基于模糊控制的自動灌溉系統的仿真和應用*

車守全，盧劍鋒，李宜汀，楊肖委

(貴州大學，貴州貴陽550025)

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基于模糊控制的自動灌溉系統的仿真和應用*

車守全，盧劍鋒，李宜汀，楊肖委

(貴州大學，貴州貴陽550025)

設計了一種基于模糊控制和電磁比例閥的自動灌溉系統，并進行了MATLAB仿真。該自動灌溉系統由傳感器、信號傳輸—接收裝置、控制單元和執行元件組成。根據設定的所需土壤濕度，采集各傳感器信號，用PLC做模糊控制運算，輸出控制信號到執行元件，控制電磁閥的開度，從而控制噴灌流量的大小。該方法設計了模糊控制輸入模擬量和閥開度的隸屬度函數，仿真結果顯示滿足預期的控制要求。最后，對系統的實際應用作了相關設計。

模糊控制 MATLAB仿真 自動灌溉 PLC

0 引言

隨著現代農業的發展，大棚種植以及大面積集中種植已經在很多地方應用，在傳統的灌溉系統中，工作效率低下的手動灌溉系統已經完全不能滿足現代農業的要求，即便是半自動化的灌溉，灌溉量也是人為判斷，不同的操作人員，灌溉效果差別很大，沒有很直接的參考意義。這也就要求配套的灌溉系統既能夠取代傳統農業的手動或者半自動化工作方式，同時工作過程也要高效、節能、節水[1-2]。

本文提出的自動灌溉系統，通過采集傳感器數據，作模糊控制運算，最后輸出運算結果，控制電磁閥開度，提高了自動控制過程的效率、精度和穩定性。

1 模糊控制自動灌溉系統

圖1 系統主從站分配

模糊控制自動灌溉系統的結構組成包括：土壤濕度傳感器、大氣溫度傳感器、土壤PH值傳感器、雨量傳感器、液位傳感器、高位水池、模糊控制單元、數據傳輸單元和執行單元—電磁比例閥以及泵。本文中的系統通過采集傳感器數據，在上位機中進行模糊控制運算之后，輸出控制模擬量到執行單元—電磁比例閥，改變電磁閥的開度，從而改變灌溉流量。同時，抽水泵將水抽到高位水池，高位水池和電磁閥有一定高度落差，水從高位水池經過過濾器過濾砂石，再經加壓泵流到電磁閥中，閥開啟之后進行灌溉。液位傳感器監測高位水池水量狀況，及時補充水源。主從站分配如圖1所示。其中，從站1、3、4使用帶模量輸入和數字量輸出的GPRS模塊，從站2使用帶模擬量輸出的GPRS模塊[3]。從站與主站實現長距離無線數據傳輸，主站與上位機通信。在上位機中實現狀態監控、數據匯總以及模糊控制運算。

2 模糊控制器的設計

2.1 輸入變量語言

在此系統中，模糊控制輸入變量有：土壤溫度傳感器、大氣濕度傳感器、土壤PH值傳感器、雨量傳感器。輸入值分別用tem、hum、ph、rafa表示，經過模糊化處理之后分別用TEM、HUN、PH、RAFA表示。定義其模糊集上的論域，都設為[0，10]，對應的模糊子集分別為：

TEM={寒冷(CO)，正常(C)，炎熱(HO)}；

HUM={干燥(DR)，正常(C)，濕潤(MO)}；

PH={過酸(AC)，正常(C)，過堿(AL)}；

RAFA={無降雨(N)，有降雨(Y)}。

其對應的隸屬度函數為論域上的gauss型連續函數為：

2.2 輸出變量語言

在此系統中，模糊控制輸出量為：控制電磁閥開度的電壓模擬量，用V表示，其在模糊集上的論域為[0,1]，模糊子集為：

V={關(CL)，微開(LO)，中開(MEO)，全開(AO)}。經反模糊化后[4]，對應輸出電壓值為v。

輸出量V的隸屬度函數為三角形：

2.3 建立模糊控制規則表

根據以上確立好的模糊子集和實際需要達到的經驗性判斷，不斷修正隸屬度函數和邏輯規則，得到了優化的控制規則，使得系統最終輸出的控制信號無論是在控制邏輯上、平順性上還是精度上都有了提升。

3 系統MATLAB仿真

在MATLAB中模糊控制模塊建立輸入量和輸出量的隸屬度函數，選用Mamdani控制器，反模糊化選用重心法(centroid),輸入圖2所示的模糊控制規則之后得到了如圖3 、圖4的輸出信號圖。圖3中可以看出， 閥門開度隨著土壤濕度和大氣溫度的變化得到了比較理想的輸出，隨著大氣溫度升高，土壤濕度降低時，閥的開度變大，隨著溫度降低，濕度變高，閥的開度也在減小。由圖4可以看到，在土壤濕度合適及濕潤時，PH值適宜作物生長時閥的開度最小，而在土壤過酸或者過堿的惡劣情況下，閥的開度都較大。圖5顯示了在四輸入分別為濕度正常，大氣溫度正常，無降雨量，PH值正常情況一下，對應閥的開度情況，此時閥的開度V基本為零。圖6顯示了四輸入分別為土壤濕度情況為干燥、大氣溫度炎熱、有較小降雨量、PH值偏酸的情況二下對應的閥的開度值，此時閥的開度V=0.76，閥的開度較大。將四個輸入量分別調節到不同的輸入量情況時，對應不同的模糊控制輸出值V，根據實際經驗，V符合現實生產的邏輯判斷，并且可以看出閥的響應曲線比較平順，沒有出現開度值急劇變化的響應情況。

圖2 控制規則表

GPRS模塊組成從站和主站，從站將監測數據發送給主站，主站匯總從站數據上傳給PLC和上位機PC，PLC做模糊控制運算和控制量輸出，PC做數據采集的監控和顯示，PLC與GPRS模塊通信方式為modbus協議。PLC將控制信號傳輸給主站，主站通過尋址方式分配給從站，從站輸出控制信號包含的數字量和控制閥開度的模擬量。以一個灌溉示范點為例，硬件選型和數量如表1所示。IO設備設置如圖7所示。

表1 硬件選型

圖7 IO設備設置

4 PLC的模糊控制方法

圖8 PLC模糊控制流程圖

本系統中使用的是S7-200型PLC，應用程序進行模糊控制運算。其具體的步驟如圖8所示。模糊邏輯查詢表可根據已經建立的MATLAB仿真內容在Simulink中生成[5-6]，生成后將查詢表放存入到PLC數據塊中。

PLC模糊運算程序包括主程序OB1[7]、初始化子程序0、中斷子程序0、子程序0、子程序1、子程序2、查詢表數據塊DB0。 掃描周期開始，程序執行主程序OB1，首次掃描時調用初始化程序0，對程序進行初始化，轉載模糊運算過程的參數、連接模糊控制終端服務程序。為了按一定的采樣頻率進行[8]，模糊運算在定時中斷內完成。中斷發生后，連接中斷子程序0，完成模糊運算的初始化，載入模糊運算的量化因子和比例因子等。再調用子程序0、子程序1、子程序2完成采樣數據的模糊化運算(將傳感器數據tep, hun,ph,rafa乘以量化因子模糊化為TEP , HUM,PH,RAFA)插值運算、反模糊化輸出(將輸出的模糊控制量V乘以比例因子輸出控制模擬量v)。其中，插值運算在調用查詢表數據塊DB0中完成。

量化因子的計算公式為：

其中R1、R2、M1、M2分別為實際測量值的上下限值和輸入量論域上下限值。

比例因子的計算方法為：

其中S1、S2、X1、X2分別表示輸出模擬量的上下限值和輸出量論域上下限值。

5 結論

本文設計了一種基于模糊控制的自動灌溉系統，首先傳感器采集土壤濕度、土壤PH值、大氣溫度、降雨量四個對農業種植有直接聯系的模擬量值，通過無線傳輸模塊將數據傳輸到PLC進行模糊運算，最終輸出控制閥開度的模擬量，從而控制灌溉流量。通過MATLAB仿真的情況可以看到，閥的開度值滿足現實控制情況要求，且輸出變化平緩，系統穩定性較好。同時介紹了將西門子S7-200型PLC作為模糊控制器的應用方法，并與真實系統的結合，有較好的實用性。

[1] 徐忠輝,潘衛國,石紅梅,等.自動灌溉控制系統的應用[J].北京水務，2010(5)：48-51.

[2] 李宜汀,盧劍鋒，楊肖委,潘振,等.基于PLC和GPRS模塊的山地智能灌溉系統[J].現代機械,2016(1):52 -54.

[3] 李家春,王永濤,張萍,等.基于PC和C8051F的模糊灌溉控制系統[J].中國農村水利水電,2012(4):61-63.

[4] 蔚東曉,賈霞彥.模糊控制的現狀與發展[J].自動化與儀器儀表,2006(6):4-7

[5] 邵文秀.模糊PID控制在工業色譜儀溫控系統中的應用[D].南京：南京工業大學，2004.

[6] 向虹霖.基于PLC的模糊控制應用研究[D].成都：西南石油大學，2010.

[7] 羅庚興.基于S7-300PLC的模糊控制器的設計[J].電氣自動化，2012，34(1):22-24.

[8] 王志凱，郭宗仁，李琰.用PLC實現模糊控制的兩種程序設計方法[J].工業控制計算機，2002，15(2)：61-63.

The simulation and application of the automatic irrigation system based on the fuzzy control

CHE Shouquan，LU Jianfeng，LI Yiting，YANG Xiaowei

An automatic irrigation system based on fuzzy control and electromagnetic proportion valve was designed, and simulation was carried out in MATLAB. This system consists of sensors, signal transmitting -receiving devices, control unit and executive components. The sensor signal was collected to do the fuzzy operation process by PLC, according soil moisture needed. The control signal is export to the executive component to control the opening of the solenoid valve, the flow of spray Irrigation was controlled. This method designed the analog input of fuzzy control and membership function of the opening of the solenoid valve, considering the practical application of the system. The simulation results reveal this system meet the expected control requirements.

fuzzy control, MATLAB simulation, automatic irrigation, PLC

TP273+.4

A

1002-6886(2016)06-0081-04

貴州省科技計劃(工業攻關)，黔科合GY字[2014]3025。

車守全(1992-)，貴州納雍人，貴州大學機械電子工程碩士研究生。

2016-05-26