基于模糊PID的水肥一體化灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湯春球,劉鳳來(lái),余自良

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)

目前粗放式的灌溉與撒肥造成了水資源和肥料的嚴(yán)重浪費(fèi),肥料不僅不能最大限度發(fā)揮其效力,也會(huì)在一定程度上破壞土壤墑情[1]。因此,水肥一體化灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用,對(duì)節(jié)水、節(jié)肥具有重要意義。

由于土壤是一個(gè)大慣性、具有滯后性的系統(tǒng),在灌溉時(shí),濕度傳感器不能及時(shí)反映出土壤的真正濕度,當(dāng)傳感器檢測(cè)濕度達(dá)到設(shè)定值時(shí),關(guān)閉灌溉閥門(mén)后,管道中剩余的肥液會(huì)繼續(xù)傳輸?shù)阶魑锔?致使實(shí)際土壤濕度大于設(shè)定土壤濕度[2];筆者結(jié)合模糊控制與PID(proportion integral differential)控制的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了模糊PID控制算法,基于專(zhuān)家知識(shí)與工作人員經(jīng)驗(yàn)制定了模糊PID控制規(guī)則表,對(duì)土壤實(shí)際含水量、含肥量與土壤理想情況下需水量、需肥量進(jìn)行模糊決策,通過(guò)控制灌溉閥門(mén)開(kāi)度控制灌溉的快慢,采用模糊PID控制算法灌溉時(shí),在灌溉前期會(huì)增大灌溉閥門(mén)開(kāi)度使土壤濕度盡快達(dá)到且小于設(shè)定濕度值,然后控制系統(tǒng)會(huì)隨著檢測(cè)的實(shí)際濕度值的增大而減小閥門(mén)開(kāi)度,直至最后濕度達(dá)到設(shè)定值,關(guān)閉閥門(mén),避免出現(xiàn)灌溉過(guò)量的情況。

1 水肥一體化灌溉系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的水肥一體化灌溉系統(tǒng)由環(huán)境信息采集模塊、水肥一體機(jī)模塊、PLC(programmable logic controller)與觸摸屏控制模塊、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)模塊等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。環(huán)境信息采集模塊通過(guò)CC2350控制傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)并通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸模塊傳送到PLC,并接收PLC下發(fā)的采集環(huán)境信息的指令,進(jìn)而控制各傳感器工作[3]。水肥一體機(jī)模塊由各種電磁閥、混肥罐、管道等組成,電磁閥接收PLC下發(fā)的混肥與灌溉指令,需要灌溉時(shí),水肥一體機(jī)按照指令配置好一定濃度的水肥溶液,然后通過(guò)管道將肥液輸送到作物根部,并通過(guò)控制電磁閥的開(kāi)度來(lái)控制灌溉的快慢。PLC與觸摸屏模塊由西門(mén)子S7-200PLC和昆侖通態(tài)公司開(kāi)發(fā)的10寸TCP7072Gi觸摸顯示屏組成,該模塊是灌溉系統(tǒng)的控制核心。需要灌溉時(shí),PLC將接收的土壤數(shù)據(jù)傳遞給模糊PID控制器,模糊PID控制器對(duì)信息進(jìn)行分析與處理,PLC會(huì)下發(fā)指令給水肥一體機(jī)模塊進(jìn)行灌溉,灌溉的同時(shí)PLC會(huì)實(shí)時(shí)地發(fā)送指令給環(huán)境信息采集模塊實(shí)時(shí)采集土壤濕度數(shù)據(jù),若土壤濕度穩(wěn)定在設(shè)定濕度范圍內(nèi),則停止灌溉[4]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)采用B/S架構(gòu)體系(瀏覽器/服務(wù)器),采用可視化開(kāi)發(fā)工具將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行可視化顯示,同時(shí)在服務(wù)器安裝了MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)以及應(yīng)用程序,這樣就可以把傳感器采集來(lái)的環(huán)境數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)或者進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)了對(duì)水肥的遠(yuǎn)程化、智能化灌溉,用戶(hù)可以在手機(jī)或電腦端進(jìn)行登錄,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作物與水肥一體機(jī)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制[5-7]。

圖1 水肥一體化灌溉控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 模糊PID控制算法設(shè)計(jì)

土壤是一個(gè)大慣性、非線性和時(shí)滯性的系統(tǒng),無(wú)法對(duì)其建立精確與統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型,傳統(tǒng)的PID控制或模糊控制在控制精度和實(shí)時(shí)性上難以滿(mǎn)足控制要求[8-9]。因此,筆者設(shè)計(jì)了一種由模糊控制和PID控制相結(jié)合的模糊PID控制算法,利用Simulink建模仿真驗(yàn)證算法的可靠性,經(jīng)過(guò)實(shí)際灌溉測(cè)試,驗(yàn)證了灌溉系統(tǒng)的可行性。

2.1 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

模糊PID控制器由模糊控制器和參數(shù)可調(diào)的PID控制器組成[10],其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該模糊PID控制器采用雙輸入單輸出型,通過(guò)控制灌溉閥門(mén)開(kāi)度來(lái)控制土壤濕度,而土壤中肥料濃度是按之前混肥濃度來(lái)最終確定的。

圖2 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

模糊PID控制原理是將輸入PID控制器的土壤濕度偏差e=r-y和土壤濕度偏差變化率ec=de/dt同時(shí)輸入到模糊控制器中,模糊控制器分別對(duì)比例KP、積分KI、微分KD進(jìn)行調(diào)節(jié),經(jīng)過(guò)模糊化、模糊推理和去模糊化后,得到修正的ΔKP、ΔKI、ΔKD,最終輸入PID控制器的實(shí)時(shí)參數(shù)為KP+ΔKP、KI+ΔKI、KD+ΔKD。

2.2 模糊PID控制器隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)

考慮到灌溉的控制精度和實(shí)際條件,定義土壤濕度偏差e和土壤濕度偏差變化率ec的基本論域?yàn)閇-3,3];定義e和ec的模糊語(yǔ)言值各有7個(gè):{負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大},簡(jiǎn)記為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。定義ΔKP、ΔKI、ΔKD的模糊語(yǔ)言值為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},則其對(duì)應(yīng)的模糊子集論域分別為(-0.3,0.3]、(-0.05,0.05]、(-2,2]。模糊PID控制器的輸出為電磁閥的開(kāi)度,即{關(guān)閉、微開(kāi)、中開(kāi)、全開(kāi)},簡(jiǎn)記為{ZO、PS、PM、PB},對(duì)應(yīng)模糊子集為{0,1,2,3}。e和ec的隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù),ΔKP、ΔKI、ΔKD的隸屬度函數(shù)采用高斯函數(shù),其隸屬度函數(shù)如圖3所示。

圖3 隸屬度函數(shù)圖

2.3 模糊PID控制器模糊規(guī)則設(shè)計(jì)

模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心部分,查閱模糊控制相關(guān)文獻(xiàn)及PID參數(shù)整定的一般規(guī)則[11],以及工作人員的實(shí)際種植經(jīng)驗(yàn),制定了49條模糊PID控制邏輯規(guī)則,如表1所示。

表1 ΔKP、ΔKI、ΔKD的模糊控制規(guī)則表

編寫(xiě)好模糊PID控制規(guī)則后,可以得到規(guī)則生成的三維曲面,如圖4所示。

圖4 模糊PID控制規(guī)則三維曲面

3 模糊PID控制算法仿真與灌溉測(cè)試

3.1 模糊PID控制器的Simulink仿真

根據(jù)文獻(xiàn)資料可知,番茄的最佳生長(zhǎng)土壤濕度為55%左右,設(shè)置初始濕度值為0,終值為55%的階躍響應(yīng)信號(hào)為模型的輸入信號(hào),由于被控對(duì)象是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),具有響應(yīng)的滯后性,采用二階純滯后模型來(lái)近似描述。

為了驗(yàn)證模糊PID控制算法的有效性,運(yùn)用Simulink對(duì)算法進(jìn)行仿真,其仿真模型如圖5所示。

圖5 水肥一體化系統(tǒng)灌溉控制算法仿真模型

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)不斷調(diào)整PID控制器的參數(shù)值,發(fā)現(xiàn)當(dāng)PID參數(shù)值為0.07、0.005、0.08時(shí),系統(tǒng)的控制效果最好,其仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 設(shè)定土壤濕度為55%的仿真曲線

從圖6可知,模糊PID控制比模糊控制具有更快的收斂速度;與PID控制相比,超調(diào)量減少了約8.9%,且震蕩明顯減小;可以看出,模糊PID控制在控制精度和控制的實(shí)時(shí)性上能夠滿(mǎn)足控制要求。

3.2 水肥一體化灌溉系統(tǒng)測(cè)試與分析

所設(shè)計(jì)的水肥一體化灌溉系統(tǒng)于2021年11月在某地溫室大棚內(nèi)展開(kāi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)灌溉測(cè)試圖

灌溉測(cè)試從11月2日至11月29日,每3天灌溉一次,測(cè)試了10組數(shù)據(jù)。灌溉對(duì)象為10畝左右的番茄幼苗,在模糊PID控制策略下完成灌溉,記錄10次灌溉的用水量與用肥量,如圖8和圖9所示。

圖8 灌溉用水量

圖9 灌溉用肥量

水肥灌溉測(cè)試完成后,可以看出每次灌溉大約用水14 t、用肥103 kg,根據(jù)以往工作人員灌溉經(jīng)驗(yàn)以及查閱資料得知,10畝番茄幼苗以傳統(tǒng)粗放式灌溉大約需水20 t、需肥140 kg。

經(jīng)過(guò)測(cè)試與分析可知,所設(shè)計(jì)的基于模糊PID控制的水肥一體化灌溉系統(tǒng)與傳統(tǒng)粗放式的水肥灌溉相比,節(jié)水30%,節(jié)肥26.5%,大大降低了農(nóng)業(yè)種植成本,系統(tǒng)不僅在環(huán)境保護(hù)方面效果明顯,而且還節(jié)省了人力成本。

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)粗放式灌溉水肥利用率低的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一套基于模糊PID控制的水肥一體化灌溉系統(tǒng),通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集作物信息,反饋給模糊PID控制器,控制器根據(jù)采集的信息進(jìn)行分析與處理并下達(dá)灌溉指令。系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)能夠讓工作人員在手機(jī)或電腦端進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)與控制,為農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了方便。系統(tǒng)采用模糊PID控制算法控制水肥的灌溉,并進(jìn)行建模仿真,結(jié)果顯示系統(tǒng)能很好地將土壤濕度控制在目標(biāo)范圍內(nèi),檢測(cè)土中肥料壤濃度在作物生長(zhǎng)所需范圍內(nèi),能夠滿(mǎn)足控制精度與控制實(shí)時(shí)性要求。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試,所設(shè)計(jì)的水肥一體化灌溉系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足實(shí)際要求,節(jié)水、節(jié)肥效果顯著,具有一定的推廣價(jià)值。