基于模糊控制的溫室灌溉施肥控制系統

周亮亮，柯建宏

(昆明理工大學 機電工程學院，云南 昆明 650093)

近年來，科學技術的不斷發展，促進了溫室農業的高速發展。溫室是在充分利用自然環境條件的基礎上，改善或創造更佳的環境小氣候，為植物生長提供良好的環境條件。溫室栽培能更高效、均衡地生產各種蔬菜、花卉等。云南省處于我國的西南部，具有優越的氣候條件，溫室技術得到了迅速發展，目前全省2 000 hm2溫室，絕大多數用于花卉栽培，鮮花產量已連續多年居全國第一［1］。溫室中影響植物生長的環境因子主要有溫度、光照度、CO2濃度、土壤肥力等，溫室通過控制這些因子來獲得作物最佳生長條件。土壤肥力是溫室栽培中影響著植物生長的重要因素，發展灌溉施肥技術就是為了在保證作物生長需求的情況下節約用水用肥，節省勞動力，提高產量。目前微噴灌技術的發展促進了水肥技術的發展。水肥技術就是將作物所需的養分溶于水，形成高濃度的營養液母液，在作物需要施肥時，將營養液母液與水混合成一定濃度的營養液，通過微灌系統提供給作物［2］。

國外由于灌溉施肥技術發展時間長，電子技術水平較高，人工成本高，所以與灌溉施肥技術配套的自動控制系統也較完善和先進，從微灌設備的應用轉向微灌施肥一體化，并在設備選型、灌溉制度、施肥配比、栽培管理及自動化控制等方面進行綜合研究利用、成效顯著［3］。而這一節水節肥高效的先進栽培技術在我國還屬于起步階段。國內在這方面還沒有一套實用及科學的產品，灌溉及施肥系統的自動化程度還很低，更沒有智能型的自動灌溉施肥系統。目前我國溫室中采用的微灌設備幾乎都是從農業園林設施發達的歐美國家引進。而國外成套引進的系統成本較高［4］。因此。國內急需價格低廉、自動化程度較高的灌溉及施肥控制系統。

作者介紹一套上位機用 PC和下位機用 PLC，在溫室條件下實現自動灌溉施肥及營養液濃度自動控制的微灌系統，該系統能夠按植物所需營養液濃度進行自動混合。并且可以通過用戶界面輸入控制指令、監控系統工作、查詢系統信息等。

1 系統的組成及原理

現代化溫室微灌系統中的農作物所需養分絕大部分從營養液中獲取，所以在灌溉施肥過程中要將適合作物生長的一定濃度的營養液通過灌溉水提供給作物。

營養液與水的混合是在灌溉過程中進行的。因此，肥料和水的在線混合、混合罐中濃度的檢測和反饋控制是一個實時控制系統。灌溉施肥系統的組成如圖1所示。系統由控制箱 (PC作上位機與PLC作下位機)、灌溉管路、肥液混合灌、文丘里管、過濾器、pH值/EC值傳感器、液位控制閥、各種電磁閥 (根據施加肥料種類的不同可有多個，圖中僅示出2個)等幾部分組成。

當水泵運行時，水流由進水口進入主管道，主管道中的水在穩壓閥的作用下以恒定壓力流動。水流經液位控制閥流進肥液混合罐，同時，由于水在文丘里管里流動，在電磁閥1處產生負壓，若開啟電池閥，就可以吸取肥料和吸酸堿液了，開啟時間的長短由模糊控制輸出的輸出量傳給PLC從而控制電池閥的開閉。肥液由文丘里管流進混合罐與主管道中的水在混合罐中在線混合，當混合罐中的液

圖1 灌溉施肥系統組成

位達到設定的高度時，此時關閉主管道的液位控制閥，從而主管道的水就停止流入混合罐了。當肥料濃度控制在給定的范圍之內時，開啟電磁閥2，通過加壓泵輸送到分區管道，水肥流向灌水器 (如微噴頭、滴灌器等)完成作物的灌溉施肥。在每個灌溉施肥支路上裝有一個電磁閥，當作物需要灌溉施肥時，則打開該支路上的控制電磁閥從而達到高效灌溉施肥。

2 模糊控制器設計

系統主要是實施對施肥濃度的控制。肥料由水作載體提供給植物，同時又給作物提供了水分。施肥控制包括施肥量控制及營養液濃度控制。施肥量控制采用時序控制，由用戶輸入施肥時間及周期，或直接手動控制施肥。營養液混合采用模糊控制，按作物所需營養液濃度，自動進行營養液的混合。

由于營養液的混合是在混合罐中在線進行，即營養液混合系統是一個實時的、大延遲的、有不確定因素的復雜系統，系統的滯后和慣性都很大，傳遞函數很難確定。又因為控制系統的執行機構是只有2種工作狀態的開關電磁閥，用傳統控制方法不易得到較好的控制結果，因此系統選用模糊邏輯控制方法［5］。

模糊控制器是模糊控制系統的核心，一個模糊控制系統的性能優劣，主要取決于模糊控制器的結構、所采用的模糊規則、合成推理算法，以及模糊決策的方法等因素。

圖2 模糊控制器的組成

模糊控制器的組成如圖2所示，模糊控制器與常用的負反饋閉環系統相似，不同的是控制裝置由模糊控制器來實現。模糊邏輯控制由輸入模糊化、模糊控制規則、模糊決策、模糊判決等部分組成。首先，決定每個模糊變量，包括若干語言變量的模糊語言集、等級劃分及相應的論域。輸入變量模糊化后即對應于一定等級的一定隸屬度。然后根據操作人員的經驗制定輸入變量、輸出控制變量論域中不同等級對應模糊集中各個語言變量的隸屬度。模糊控制規則是根據控制系統的操作人員的經驗總結出來的。它的形式為語言變量表示的模糊條件語句。經過以模糊規則為基礎的模糊決策，可得到控制作用的模糊集。然后用模糊判決方法得到輸出控制變量論域中的等級數，再經過輸出精確化，即可輸出控制指令。經過模糊決策及模糊判決得到模糊控制表，采用的方法是查表離線計算法，具體就是根據人為經驗事先離線計算出一個模糊控制表，并通過實際試驗對模糊控制表進行優化，把優化后的模糊控制表存在PLC中，在實際控制過程中通過讀取表中的數據進行一定程度的變換，就可以實現預期的控制目的。

系統在線營養液混合控制系統中采用二維模糊控制器，模糊控制系統結構如圖3所示。以濃度偏差e和偏差變化率de/dt作為控制器的輸入，以控制電磁閥開啟的控制時間t為輸出量。輸入輸出變量模糊語言詞匯的數量要根據實際情況而定，描述詞匯用得多，可以使制定的控制規則更全面，但是控制規則相應變得復雜。一般情況下，選擇5個或7個詞匯比較合適，語言變量個數可根據實際需要而定。因系統延遲很大，并且由于混合罐中水流的旋轉混合方式使檢測到的pH值、EC值的波動大，e和de/dt的模糊語言值和論域等級不宜過多，所以選取e的基本論域為 ［-0.5，0.5］，對應的模糊集E選擇5個語言變量，分別為負大 (NB)、負小 (NS)、零 (Z)、正小 (PS)、正大 (PB)，量化論域為 {-4， -3， -2， -1，0，1，2，3，4}，則濃度偏差的量化因子k1=8。濃度偏差變化率的基本論域 ［-1，1］，對應的輸入變量模糊集EC選擇5個語言變量和E模糊集一樣，量化論域為 {-4， -3， -2， -1，0，1，2，3，4}，則濃度偏差變化率的量化因子k2=4。輸出變量 t的基本論域為 ［0，12］，輸出變量模糊集 T分為4個模糊詞集，分別為零 (Z)、短時 (DS)、中時(ZS)、長時 (CS)，量化論域為 {0，1，2，3}，輸出控制量的比例因子ku=12/3=4。

模糊控制器的輸入輸出變量的隸屬度函數如圖4-6。

圖3 灌溉施肥模糊控制器的詳細結構

圖4 濃度偏差變量模糊集E的隸屬度函數

圖5 輸入變量模糊集EC的隸屬度函數

圖6 輸出變量模糊集T的隸屬度函數

模糊控制規則。根據系統特性、操作人員經驗及Mamdani極大極小模糊推理與重心法模糊判決，離線計算，并在實際實驗中不斷優化，得到模糊控制表1。強地走向比設定濃度更低的趨勢，這時輸出為CS，就是長時的意思。

表1 輸出模糊變量T的模糊控制規則

圖7為Matlab中模糊控制模塊的Mamdani型輸出特性的曲面。在實際的應用中，根據現場的不同情況對控制規則進行相應調整，逐漸形成最優控制方案。模糊控制系統輸出的是輸出量的量化等級，不是直接控制電磁閥開啟的精確時間。控制最終結果的量化等級要乘以比例因子ku，這才得到電磁閥開啟的時間。如圖6中EC取3，E取3，輸出T為2，乘以比例因子得到電磁閥開啟時間為8 min。

表1說明，當E的真值集為NB和NS時輸出EC都為ZE，即吸肥管道中的電磁閥不動作，因為主管道的水是事先流進混合罐的，吸肥管道的電磁閥是通過模糊控制器的輸出給PLC信號來控制電磁閥的間隔的通斷，在這個過程中，肥液的濃度不會超過給定濃度的，此時不管誤差變化方向如何，輸出量變化皆為0等級，故電磁閥是不會動作的。只有當偏差為正小 (PS)時、正大 (PB)時，才有相應的輸出。最后將模糊控制表固存在PLC中。

系統采用雙輸入單輸出模糊控制器，其控制規則可寫成“if-and-then”條件語句，選取其中2條語句加以解釋。

if E=PB and EC=NB then T=DS。E=PB意思是當EC傳感器測得的營養液的電導率比設定值低得多的時候，e才會出現正大值，而EC為NB，就是營養液的濃度有很快地走向設定濃度的趨勢，這時輸出為DS，就是短時的意思。

if E=PS and EC=PB then T=CS。E=PS意思是當EC傳感器測得的營養液的電導率比設定值稍微低的時候，而EC=PB意思是營養液的濃度有很

圖7 輸出T特性的曲面

3 系統軟件設計

本系統控制軟件包括3個部分，即 PLC控制程序、PC機控制程序和PC與PLC之間的通信程序［6］。PLC作為整個控制系統的下位機，主要控制電磁閥的通斷時長，該程序的編制是利用三菱公司的梯形圖編程軟件——GX Developer。PC作為上位機，采用組態軟件“組態王”進行設計，編制的界面要符合操作人員的人機界面習慣，組態技術是計算機控制技術的關鍵，應用組態技術可以開發出工業控制系統的實時監控軟件，從而保證控制系統的可靠性和控制質量。當系統啟動后，首先由操作者輸入灌溉時間、施加營養液的時間、營養液濃度等設定值，鍵下開始工作指令后，控制程序開始運行。運行過程中，可實時監控并報警，系統數據可查閱。

4 小結

自動灌溉施肥系統在我國還處于初級嘗試的應用階段，自動化程度還比較低，這方面的控制器應用還比較少。本文介紹了模糊控制思想，并建立了模糊控制模型，它不依賴于精確的數學模型。EC傳感器所測得的混合罐中的營養液導電率的變化情況，傳入PLC控制程序中，與離線設計好并嵌入的模糊控制表作比較，不斷查詢PLC中模糊控制表，而后由PLC控制吸肥管路的電磁閥的通斷時長來獲得植物所要灌溉的營養液濃度，控制精度和實時性較好。實驗結果表明，本系統工作可靠，控制精度能夠滿足農藝要求。

［1］ 陳剛，柯建宏.云南連棟玻璃溫室的溫度影響因子及調控措施 ［J］.廣東農業科學，2008(10):113-125.

［2］ 張承林，郭彥彪.灌溉施肥技術 ［M］.北京:化工工業出版社，2006.

［3］ 李久生，滴灌施肥灌溉原理與應用 ［M］.北京:中國農業科學技術出版社，2003(1):2-25.

［4］ 顧寄南，毛罕平.國內外設施栽培綜合環境控制技術及其發展 ［J］.農業現代化研究，1999，20(3):184-186.

［5］ 李銳，袁軍，谷海穎，等.單片機實現自動灌溉施肥系統［J］.計算機應用，2001(1):219-221.

［6］ 謝克明，夏路易.可編程控制器原理與程序設計 ［M］.北京:電子工業出版社，2002.