基于模糊PID 控制的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

新疆天業(yè)節(jié)水灌溉股份有限公司 劉雪林

前言

植物生長(zhǎng)中，水具有關(guān)鍵作用，我國幅員遼闊，地大物博，但對(duì)于水資源十分缺乏，同時(shí)大水漫灌作為我國傳統(tǒng)灌溉方法，其與監(jiān)測(cè)旱情對(duì)人工十分依賴，這種方式會(huì)造成水資源大量浪費(fèi)、肥料流失和土壤鹽堿化，對(duì)我國農(nóng)業(yè)發(fā)展造成嚴(yán)重影響，進(jìn)而影響到國家的長(zhǎng)久治安。節(jié)水灌溉技術(shù)的出現(xiàn)就是為了對(duì)傳統(tǒng)灌溉方式進(jìn)行改變，基于作物需水特點(diǎn)，用有限的水產(chǎn)出最大的經(jīng)濟(jì)效益。隨著計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)經(jīng)營逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑?、大型化、集約化，智能灌溉技術(shù)發(fā)展迅速。模糊控制無須知曉準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，憑借工程人員經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)就可對(duì)控制策略進(jìn)行制定，其是模擬人的思考行為，屬于非線性控制措施。該方法控制精度誤差較大，但具有較好的兼容性，響應(yīng)速度快，PID 控制器適應(yīng)性強(qiáng)，魯棒性好?；诖?，本文通過模糊控制結(jié)合PID 控制的方法，改善系統(tǒng)控制精度差和系統(tǒng)超調(diào)量大等問題[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

通常情況下，設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序方法為模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這種方式對(duì)程序的調(diào)試和編寫有利，還可以縮短系統(tǒng)開發(fā)周期?；谀：齈ID 控制的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)，其組成部分包括電球閥、水流傳感器、土壤濕度傳感器、從機(jī)模塊、信電共線主機(jī)模塊、MCGS 組態(tài)系統(tǒng)、模糊PID 控制器等。水流傳感器可對(duì)電動(dòng)球閥的閉合及開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行反饋，并對(duì)水流流量進(jìn)行檢測(cè)。從機(jī)土壤濕度傳感器能夠有效收集土壤中的相關(guān)信息，并將這些信息基于主機(jī)模板傳送至模糊PID 控制器對(duì)其進(jìn)行科學(xué)處理，并將處理后的信息反饋到主機(jī)模塊中，基于此可有效控制電球閥狀態(tài)，確保對(duì)節(jié)水灌溉系統(tǒng)實(shí)施智能化的操作和控制。從機(jī)模塊和主機(jī)模塊通信，需要經(jīng)過Modbus 協(xié)議。MCGS 組態(tài)系統(tǒng)可與主機(jī)模塊通信，并對(duì)相應(yīng)從機(jī)進(jìn)行有效控制，對(duì)傳感器狀態(tài)和各個(gè)分機(jī)狀態(tài)進(jìn)行顯示，并對(duì)土壤濕度進(jìn)行設(shè)定[2]。

2 信電共線硬件設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)核心電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)支持12～48V 總線電壓直流向從機(jī)發(fā)送控制信號(hào)。通過485 總線對(duì)模塊EV620 和MCGS 組態(tài)屏通信進(jìn)行有效保證，總線故障指示引腳為BRK。MCGS 傳輸?shù)拇谛盘?hào)被EV620 接收到之后，發(fā)送給從機(jī)信號(hào)時(shí)，利用控制引腳BH，基于供電得到滿足的情況下，使總線輸出腳L1 的電壓值出現(xiàn)小范圍的波動(dòng)，使總線上的電壓信號(hào)具有規(guī)律性變化，以保證從機(jī)的有效識(shí)別。當(dāng)?shù)綇臋C(jī)發(fā)送的應(yīng)答信號(hào)被EV620 接收到之后，引腳BL 對(duì)總線電流變化進(jìn)行檢測(cè)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺R(shí)別信號(hào)，利用串口發(fā)送給MCGS 組態(tài)屏并進(jìn)行顯示。主機(jī)核心電路如圖1 所示。

圖1 主機(jī)核心電路

2.2 從機(jī)核心電路設(shè)計(jì)

信號(hào)輸入端為控制芯片PB331 的PI 引腳，對(duì)主站輸送的電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而對(duì)其發(fā)送的指令進(jìn)行識(shí)別。信號(hào)輸出端為PO 引腳，通過對(duì)T1 的導(dǎo)通進(jìn)行控制，從而對(duì)總線電流進(jìn)行控制，發(fā)送主機(jī)至應(yīng)答信號(hào)。MCU 單片機(jī)為增強(qiáng)型8 位8051 內(nèi)核微控制器，帶有flash，電球閥狀態(tài)、傳感器數(shù)值讀取通過IO 口，并對(duì)電球閥運(yùn)行進(jìn)行控制。電球閥為Valve，水流傳感器為SL，土壤濕度傳感器為TR。主站發(fā)來的電壓信號(hào)經(jīng)PB331 的PI 引腳檢測(cè)后，利用串口發(fā)送給MCU，對(duì)相關(guān)操作進(jìn)行執(zhí)行。MCU 發(fā)送的應(yīng)答信號(hào)被PB331 接收之后，控制PO 腳對(duì)T1 進(jìn)行關(guān)閉或?qū)?，使電流信?hào)在總線上具備可以觀察到的規(guī)律性變化，以保證主機(jī)進(jìn)行識(shí)別[3]。從機(jī)核心電路如圖2 所示。

圖2 從機(jī)核心電路

3 組態(tài)系統(tǒng)介紹及信協(xié)議設(shè)計(jì)

3.1 MCGS 組態(tài)系統(tǒng)介紹

MCGS 組態(tài)屏為一體化嵌入式高性能觸摸屏，核心為Cortex－A8CPU，系統(tǒng)參數(shù)通過MCGS 人機(jī)界面顯示，并實(shí)施運(yùn)行控制和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，其組態(tài)系統(tǒng)工程的建立包括五個(gè)部分，分別為運(yùn)行策略、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、用戶窗口、設(shè)備窗口、主控窗口。本組態(tài)系統(tǒng)包括分組界面、主界面、登錄界面等。

3.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

為了有效提升MCGS 組態(tài)系統(tǒng)通信的便利性，信電共線主機(jī)和從機(jī)均對(duì)Modbus－RTU 通信協(xié)議進(jìn)行使用，利用從機(jī)向主機(jī)響應(yīng)，主機(jī)對(duì)從機(jī)發(fā)送請(qǐng)求的方式，完成數(shù)據(jù)交互。一臺(tái)主機(jī)監(jiān)控多臺(tái)從機(jī)，針對(duì)實(shí)際情況對(duì)控制指令進(jìn)行編寫。主機(jī)對(duì)從機(jī)狀態(tài)的命令進(jìn)行讀取，并對(duì)從機(jī)電球閥開關(guān)的命令進(jìn)行控制[4]。控制格式為：主機(jī)對(duì)灌溉狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)從機(jī)狀態(tài)的命令格式進(jìn)行讀取：高位CRC、低位CRC、0x05、0x00、0x04、0x00、0x04。主機(jī)對(duì)從機(jī)電球閥的命令格式進(jìn)行控制，高位CRC、低位CRC 為校驗(yàn)碼，0x05、0x00 表示讀取的寄存器個(gè)數(shù)，0x04 為功能碼，單個(gè)讀。第一個(gè)讀取的數(shù)據(jù)寄存器地址為0x00、0x04。從機(jī)地址為高位CRC、低位CRC、0x01 或0x00、0x00、0x04、0x00、0x06。0x06 表示功能碼為單個(gè)寫。電球閥狀態(tài)寄存器地址為0x00、0x04。電球閥打開指令為0x00、0x01，電球閥關(guān)閉指令為0x00、0x00。校驗(yàn)碼為高位CRC、低位CRC。

4 模糊PID 控制器設(shè)計(jì)

4.1 模糊PID 控制器原理介紹

模糊控制對(duì)人類思維進(jìn)行模擬，基于模糊集合進(jìn)行發(fā)展，使用自然語言對(duì)實(shí)踐數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行表述并對(duì)其實(shí)施模糊決策、歸納總結(jié)、邏輯分析，制定出簡(jiǎn)單明了的控制規(guī)則。自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)需要通過硬件設(shè)備和計(jì)算機(jī)編程語言[5]。對(duì)比傳統(tǒng)控制措施，模糊控制優(yōu)勢(shì)顯著。設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)只通過人員經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)就可對(duì)控制策略進(jìn)行制定，無需精確的數(shù)學(xué)模型，就可以確保系統(tǒng)運(yùn)行的效果。模糊控制系統(tǒng)兼容性較強(qiáng)，可以結(jié)合傳統(tǒng)反饋控制，有效解決大時(shí)滯、非線性等問題。使用自然語言變量對(duì)數(shù)字變量進(jìn)行代替，其對(duì)人處理問題的方式更加接近。模糊控制系統(tǒng)基于單片機(jī)，結(jié)構(gòu)上與一般的數(shù)字控制系統(tǒng)沒有差別，運(yùn)行通過查表法進(jìn)行，操作人員容易掌握和接受。

控制器中，實(shí)際檢測(cè)值y(k)和k 時(shí)刻的土壤濕度設(shè)定值r(k)構(gòu)成土壤濕度偏差e(k)。前一個(gè)時(shí)刻的誤差e(k－1)和當(dāng)前時(shí)刻誤差e(k)構(gòu)成偏差變化率ec(k)。變量Kd、Ki、Kp 和ec(k)、e(k)構(gòu)成輸出變量u(k)。通過輸入變化率和偏差，按照模糊規(guī)則獲得相應(yīng)變化量，加上原來設(shè)定的PID 參數(shù)，算出傳遞給輸出的變量。模糊PID 控制器原理圖如圖3 所示。

圖3 模糊PID 控制器原理圖

4.2 模糊PID 控制規(guī)則

根據(jù)結(jié)構(gòu)劃分，模糊PID 控制器可分為參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器和模糊控制器。前一種控制器構(gòu)成包括模糊控制器和PID控制器，后一種直接由模糊控制器構(gòu)成，PID 控制器功能的實(shí)現(xiàn)，主要是調(diào)整比例因子、控制規(guī)則、模糊控制器量化因子，并且可對(duì)PID 參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。建立本模糊控制規(guī)則的原則為：若輸入偏差e(k)出現(xiàn)偏大時(shí)，向誤差減小的方向調(diào)整，減小誤差之后，應(yīng)對(duì)超調(diào)現(xiàn)象盡量避免，保持系統(tǒng)穩(wěn)定。規(guī)則為：若偏差e(k)較大，則土壤濕度具有較大差別，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)進(jìn)行加快，減小ΔKd，加大ΔKp，保證系統(tǒng)達(dá)到預(yù)定值。為了對(duì)系統(tǒng)超調(diào)進(jìn)行避免，可選擇較小的ΔKi 值。若偏差e(k)較為合理，則土壤濕度靠近設(shè)定濕度值，應(yīng)保持一定范圍內(nèi)的變化，系統(tǒng)狀態(tài)應(yīng)盡量保持穩(wěn)定，ΔKp 調(diào)整方向?yàn)槠》较颍x擇適中值的ΔKd、ΔKi。若偏差e(k)較小，則設(shè)定值土壤濕度較為接近，為了對(duì)系統(tǒng)容錯(cuò)性進(jìn)行提升，應(yīng)選擇大一些的ΔKi、ΔKp 值。為對(duì)系統(tǒng)振蕩情況進(jìn)行避免，需要慎重對(duì)待ΔKd 的取值，通常情況下取中等大小[6]。

4.3 simulink 仿真

基于模糊比例積分微分控制器，運(yùn)用Simulink 完成仿真工作，進(jìn)而科學(xué)驗(yàn)證其可行性。由于土壤水勢(shì)曲線非線性這一因素，土壤濕度會(huì)被眾多外因影響，通過對(duì)文獻(xiàn)資料進(jìn)行查閱，運(yùn)用土壤濕度基質(zhì)變化率公式對(duì)變化函數(shù)進(jìn)行反映。仿真分析單獨(dú)PID 控制器，Kp 初始值為13，Ki 為0.5，Kd 為0.1，Kp 取值應(yīng)在8~18 之間，Kd 取值為0~0.2，Ki 取值為0~1 時(shí)，具有良好的系統(tǒng)控制效果。Simulink 仿真響應(yīng)時(shí)間短，超調(diào)量較小，對(duì)比單一的PID 控制器和模糊控制器，效果顯著。

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 系統(tǒng)通訊測(cè)試

舉例如下：2 號(hào)從機(jī)為關(guān)閉狀態(tài)，對(duì)灌溉狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，對(duì)2 號(hào)從機(jī)狀態(tài)的指令進(jìn)行讀取和發(fā)送。若土壤濕度值需要灌溉，沒有達(dá)到設(shè)定值時(shí)，對(duì)2 號(hào)從機(jī)電球閥開啟指令進(jìn)行發(fā)送。若土壤完成灌溉，其濕度值達(dá)到設(shè)定值后，對(duì)關(guān)閉2 號(hào)電球閥指令進(jìn)行發(fā)送。

5.2 節(jié)水灌溉測(cè)試

科學(xué)設(shè)定搭建工作結(jié)束的節(jié)水灌溉系統(tǒng)的土壤濕度為20%。某大型盆栽在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程中采用的方式為滴灌方式，將土壤濕度傳感器插入土壤7 厘米以下，秒表計(jì)時(shí)一分三十秒。現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯控制器運(yùn)用西門子S7-200SMART，對(duì)電磁閥進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[7]。ST30 西門子S7-200SMART 的CPU 模塊可集成以太網(wǎng)端口1 個(gè)以及RS485 接口1 個(gè)，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)無線傳輸端和主機(jī)發(fā)送的指令進(jìn)行同時(shí)接收，支持TCP/IP 協(xié)議。S7-200SMART 中存在輸出點(diǎn)12 個(gè)，輸入點(diǎn)18 個(gè)，每個(gè)輸出點(diǎn)均能夠?qū)σ粋€(gè)電磁閥進(jìn)行有效控制，在PCAccessSMART 現(xiàn)場(chǎng)集控計(jì)算機(jī)對(duì)西門子的OPC 服務(wù)器進(jìn)行創(chuàng)建，在Labview 中對(duì)變量進(jìn)行綁定，操作PLC的變量輸出?；诖?，為了有效實(shí)施遠(yuǎn)程控制，對(duì)PLC 和無線傳輸端間的地址映射進(jìn)行建立，可通過對(duì)智能控制和手動(dòng)控制自由切換的模式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。對(duì)順綠SLPGA 直流常閉電磁閥進(jìn)行選擇，作為應(yīng)用的電磁閥，順綠SLPGA 電磁閥功耗低，穩(wěn)定性強(qiáng)，具有較高的靈敏度，其額定功率為4.5W，30m3/h 為最大流速，工作壓力0.1～1.04MPa，額定電壓12V，為了避免電磁線圈堵塞，可運(yùn)用雙重過濾，具有較好的耐久度。采用滴灌法作為灌溉措施，與施肥方式進(jìn)行結(jié)合，可顯著提升水分利用率，并增強(qiáng)肥料使用效果。

6 智能灌溉控制系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行控制，各溫室大棚作物最佳水勢(shì)顯示于現(xiàn)場(chǎng)集控計(jì)算機(jī)界面上，通過柱狀圖形式對(duì)水勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯現(xiàn)，系統(tǒng)在無人干預(yù)的情況下也可進(jìn)行決策。若開啟某個(gè)大棚的電磁閥進(jìn)行灌溉時(shí)，同時(shí)會(huì)亮起相應(yīng)的狀態(tài)燈，用戶還可對(duì)灌溉停止或開始進(jìn)行手動(dòng)選擇[8]。

7 結(jié)語

綜上所述，本文基于我國設(shè)施農(nóng)業(yè)智能灌溉的發(fā)展?fàn)顩r，將控制目標(biāo)定為具有廣泛適用性的水勢(shì)土壤。LabVIEW 在模糊控制方法的基礎(chǔ)上，對(duì)蔬菜智能灌溉控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，對(duì)田間水勢(shì)土壤遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能灌溉決策、無線傳輸數(shù)據(jù)、采集相關(guān)數(shù)據(jù)等功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在未來研究中，應(yīng)將相應(yīng)無線通信模塊，二氧化碳含量、光照、空氣溫濕度等傳感器添加到系統(tǒng)中，對(duì)各種作物生長(zhǎng)周期的模糊控制規(guī)則進(jìn)行完善，對(duì)系統(tǒng)控制精確度進(jìn)行提升，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉。