水肥一體機(jī)肥液電導(dǎo)率遠(yuǎn)程模糊PID控制策略

朱德蘭 阮漢鋮 吳普特 李景浩 陸麗瓊

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

0 引言

水肥一體化是一項(xiàng)高效節(jié)水減肥的農(nóng)業(yè)灌溉新技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)在提高水資源利用效率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)本增效方面意義重大[1-4]。在對(duì)作物進(jìn)行施肥灌溉過程中，施肥濃度控制在最優(yōu)控制范圍內(nèi)有利于作物根系的發(fā)育及土壤中礦物質(zhì)的吸收[5]。隨著物聯(lián)網(wǎng)與5G技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，數(shù)字技術(shù)能極大地提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率[6-7]。按照作物水肥需求進(jìn)行“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”模式的精準(zhǔn)控制是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化的關(guān)鍵。

水肥灌溉系統(tǒng)肥液濃度調(diào)控若存在嚴(yán)重非線性、時(shí)變性和滯后性等問題將影響智能灌溉系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率[8-9]。目前，國內(nèi)外主要采用PID控制和模糊控制策略來實(shí)現(xiàn)作物智能灌溉，取得了較好的控制效果。文獻(xiàn)[10-12]基于PID、模糊控制對(duì)水肥流量等進(jìn)行控制并仿真。李加念等[13]基于PWM(Pulse width modulation)以輸出相應(yīng)的占空比來控制吸肥電磁閥的開閉，進(jìn)行灌溉液電導(dǎo)率(EC)的動(dòng)態(tài)調(diào)控。文獻(xiàn)[14-19]設(shè)計(jì)了基于FPGA、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、ZigBee和模糊控制決策相結(jié)合的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)具有良好的控制效果。文獻(xiàn)[20-28]根據(jù)傳感器采集的溶液電導(dǎo)率信息或酸堿度信息，采用模糊控制策略控制混肥泵、電磁閥等進(jìn)行肥液或營養(yǎng)液的本地端在線自動(dòng)混合，實(shí)現(xiàn)了水肥一體化的自動(dòng)控制。趙景波等[29]針對(duì)智能水肥一體機(jī)混肥濃度非線性問題，提出了一種變域模糊控制算法，但目前只有仿真結(jié)果。綜上所述，PID控制和模糊控制在變量施肥系統(tǒng)中得到了研究人員的廣泛關(guān)注，也取得了部分成果，但主要是針對(duì)本地端對(duì)作物施肥灌溉進(jìn)行單一的控制，以模擬仿真為主，對(duì)水肥灌溉系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程智能化濃度控制研究相對(duì)較少。

本文基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)一個(gè)可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)、手機(jī)微信多終端灌溉數(shù)據(jù)監(jiān)測和開關(guān)量控制的遠(yuǎn)程水肥灌溉系統(tǒng)，以解決水肥灌溉系統(tǒng)EC調(diào)控非線性、時(shí)變性和滯后性等問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)水肥一體化裝置EC的遠(yuǎn)程模糊PID控制，通過對(duì)注肥泵變頻調(diào)速改變吸肥量，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)灌溉液EC，提升水肥控制精度和穩(wěn)定性。

1 水肥灌溉系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

水肥灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該水肥灌溉系統(tǒng)由供水組件、吸肥組件及控制組件3部分組成。供水組件主要由蓄水池、自吸離心變頻泵組成，為施肥和灌溉提供水源和動(dòng)力。吸肥組件主要由肥液罐、文丘里管、變頻注肥泵組成。肥液罐用來存儲(chǔ)肥液；變頻注肥泵提供動(dòng)力，注肥泵驅(qū)動(dòng)水流流經(jīng)文丘里管喉口，產(chǎn)生負(fù)壓，吸入肥液，將肥液注入主管混合?？刂平M件主要由傳感單元、上位機(jī)、控制器組成。傳感單元用來采集流量、壓力、EC信息，為系統(tǒng)軟件進(jìn)行水肥耦合調(diào)控提供決策數(shù)據(jù)；上位機(jī)主要包括本地端觸摸屏和遠(yuǎn)程用戶終端設(shè)備(手機(jī)或計(jì)算機(jī))；控制器PLC主要接收上位機(jī)指令，對(duì)水肥灌溉系統(tǒng)的開關(guān)量、變頻注肥泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

圖1 水肥灌溉系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Water fertilizer irrigation system structure drawing1.蓄水池 2.恒壓供水系統(tǒng) 3.自吸離心變頻泵 4.壓力表 5.電磁流量計(jì) 6.手動(dòng)閥門 7.電磁閥 8.EC傳感器 9.文丘里管 10.肥液罐 11.疊片過濾器 12.單向閥 13.變頻注肥泵 14.變頻控制系統(tǒng) 15.供水組件 16.控制組件 17.吸肥組件

1.2 肥液EC模型分析

肥液混合模型選擇典型的一階滯后模型。M(t)表示文丘里管的吸肥量，由于文丘里管的吸肥量、進(jìn)口流量與變頻注肥泵頻率有關(guān)，將其改為與頻率f(t)有關(guān)的變量，表示為f(t)qw、f(t)qm，根據(jù)質(zhì)量守恒定理，有

(1)

式中VT——混肥管道中肥液體積，L

C(t)——混肥管道中和出水管肥液濃度，%

C0——進(jìn)水管中肥液濃度，%

C1——肥液罐中肥液濃度，%

qw——文丘里管最大吸肥量，L/h

qm——主管進(jìn)口最大流量，L/h

q2——主管出口流量，L/h

t——變頻注肥泵工作時(shí)間，s

等式左邊是混肥管道中肥液質(zhì)量的微分，右邊表示進(jìn)水管中肥液質(zhì)量與文丘里管吸收的各個(gè)母液的肥液質(zhì)量之和減去出水管中肥液的質(zhì)量。由于濃度與EC成正比關(guān)系[30]，式(1)可變?yōu)?/p>

(2)

式中E(t)——混肥管道中和出水管肥液的EC，mS/cm

E0——進(jìn)水管中清水的EC，mS/cm

E1——肥液罐中肥液的EC，mS/cm

將式(2)進(jìn)行拉普拉斯變換后得

(3)

由式(3)可知，控制響應(yīng)特征為一階線性系統(tǒng)。在實(shí)際試驗(yàn)中，設(shè)備工作時(shí)出口壓力為0.35 MPa，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，VT=50 L，qm=3 000 L/h，qw=640 L/h，E1=10 mS/cm，E0=0.6 mS/cm，滯后時(shí)間為10 s。將上述變量代入式(3)得EC的近似傳遞函數(shù)為

(4)

2 遠(yuǎn)程模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由本地端、遠(yuǎn)程端兩部分組成，組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。本地端主要由三菱FX-3u系列PLC、云盒(上海智能科技有限公司)、觸摸屏(MT6103iP型)、電磁閥、變頻注肥泵(廣東凌霄泵業(yè)有限公司，量程：0～5 m3/h)、EC傳感器(南京昊科電子有限公司，量程：0～20.0 mS/cm)等組成，云盒與PLC通過RS-232有線連接，PLC通過RS-485總線與觸摸屏連接；遠(yuǎn)程端主要由云端服務(wù)器、用戶終端設(shè)備、開發(fā)者服務(wù)終端組成。EC傳感器通過RS-485總線與云盒連接，本地端通過云盒與遠(yuǎn)程端進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換；用戶終端設(shè)備主要包括用戶計(jì)算機(jī)或手機(jī)微信小程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)本地端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制；開發(fā)者服務(wù)終端通過API接口與云端服務(wù)器連接，主要對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、控制算法處理，PLC的DA模塊將遠(yuǎn)程控制算法輸出數(shù)據(jù)輸入，控制變頻注肥泵變頻調(diào)速，改變注入主管的肥液量進(jìn)而實(shí)時(shí)控制水肥灌溉系統(tǒng)出口肥液EC。

圖2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Remote control system diagram

2.2 模糊PID調(diào)控方法設(shè)計(jì)

2.2.1模糊PID控制器設(shè)計(jì)

模糊自整定PID控制器由模糊控制器和PID控制器兩部分組成，其基本原理框圖如圖3所示。該控制器以EC誤差e和誤差變化率ec為輸入量，經(jīng)過模糊化和模糊推理后得到PID控制器的3個(gè)控制參數(shù)修正量Δkp、Δki、Δkd，實(shí)現(xiàn)PID控制器的3個(gè)參數(shù)Δkp、Δki、Δkd的在線修正，最后實(shí)現(xiàn)控制變頻注肥泵頻率以調(diào)整肥液EC。

圖3 模糊自整定PID控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure of fuzzy self-tuning PID controller

自整定PID 3個(gè)參數(shù)修正公式為

(5)

式中kp——整定后比例系數(shù)

ki——整定后積分系數(shù)

kd——整定后微分系數(shù)

kp0——整定前比例系數(shù)

ki0——整定前積分系數(shù)

kd0——整定前微分系數(shù)

Δkp——比例系數(shù)修正量

Δki——積分系數(shù)修正量

Δkd——微分系數(shù)修正量

2.2.2模糊論域及隸屬度函數(shù)

云端遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集的EC與目標(biāo)值的誤差e和誤差變化率ec的語言變量模糊子集均取為{NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，Z(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}，量化為7個(gè)等級(jí)，模糊論域均取為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，模糊子集選用三角形隸屬度函數(shù)，隸屬度函數(shù)如圖4所示。

圖4 e、ec和Δkp、Δki、Δkd的隸屬度函數(shù)曲線Fig.4 Membership function curves of e, ec and Δkp、Δki、Δkd

2.2.3控制規(guī)則制定

模糊控制規(guī)則表是根據(jù)水肥灌溉系統(tǒng)中EC變化規(guī)律和人員經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮水肥灌溉系統(tǒng)的穩(wěn)定性、超調(diào)量及響應(yīng)速度等因素而建立的關(guān)系表。通過分析和仿真調(diào)整，針對(duì)水肥灌溉控制系統(tǒng)，制定PID控制器3個(gè)參數(shù)調(diào)整量的模糊規(guī)則，以Δkp為例，其控制規(guī)則如表1所示。

表1 Δkp的模糊控制規(guī)則Tab.1 Fuzzy control rules of Δkp

2.2.4解模糊計(jì)算

在水肥灌溉控制系統(tǒng)中，經(jīng)過模糊邏輯推理后，得到PID的3個(gè)控制參數(shù)的模糊集合，不能直接轉(zhuǎn)換為精確量輸出，必須經(jīng)過解模糊。本研究采用重心法解模糊化，將輸出量kp、ki、kd提前清晰化，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的量化值，然后將運(yùn)算結(jié)果填入模糊控制查詢表中，儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，以Δkp的模糊控制查詢?yōu)槔?，結(jié)果見表2。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過查詢表格，即可得出確定的輸出量，再乘上相應(yīng)的比例因子，得到相應(yīng)的頻率模擬量，通過PLC控制器D/A轉(zhuǎn)換輸出到變頻器，進(jìn)而控制變頻注肥泵改變文丘里管吸肥量，完成其變頻控制。

表2 Δkp的模糊控制查詢Tab.2 Fuzzy control query of Δkp

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)裝置如圖1所示，在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院灌溉水力學(xué)實(shí)驗(yàn)大廳進(jìn)行，試驗(yàn)中通過變頻恒壓供水系統(tǒng)(量程0～0.5 MPa，精度±0.005 MPa)提供試驗(yàn)所需的主管恒定水壓。肥液罐中的母液為使用硝酸鉀肥料配制成EC為10 mS/cm的溶液，使用EC傳感器實(shí)時(shí)檢測灌溉出口EC，電磁流量計(jì)(EMF-5000型)檢測主管進(jìn)口流量，EC通過云盒上傳至云端進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。試驗(yàn)操作時(shí)通過水肥灌溉系統(tǒng)的觸摸屏或用戶終端設(shè)備上設(shè)置施肥配方、閥門開閉、灌溉策略和目標(biāo)EC等內(nèi)容。

保持主管壓力為0.35 MPa，主管出口流量為3 m3/h，采用遠(yuǎn)程模糊PID控制算法和本地端PID控制算法，采樣周期定為5 s，連續(xù)測量300 s。設(shè)定不同EC進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 不同EC設(shè)定值的試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果Tab.3 Comparison results of different EC settings

由表3可知，當(dāng)目標(biāo)EC越大，采用遠(yuǎn)程模糊PID控制或本地端PID控制時(shí)，EC波動(dòng)幅度越小，穩(wěn)態(tài)EC越精確，但穩(wěn)態(tài)時(shí)間和超調(diào)量均增大，即滯后性增大，穩(wěn)定性增強(qiáng)；在同一目標(biāo)EC時(shí)，采用遠(yuǎn)程模糊PID控制相較于本地端PID控制EC波動(dòng)幅度小，響應(yīng)快，超調(diào)量??；模糊PID控制策略調(diào)控水肥所需時(shí)間為100～120 s，一般水肥一體化設(shè)備應(yīng)用于日光溫室生產(chǎn)實(shí)踐中時(shí)，水肥從設(shè)備灌溉出口達(dá)到滴頭的時(shí)間至少在2 min以上[30]。由此可見，所開發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程水肥灌溉控制系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際施肥灌溉需求。

4 結(jié)論

(1)在文丘里吸肥器的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建了一個(gè)遠(yuǎn)程水肥灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水肥灌溉系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)、手機(jī)微信多終端灌溉數(shù)據(jù)監(jiān)測和開關(guān)量控制，在遠(yuǎn)程開發(fā)終端使用控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)水肥灌溉系統(tǒng)EC的實(shí)時(shí)變頻調(diào)控。

(2)在確定的使用環(huán)境下，簡化了水肥裝置混肥的數(shù)學(xué)過程，建立了操作性強(qiáng)的一階滯后線性系統(tǒng)模型，為水肥EC調(diào)控策略提供理論依據(jù)。

(3)根據(jù)水肥EC調(diào)控的滯后和不穩(wěn)定性，調(diào)控系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程模糊PID控制策略。通過設(shè)定不同目標(biāo)值與本地端PID控制對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)EC越大，穩(wěn)態(tài)EC越精確，但穩(wěn)態(tài)時(shí)間和超調(diào)量均增大；在同一目標(biāo)EC時(shí)，采用遠(yuǎn)程模糊PID控制相較于本地端PID控制其波動(dòng)幅度小，響應(yīng)快，超調(diào)量小，能夠滿足實(shí)際施肥灌溉需求。