in a warm water plant[J]. Automatica，1976，12（4）：301-308.

[4] 湯兵勇，路林吉，王文杰.模糊控制理論與應用技術[M].北京：清華大學出版社，2002.

[5] XIONG Z G， HE J， LUO S L. The software design of remote monitoring system of high-speed rice transplanter operating patameters[J]. Applied Mechanics and Materials， 2014， 462-463： 501-504.

[6] 熊中剛，蔣 蘋，胡文武，等.基于STC單片機的智能遠程水塔集群監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].湖北農業(yè)科學，2013，52（14）：3415-3419.

[7] 孫增圻.智能控制理論與技術[M].北京：清華大學出版社，1997.

[8] 吳振順，姚建均，岳東海.模糊自整定PID控制器的設計及其應用[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2004，36（11）：1578-1580.

[9] 劉 杰，杜慶東，王 剛，等.一種基于博弈融合模型PID參數(shù)整定方法[J].計算機應用，2006，26（12）：2948-2949.

[10] 錢艷平，李 奇，魏海坤，等.基于模糊與PID混合算法的制漿蒸煮過程控制[J].信息與控制，2003，32（2）：172-175.