基于模糊自適應(yīng)PID的溫室水肥一體化控制系統(tǒng)研究

李娜王善婷李林蔚陳永琪陳奇

(1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212400;2.鎮(zhèn)江惠寧農(nóng)信息科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212400)

引言

2021年2月，中央一號文件指出，“持續(xù)推進化肥農(nóng)業(yè)減量增效，推廣農(nóng)作物病蟲害綠色防控產(chǎn)品和技術(shù)”，為我國設(shè)施產(chǎn)業(yè)發(fā)展指明了方向。設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理過程中，作物灌溉、施肥是非常重要的一環(huán)，所以水肥灌溉機的智能化一體化控制在整個生產(chǎn)過程中顯得尤為重要。水肥一體化是集智能配肥和灌溉施肥于一體的新型技術(shù)，采用水肥一體化設(shè)備可以有效解決水資源、化肥資源浪費嚴(yán)重的問題。隨著我國智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，我國對農(nóng)業(yè)機械化及農(nóng)業(yè)管理智能化相關(guān)設(shè)備與技術(shù)研究越來越多，但總體智能化水平較低。我國產(chǎn)品多為引進的國外設(shè)備，自主化水平低，尚未形成完全可靠的信息系統(tǒng)平臺；當(dāng)前我國缺乏對控制算法及農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)采集的分析與研究，導(dǎo)致水肥濃度控制精準(zhǔn)度較低，難以滿足溫室大棚的灌溉施肥需求。隨著計算機技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能化溫室大棚技術(shù)與智能水肥一體化技術(shù)相關(guān)研究會在數(shù)據(jù)整合分析及控制決策等方面更加深入，進而促進智能化溫室大棚設(shè)施農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展。

當(dāng)前國內(nèi)針對水肥一體化系統(tǒng)常用的控制方式較為簡單，只能實現(xiàn)水肥配比，固體肥料配比階段仍需人工完成，且肥料配比精度相對不高[4]。本文針對智能溫室施肥及灌溉過程和生產(chǎn)需求，根據(jù)溫室大棚智能水肥一體機混肥與施肥特性，采用模糊PID控制方法控制進料電機的運行，開發(fā)適用于溫室大棚的水肥一體機控制系統(tǒng)軟件，并通過人機交互界面設(shè)計構(gòu)建溫室大棚水肥一體化控制平臺，實現(xiàn)信息交互展示、分析決策和智能設(shè)備遠程控制。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本設(shè)計所采用的水肥一體化控制系統(tǒng)主要由以下4個部分組成，包括無線傳輸單元模塊、主控單元模塊、配肥單元模塊和灌溉施肥單元模塊，如圖1所示。

本系統(tǒng)選用的傳感器主要有Ec傳感器、壓力傳感器、pH傳感器以及流量傳感器等，以上傳感器將采集到的數(shù)據(jù)信息與系統(tǒng)采集節(jié)點相連接，控制器通過采集節(jié)點能夠?qū)Ψ柿先芤旱腅c值、pH值、管道壓力和肥液容量進行精準(zhǔn)監(jiān)測。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中具有特定功能的節(jié)點還具有路由功能，可以充當(dāng)路由器，對上一節(jié)信息或者下一節(jié)信息進行自動轉(zhuǎn)發(fā)或接收。溫室水肥一體化控制系統(tǒng)由一個中心節(jié)點、多個采集節(jié)點和多個終端控制節(jié)點構(gòu)成，其中采集節(jié)點與溫室系統(tǒng)中的各個傳感器相連接，終端控制節(jié)點與繼電器控制設(shè)備相連接?？紤]到本實驗系統(tǒng)在溫室中進行，所涉及的范圍相對較小，數(shù)據(jù)傳輸信息量也較小，且需要各設(shè)備低功率長期處于應(yīng)用狀態(tài)，為了有效降低實驗成本，本系統(tǒng)采取的ZigBee星狀網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)，使得每個采集節(jié)點和終端控制節(jié)點與中心節(jié)點直接進行通信，極大地提高了通信效率，降低了實驗成本。

2 配肥和施肥單元系統(tǒng)設(shè)計

水肥一體化將固體肥料先與水溶解成液體，而配肥單元運送固體肥料上料的過程就是形成液體肥料的過程，即按照一定的設(shè)定值形成不同濃度的肥液，再通過一系列操作進行二次水肥混合，最終形成最合適的肥液來灌溉作物。本文根據(jù)配肥和施肥需求，采用PLC控制器實現(xiàn)配肥和施肥單元系統(tǒng)設(shè)計。

配肥機主要由自動稱重、自動上料2部分組成，其中主控模塊負責(zé)控制、監(jiān)查所有設(shè)備的指令?？刂破鞲鶕?jù)專家經(jīng)驗所需要的肥料總重量驅(qū)動稱重傳感器工作，稱重儀表時刻動態(tài)顯示肥料重量，根據(jù)稱重儀表顯示的重量反饋給控制器，形成一套完整的流程。當(dāng)傳感器所顯示的重量與所需的設(shè)定值相等時，控制器發(fā)送指令給送料機暫停輸送。

灌溉施肥階段的主要硬件設(shè)備有文丘里吸肥器、電磁閥、控制器、灌溉水泵、傳感器等。在整個溫室水肥一體化系統(tǒng)中，灌溉施肥階段是其核心單元，影響著整個灌溉效果，在溫室實驗中起到控制作用。根據(jù)灌溉施肥的工作原理，整個系統(tǒng)包括控制部分、檢測部分、混肥裝置?？刂撇糠諴LC是主控制器，通過程序編寫來對各執(zhí)行單元進行控制和監(jiān)控；檢測部分主要是Ec傳感器和pH傳感器，根據(jù)專家經(jīng)驗設(shè)定Ec值和pH值的最優(yōu)參數(shù)，通過時刻觀察傳感器顯示的值，從而達到檢測混合液中肥料的值的作用；混肥裝置中核心設(shè)備是內(nèi)含3個文丘里射流器的文丘里管，利用其結(jié)構(gòu)獨特的特性產(chǎn)生壓差，從而形成水肥的混合。

3 模糊自適應(yīng)PID控制

3.1 模糊自適應(yīng)PID調(diào)控算法

傳統(tǒng)PID控制算法局限于根據(jù)某一整定參數(shù)來設(shè)置PID的3個參數(shù)不具有靈活性，而模糊自適應(yīng)PID算法則是解決控制過程中此類難題的解決方法[5]。模糊控制原理是將人的思維認知和經(jīng)驗認知總結(jié)得來的專家經(jīng)驗存入模糊規(guī)則庫中，根據(jù)傳感器監(jiān)測到的實時數(shù)值，由控制器模糊推理出應(yīng)該設(shè)定的3個參數(shù)，得到最優(yōu)參數(shù)，從而構(gòu)成了具有自適應(yīng)的模糊PID算法，達到最佳控制效果。

模糊自適應(yīng)算法的優(yōu)點主要在于其實現(xiàn)了更高的精度和控制效果，不需要依靠控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，控制參數(shù)能夠?qū)崟r自動整定，以便很好地適應(yīng)控制系統(tǒng)的變化。專家經(jīng)驗的本質(zhì)是基于現(xiàn)場實際操控中積累的不同對象以及控制規(guī)律的各種應(yīng)對狀況，將此經(jīng)驗匯集儲存到模糊規(guī)則庫中，基于專家級的豐富知識經(jīng)驗所設(shè)計的PID參數(shù)調(diào)整實現(xiàn)模糊自適應(yīng)控制。本文在實驗過程中事先將模糊規(guī)則嵌入控制系統(tǒng)，當(dāng)實驗對象在過程中發(fā)生調(diào)整時，PID各比例參數(shù)能夠自動調(diào)整為最優(yōu)參數(shù)，實現(xiàn)實時、精準(zhǔn)、無超調(diào)量、高可靠性的PID控制，圖2為模糊自適應(yīng)PID系統(tǒng)控制原理框圖。

圖2 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)原理框圖

模糊規(guī)則庫是模糊控制器的核心部分，規(guī)則庫是由專家對于控制規(guī)律的認識或者操作人員在實踐過程中的經(jīng)驗總結(jié)，是直接決定模糊控制器性能好壞的標(biāo)尺[6]。模糊控制器設(shè)計的關(guān)鍵步驟是將精確的輸入、輸出值轉(zhuǎn)化為機器能夠識別的語言值。由于模糊推理的結(jié)果都是模糊量，而非精確量，因此還需要進行去模糊化，將模糊量轉(zhuǎn)化為精確量。

模糊控制器規(guī)則中融入了輸入值的誤差量e以及誤差變化率ec，根據(jù)現(xiàn)有的模糊控制表，得到e和ec轉(zhuǎn)化為的模糊輸入語言變量，再從模糊規(guī)則推導(dǎo)出模糊輸出語言變量，最后通過去模糊處理輸出精確地模糊輸出量△kp、△ki和△kd，基于模糊自適應(yīng)PID控制的EC值調(diào)控算法流程圖如圖3所示。

模糊自適應(yīng)PID能夠?qū)ID的3個參數(shù)與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系表達出來，在運行過程中實時檢測e和ec值，通過在線動態(tài)控制將3個參數(shù)按照模糊控制原理進行調(diào)整，當(dāng)控制參數(shù)要求發(fā)生變化時，e和ec值能夠跟隨控制要求體現(xiàn)出來，從而使得被控量具有較好的靜態(tài)與動態(tài)性能。

3.2 模糊控制程序流程

本文采用PLC控制器作為模糊控制器，將模糊規(guī)則表存入PLC控制器中，在編寫的模糊控制算法中根據(jù)需要調(diào)用有關(guān)數(shù)值，進一步得到控制策略和發(fā)出指令，從而達到控制肥料濃度的目的，模糊PID控制器的控制流程如圖4所示。

圖4 模糊PID控制器的控制流程

模糊控制規(guī)則可以反映出模糊控制器性能的優(yōu)劣,Kp直接影響到系統(tǒng)調(diào)節(jié)的速度，在整個系統(tǒng)運行的過程中均要保持較高值。在系統(tǒng)運行的初期階段，具有較大的kp值可以提高系統(tǒng)響應(yīng)的速度；在系統(tǒng)調(diào)節(jié)運行中期，較大的kp值可以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并使系統(tǒng)保持較小誤差值；系統(tǒng)調(diào)節(jié)后期kp值將直接影響系統(tǒng)的運行精度。

ki主要用于消除系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差，在一定范圍內(nèi)ki的值與消除靜差速度為正比，而超出了這一合理范圍后，反而會導(dǎo)致超調(diào)量增加，產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，影響到系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，因此，需要保證ki值在合理范圍內(nèi)變化。

kd的模糊規(guī)則為系統(tǒng)控制過程初期，增大kd值以減小超調(diào)量；在系統(tǒng)運行過程中，適當(dāng)要減小kd值，這樣才能降低微分作用對系統(tǒng)產(chǎn)生的反作用；最后，為了增強系統(tǒng)的擾動抑制能力，kd的值需要進一步減小。kd有助于改善系統(tǒng)動態(tài)性能，抑制偏差變化。

4 系統(tǒng)調(diào)試

本文采用PLC控制器和HMI觸摸屏組成主控單元，溫室水肥一體化系統(tǒng)實物如圖5所示。PLC控制器作為系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理的核心中樞，對系統(tǒng)的性能影響起著決定性作用。溫室水肥一體化系統(tǒng)中需要PLC控制各項設(shè)備協(xié)調(diào)運作，PLC要對上位機傳送的信息交互指令快速處理并做出反應(yīng)。

圖5 溫室水肥一體化系統(tǒng)實物圖

本系統(tǒng)利用MCGS組態(tài)編寫人機交互界面，綜合了農(nóng)業(yè)信息技術(shù)、數(shù)字農(nóng)作技術(shù)、傳感器和無線傳輸技術(shù)、計算機技術(shù)等領(lǐng)域的知識，開發(fā)了溫室水肥一體化系統(tǒng)平臺，主要包括登錄界面、肥料輪灌組信息界面、肥料輪灌組控制界面等。

在自主研發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)中，可以在植物類型中選擇一種進行作物進行仿真生長，見圖6；在選擇完作物后，根據(jù)所積累的作物生長周期相關(guān)知識進行設(shè)置，見圖7，同時還可以根據(jù)作物生產(chǎn)周期來設(shè)置植物生長環(huán)境參數(shù)以及水肥一體機參數(shù)，只有所設(shè)置的參數(shù)符合當(dāng)前作物的生長需要，配置正確的植物生長模型，如圖8所示，作物才能健康生長。

圖6 選擇植物類型

圖7 設(shè)置生長周期

圖8 設(shè)置植物生長模型

工作人員可以通過肥料輪灌信息界面查看點擊累計灌溉總量、累計灌溉時長、累計灌溉次數(shù)、開閥數(shù)、灌溉組數(shù)、出地樁數(shù)、故障數(shù)信息，也可以查看到灌注組、出地樁、A口、B口、累計流量、灌溉時長、瞬時流量、充電電壓、電池電壓、信號質(zhì)量、管道壓力、警報、地圖定位等信息，可以根據(jù)選擇來決定是否打印輸出。

在肥料灌溉控制界面中，工作人員可以在此版塊中進行當(dāng)前培育室內(nèi)的具體灌溉控制與維護，點擊后進入到對應(yīng)的功能界面中，其中含有多個功能按鈕和參數(shù)，使用者可根據(jù)情況點擊處理，如圖9所示。

圖9 肥料灌溉控制界面

5 結(jié)論

本文針對溫室水肥一體化控制系統(tǒng)進行研究，并根據(jù)溫室大棚智能水肥一體機混肥與施肥特性，采用模糊PID控制方法控制進料電機的運行，開發(fā)適用于溫室大棚的水肥一體機控制系統(tǒng)軟件，并基于HMI設(shè)計人機交互界面，構(gòu)建溫室大棚水肥一體化控制平臺，實現(xiàn)了溫室水肥一體化的信息交互展示、分析決策和智能設(shè)備遠程控制。