水肥精量配比灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張育斌，魏正英，簡 寧，涂晶潔，朱火美

(1.西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054；2.寧波大紅鷹學(xué)院，浙江 寧波 315175)

水肥精量配比灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張育斌1,2，魏正英1，簡 寧1，涂晶潔2，朱火美2

(1.西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054；2.寧波大紅鷹學(xué)院，浙江 寧波 315175)

精確地控制農(nóng)業(yè)灌溉中的水肥配比，能夠很好地促進(jìn)農(nóng)作物的生長，大大提高化肥利用率。為此，開發(fā)了一套水肥精量配比灌溉系統(tǒng)，采用水路和肥路混合的方法，利用直流調(diào)速器控制泵來調(diào)節(jié)管道中水肥流量，從而實(shí)現(xiàn)水肥配比。該系統(tǒng)采用遺傳算法優(yōu)化的模糊PID模型作為控制策略來實(shí)現(xiàn)精量配比控制，進(jìn)一步完善了傳統(tǒng)PID的控制性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了水肥精量配比，有效地提高了灌溉精度，具有一定的推廣性和應(yīng)用價(jià)值。

灌溉系統(tǒng)；水肥精量配比；遺傳算法；模糊PID

0 引言

精量灌溉是近年來發(fā)展起來的一種節(jié)水灌溉技術(shù)，利用該技術(shù)不僅能夠有效地提高灌溉水的利用率及作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，而且能夠充分利用化肥和農(nóng)藥，避免多余化肥和農(nóng)藥污染農(nóng)田生態(tài)環(huán)境[1-2]。

實(shí)踐證明，當(dāng)肥與水的比例小于3‰時(shí)，作物對肥的吸收效果最好，這也是精量灌溉的目標(biāo)[3]。國內(nèi)對于精量灌溉控制的研究也有很多，尤其是最近幾年，陸續(xù)出現(xiàn)了很多新的灌溉技術(shù)。江蘇大學(xué)的戴春霞、趙德安等[4]開發(fā)了一套以ARM為核心智能精量灌溉系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于ARM920T內(nèi)核的嵌入式控制系統(tǒng)，并將控制系統(tǒng)引入設(shè)施栽培自動(dòng)灌溉控制中。天津大學(xué)李葒娜、許鎮(zhèn)琳等[5]設(shè)計(jì)了一套以單片機(jī)為核心、圍繞PID控制技術(shù)的自動(dòng)施肥系統(tǒng)，能夠自動(dòng)供給營養(yǎng)液的灌溉控制系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了肥液濃度的調(diào)控。但是，這些僅僅是單獨(dú)針對水路或者肥路所進(jìn)行的調(diào)控，并未在水肥配比方向上做相關(guān)研究。

本文深入研究了PID控制，建立了遺傳算法優(yōu)化的模糊PID(Fuzzy PID)控制模型，有效解決了不確定、非線性對象的PID參數(shù)整定問題，并設(shè)計(jì)了可以同時(shí)完成氮肥、磷肥、鉀肥和微量元素四路肥灌溉的系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了水肥精量配比，從而大大提高了灌溉效率。

1 總體方案確定

水肥精量灌溉的目標(biāo)是精確控制灌溉中的水肥比例，選擇合適的控制方式和控制策略極為關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用新華龍C8051F120單片機(jī)作為核心控制工具，根據(jù)不同作物的需求，通過檢測水的流量來計(jì)算所需要的肥量，配合直流調(diào)速器對泵的控制來完成水肥的精量配比。該系統(tǒng)采用遺傳算法優(yōu)化的Fuzzy PID模型作為控制策略，對系統(tǒng)需要控制的輸出量進(jìn)行預(yù)測，然后根據(jù)預(yù)測量調(diào)整系統(tǒng)的控制參數(shù)，從而達(dá)到更好的控制效果，總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

2 水肥精量配比灌溉控制機(jī)

2.1 灌溉控制機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)灌溉控制機(jī)的主要功能，采用水路和肥路兩路混合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)包含一個(gè)主水路和4個(gè)肥路，4個(gè)支路分為對應(yīng)氮肥、磷肥、鉀肥和微量元素4種肥，水路和肥路配有電磁閥、流量計(jì)、泵、壓力表及過濾器。電磁閥控制灌溉的啟停，完成吸肥的切換；流量計(jì)則用于監(jiān)測管道中的流量情況；微型水泵和直流調(diào)速器配合，完成水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，控制吸肥速度和流量；壓力表和過濾器等器件用于獲取管路壓力，防止管路的阻塞。結(jié)合精量水肥灌溉控制機(jī)的功能要求和機(jī)械設(shè)計(jì)原則，最終設(shè)計(jì)的控制機(jī)三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 精量水肥灌溉控制機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

灌溉控制機(jī)控制系統(tǒng)采用新華龍C8051F120單片機(jī)作為核心處理器，根據(jù)功能需求搭建外圍的電路，主要由串口通信電路、流量信號采集電路、繼電器控制電路及水泵控制電路4部分構(gòu)成，同時(shí)配合串口觸摸屏實(shí)現(xiàn)界面顯示以及觸摸控制。整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件電路結(jié)構(gòu)圖

3 精量配比灌溉控制策略

3.1 PID控制原理

PID控制器是一種將偏差的比例、微分和積分通過線性組合，實(shí)現(xiàn)控制量對被控對象進(jìn)行控制的系統(tǒng)[6]。控制原理如圖4所示。

圖4 PID控制原理

PID控制器的輸入e(t)和輸出u(t)關(guān)系為

(1)

其中，Kp表示比例系數(shù)；Ki代表積分系數(shù)；Kd代表微分系數(shù)。

PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、良好穩(wěn)定性及工作可靠等優(yōu)點(diǎn)[7]。面對非線性、具有較大時(shí)變的系統(tǒng)時(shí)，其控制器的三大參數(shù)Kp、Ki、Kd難以整定，而且一組整定參數(shù)遠(yuǎn)不能滿足控制需要。因此，傳統(tǒng)PID控制器具有相當(dāng)大的局限性，需要引入一套新的算法進(jìn)行改善。

3.2 Fuzzy PID控制模型

1)模糊控制的原理是將測得的系統(tǒng)輸入?yún)?shù)按一定規(guī)則進(jìn)行模糊化處理，得到模糊量并輸入到模糊推理系統(tǒng)，經(jīng)過模糊推理和決策，得到系統(tǒng)的模糊輸出量，最后將模糊輸出量進(jìn)行去模糊化處理，得到系統(tǒng)的精確輸出量，作用到控制對象。

2)模糊PID控制器主要由參數(shù)可調(diào)的PID控制器和模糊控制系統(tǒng)兩大部分組成[8]。模糊控制系統(tǒng)通過對PID的3個(gè)可調(diào)整參數(shù)的修正，完成對系統(tǒng)的控制?？刂圃砣鐖D5所示。

圖5 模糊PID控制原理

PID控制器的3個(gè)參數(shù)Kp、Ki和Kd與誤差e、誤差變化率ec存在如下的關(guān)系：

1)當(dāng)|e|較大時(shí)，應(yīng)當(dāng)通過適當(dāng)加大Kp、減小Kd和Ki來加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時(shí)也避免系統(tǒng)的超調(diào)量過大。

2)當(dāng)|e|處于中等大小時(shí)，應(yīng)當(dāng)通過適當(dāng)減小Kp、增大Ki來提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)。

3)當(dāng)|e|較小時(shí)，應(yīng)當(dāng)取適當(dāng)?shù)腒d，取較大的Kp和Ki，可以使系統(tǒng)繼續(xù)保持穩(wěn)定，而且在平衡點(diǎn)也不會出現(xiàn)振蕩[9]。

模糊推理系統(tǒng)是將經(jīng)過模糊化處理的誤差e和誤差的變化率ec作為模糊系統(tǒng)的輸入，把PID的3個(gè)整定參數(shù)作為模糊系統(tǒng)輸出。根據(jù)模糊理論，可以定義e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊集均為{負(fù)大、負(fù)小、零、正小、正大}，表示為{NB、NS、ZO、PS、PB}[10]。其中，e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd論域的范圍定義為[-3，3]。

三角形隸屬函數(shù)具有形狀簡單、計(jì)算方便及占用內(nèi)存小等特點(diǎn)[11]。這里采用三角形作為誤差e、誤差變化率ec，以及修正參數(shù)ΔKp、ΔKi、ΔKd的隸屬度函數(shù)，如圖6所示。

圖6 控制變量隸屬函數(shù)

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)所得的模糊推理規(guī)則如表1所示[12]。

表1 ΔKp、ΔKi、ΔKd模糊推理規(guī)則

3.3 遺傳模糊PID控制模型

基于遺傳優(yōu)化的模糊PID控制模型主要包含兩個(gè)部分：模糊PID控制器和遺傳算法[13]?？刂茖ο笫侵绷髡{(diào)速器控制的肥路水泵，控制反饋值是流量計(jì)采集到的肥流量，控制結(jié)構(gòu)模型如圖7所示。

圖7 遺傳優(yōu)化的模糊PID控制模型

3.3.1 染色體編碼

二進(jìn)制編碼具有編碼操作簡單易行、便于實(shí)現(xiàn)選擇、交叉和變異等遺傳操作等特點(diǎn)，成為了一種最廣泛的編碼方式[14]。本文對兩個(gè)輸入變量e、ec和3個(gè)輸出變量ΔKp、ΔKi、ΔKd這5個(gè)參數(shù)的模糊語言集合{NB、NS、ZO、PS、PB}采用二進(jìn)制編碼方法，分別對應(yīng){001、010、011、100、101}。一個(gè)輸出變量對應(yīng)25種規(guī)則，3個(gè)輸出變量對應(yīng)75種規(guī)則，每條規(guī)則包含3位，因此個(gè)體總長度為225。

3.3.2 適應(yīng)度函數(shù)選取

(2)

3.3.3 遺傳操作

本文初步選用比例選擇算子來進(jìn)行選擇操作，采用算數(shù)雜交來進(jìn)行叉操作，采用高斯變異算子來進(jìn)行變異操作[16]。

遺傳運(yùn)行參數(shù)選定結(jié)果如表2所示。

表2 遺傳算法運(yùn)行參數(shù)

4 實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證

4.1 仿真分析

灌溉系統(tǒng)將管路中水肥流量的比例作為實(shí)驗(yàn)對象，在MatLab系統(tǒng)的SIMULINK環(huán)境下編寫遺傳算法函數(shù)GA-Function，利用SIMULINK模塊庫FuzzyLogicToolbox建立相應(yīng)的遺傳FuzzyPID模型，采用階躍輸入信號對該模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 模型仿真圖

由圖8中可以看出：遺傳模糊PID模型相比于模糊PID具有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性、較短的系統(tǒng)響應(yīng)上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間，證明了該模型具有更好的控制性和魯棒性。

4.2 系統(tǒng)驗(yàn)證

利用控制系統(tǒng)中的C8051F120單片機(jī)對其中水路通道和肥路通道進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。將水路采集的電壓信號轉(zhuǎn)換為流量值后乘以水肥配比值來作為肥路流量的動(dòng)態(tài)預(yù)設(shè)值，而肥路的電壓信號轉(zhuǎn)換為流量值后直接作為實(shí)際肥量。實(shí)時(shí)肥路流量進(jìn)行調(diào)控然后，再次進(jìn)行采集對比，如此循環(huán)來實(shí)現(xiàn)肥路流量與水路流量比的恒定，從而達(dá)到精量控制的目的。設(shè)置水路流量為1L，肥路流量為60mL，所得的水肥配比結(jié)果如圖9所示。待灌溉系統(tǒng)穩(wěn)定后檢測到的水路流量控制效果如圖10所示，肥路流量控制效果如圖11所示。

圖9 水肥配比效果比較

圖10 水路控制情況

圖11 肥路控制情況

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：整套系統(tǒng)能準(zhǔn)確地控制各個(gè)管路中的流量值，具有較高的精度；同時(shí)，遺傳FuzzyPID模型使得系統(tǒng)在5s左右達(dá)到預(yù)設(shè)的水肥配比值，響應(yīng)時(shí)間短，配比精度高，成功實(shí)現(xiàn)了水肥精量配比灌溉。灌溉控制機(jī)實(shí)物如圖12所示。

圖12 灌溉控制機(jī)實(shí)物

5 結(jié)論

1)采用遺傳算法和模糊控制的結(jié)合，有效解決了傳統(tǒng)PID控制在面向不確定、非線性對象時(shí)的局限性，相應(yīng)的遺傳FuzzyPID模型具有良好的控制性和魯棒性。

2)該灌溉控制機(jī)可以同時(shí)完成氮肥、磷肥、鉀肥和微量元素4路肥的灌溉，并成功實(shí)現(xiàn)了水肥的精量配比，有效地提高了灌溉效率和精度，為農(nóng)業(yè)精量灌溉提供技術(shù)支持。

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Design of Water and Fertilizer Precision Ratio Irrigation System

Zhang Yubin1,2， Wei Zhengying1， Jian Ning1， Tu Jingjie2， Zhu Huomei2

(1.State Key Laboratory of Manufacturing System Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710054，China;2．Ningbo Dahongying University，Ningbo 315171，China)

Precise control of ratio of water and fertilizer in agricultural irrigation can well promote crop’s growth and greatly improve the utilization rate of fertilizer. This paper designs a water and fertilizer precision ratio irrigation system which applies the method of mixed water and fertilizer can regulate the flow of water and fertilizer by pump which is controlled by DC speed governor so as to realize the ratio of water and fertilizer. Control system applies the fuzzy PID model optimized by genetic algorithm to achieve the precision ratio control of water and fertilizer, which improve the traditional PID performance further. The ultimate experimental results show that the system can effectively improve the irrigation accuracy and successfully realize the precise ratio irrigation of water and fertilizer, which has certain popularization and application value.

irrigation system； the precise ratio of water and fertilizer； genetic algorithm； Fuzzy PID

2016-09-21

“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0400202)；“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD24B00)；浙江省公益項(xiàng)目(2014C31163)；浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y2014326 54)；陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014K01-33-02)；西安市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(NC1310[1])

張育斌(1985-)，男，浙江寧波人，助理研究員，博士研究生，(E-mail)lzlgdx08-2@163.com。

S277.9+9

A

1003-188X(2017)12-0107-05