基于模糊控制的智能滴灌控制系統(tǒng)設(shè)計

田思慶，曹 宇，魏 強(qiáng)，鄭家風(fēng)，張炳權(quán)

(1. 佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；2. 佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；3. 南京樂金化學(xué)新能源汽車電池有限公司，南京 210038 )

0 引 言

智能滴灌控制系統(tǒng)通過對作物生長土壤及光照環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時檢測，并將檢測數(shù)據(jù)反饋給控制器，控制器將對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)實(shí)際情況對執(zhí)行元件進(jìn)行實(shí)時控制，實(shí)現(xiàn)對作物的適時、適量的精確滴灌。根據(jù)各個大棚內(nèi)土壤濕度的不均衡性，以及難以建立精確的數(shù)學(xué)模型等特點(diǎn)。灌水器部分，即灌水系統(tǒng)采用模糊控制策略，同時為了保證滴灌水壓的恒定，根據(jù)3條支路比例電磁閥的開度，制定出模糊控制規(guī)則，以改變變頻器頻率，控制水泵轉(zhuǎn)速保持恒壓供水。本系統(tǒng)經(jīng)過仿真和實(shí)地運(yùn)行驗(yàn)證，具有超調(diào)量小、動態(tài)時間短和穩(wěn)健性好等特點(diǎn)。

1 滴灌控制系統(tǒng)

為滿足溫室大棚內(nèi)作物生長的需求，而設(shè)計的溫室滴灌控制系統(tǒng)，不但節(jié)約了能源，降低了成本，更提高了作物灌溉的自動化水平[1]。滴灌控制系統(tǒng)工藝流程圖如圖1所示。

圖1 智能滴灌控制工藝流程圖

按照功能劃分滴灌控制系統(tǒng)主要由3個部分組成，如圖1中3個虛線框。其中第一部分為儲水控制部分即水源供給部分，以保證系統(tǒng)具有充足的水源；第二部分為主干路供水部分，以保證系統(tǒng)的恒壓運(yùn)行供水；第三部分為灌水器控制部分，以實(shí)現(xiàn)灌水器管網(wǎng)的滴灌控制，保證土壤濕度的精確滴灌。

2 灌水器模糊控制設(shè)計

2.1 滴灌系統(tǒng)分析

本系統(tǒng)中灌水器滴灌系統(tǒng)本身是一個較為復(fù)雜的被控對象，用二階純滯后模型近似描述，如式(1)所示。式(1)中K為放大系數(shù)，τd為純滯后時間。

(1)

灌水器滴灌系統(tǒng)傳遞函數(shù)用式(2)近似描述：

(2)

2.2 灌水器模糊控制設(shè)計

本系統(tǒng)采用的模糊控制器為雙輸入單輸出的多變量二維常規(guī)模糊控制器，該控制器的兩個輸入變量分別為：土壤濕度值humidity和光照強(qiáng)度值light；輸出量設(shè)定為比例電磁閥的開度u。在模糊控制器中設(shè)其輸入模糊語言變量分別對應(yīng)為HE，LE，輸出語言變量為U[2]。二維模糊控制器簡單示意圖如圖2所示。

圖2 二維模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

將土壤濕度偏差HE分為5個模糊集：{NB(negative big)，NS(negative small)，ZO(zero)，PS(positive small)，PB(positive big)}，對應(yīng)的物理狀態(tài)分別為{濕度采樣值遠(yuǎn)低于設(shè)定范圍下限，濕度采樣值微低于設(shè)定范圍下限，濕度采樣值在設(shè)定值范圍內(nèi)，濕度采樣值微高于設(shè)定范圍上限，濕度采樣值遠(yuǎn)高于設(shè)定上限}。同時將濕度H的論域定義為{-2，-1，0，1，2}。得到土壤濕度變化模糊規(guī)則表，如表1所示。

表1 土壤濕度偏差HE隸屬度表

將光照強(qiáng)度偏差LE同樣分為5個模糊集：{NB，NS，ZO，PS，PB}，其對應(yīng)的物理狀態(tài)分別為{光照度采樣值遠(yuǎn)低于設(shè)定范圍下限，光照度采樣值微低于設(shè)定范圍下限，光照度采樣值在設(shè)定值范圍內(nèi)，光照度采樣值微高于設(shè)定范圍上限，光照度采樣值遠(yuǎn)高于設(shè)定上限}。光照強(qiáng)度LE的論域?yàn)閧-2，-1，0，1，2}。得到土壤濕度偏差變化率模糊規(guī)則表，如表2所示。

將輸出即比例電磁閥的開度U分為5個模糊集：{OF(open full)，OB(open big)，OM(open middle)，OS(open small)，CL(close)}[3]，對應(yīng)的物理狀態(tài)分別為{比例電磁閥全開，比例電磁閥大開，比例電磁閥半開，比例電磁閥微開，比例電磁閥關(guān)閉}，比例電磁閥的開度U的論域?yàn)閧0，0.5，1，1.5，2}。得到輸出比例電磁閥開度U的模糊表，如表3所示。

表2 光照強(qiáng)度偏差LE隸屬度表

表3 輸出比例電磁閥開度U隸屬度表

本設(shè)計采用工程上常用的三角型隸屬度函數(shù)作為模糊控制系統(tǒng)子集的隸屬度函數(shù)，三角形隸屬度函數(shù)如式(3)所示。

(3)

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)制定模糊控制規(guī)則，制定控制規(guī)則如表4所示，共25條規(guī)則，例如：

(1)當(dāng)濕度采樣值遠(yuǎn)小于設(shè)定范圍下限，且光照度遠(yuǎn)小于設(shè)定范圍下限，將比例電磁閥閥門大開；

(2) 當(dāng)濕度采樣值遠(yuǎn)小于設(shè)定范圍下限，且光照度處于設(shè)定范圍內(nèi)，將比例電磁閥閥門全開；

(3)當(dāng)濕度采樣值稍小于設(shè)定范圍下限，且光照度處于設(shè)定范圍內(nèi)，將比例電磁閥開至半開；

(4)當(dāng)濕度采樣值稍大于設(shè)定上限，且光照強(qiáng)度稍大于設(shè)定范圍上限，將比例電磁閥開至微開；

(5)當(dāng)濕度采樣值遠(yuǎn)大于設(shè)定上限，且光照強(qiáng)度稍大于設(shè)定范圍上限，將比例電磁閥關(guān)閉。

表4 智能滴灌控制系統(tǒng)模糊控制規(guī)則表

對模糊推理得到的模糊集合，采用最大隸屬度法對其進(jìn)行反模糊化[4]。

3 灌水器滴灌系統(tǒng)模糊控制仿真設(shè)計

在MATLAB軟件中，對灌水器模糊控制器進(jìn)行SUMILINK仿真研究，建立一個多變量二維模糊控制器，輸入為HE、LE，輸出為U。如圖3所示。

圖3 智能滴灌控制系統(tǒng)二維模糊控制器

進(jìn)入隸屬度函數(shù)編輯器(Membership Function Editor) 修改輸入語言變量的論域?yàn)?-2,2)，輸出語言變量的論域(0,2)，并將輸入輸出隸屬度函數(shù)選擇為三角形隸屬度函數(shù)[5]。土壤濕度偏差HE隸屬度函數(shù)、光照強(qiáng)度偏差LE隸屬度函數(shù)、比例電磁閥開度U隸屬度函數(shù)，如圖4，5，6所示。

圖4 土壤濕度偏差HE隸屬度函數(shù)

圖5 光照強(qiáng)度LE隸屬度函數(shù)

圖6 輸出比例電磁閥開度U隸屬度函數(shù)

建立了輸入輸出模糊變量子集后，根據(jù)表4，對智能模糊滴灌控制系統(tǒng)制定模糊控制表。在SIMULINK模糊控制器Rule Editor中添加模糊控制規(guī)則，共25條規(guī)則。在Rule Editor編寫的規(guī)則列表如圖7所示。

圖7 智能滴灌模糊控制系統(tǒng)模糊控制規(guī)則

模糊規(guī)則制定完成后，在SIMULINK環(huán)境下建立滴灌控制系統(tǒng)模糊控制仿真結(jié)構(gòu)圖，并對其系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)構(gòu)如圖8所示，仿真曲線如圖9所示。

圖8 滴灌系統(tǒng)模糊控制仿真結(jié)構(gòu)圖

圖9 滴灌系統(tǒng)模糊控制仿真曲線

針對滴灌系統(tǒng)，為了對比模糊控制與PID控制的控制效果，特對滴灌系統(tǒng)做了PID控制仿真。其中，PID控制仿真結(jié)構(gòu)如圖10所示，PID控制仿真曲線如圖11所示。

圖10 滴灌系統(tǒng)PID仿真結(jié)構(gòu)圖

圖11 滴灌系統(tǒng)PID控制仿真曲線圖

對比圖9和圖11仿真曲線可以看出，模糊控制比PID控制具有響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，控制精度高和穩(wěn)健性強(qiáng)等特點(diǎn)。

4 結(jié) 論

本論文分析了滴灌控制系統(tǒng)的組成，設(shè)計了基于模糊控制算法的智能滴灌控制系統(tǒng)。針對灌水器滴灌系統(tǒng)，制定了模糊控制規(guī)則，并在SIMULINK環(huán)境下建立了模糊控制和PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，通過兩個系統(tǒng)的仿真曲線比較，模糊控制系統(tǒng)具有控制響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，穩(wěn)健性強(qiáng)等特點(diǎn)。

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