水肥精量配比灌溉系統設計

張育斌，魏正英，簡 寧，涂晶潔，朱火美

(1.西安交通大學 機械制造系統工程國家重點實驗室，西安 710054；2.寧波大紅鷹學院，浙江 寧波 315175)

水肥精量配比灌溉系統設計

張育斌1,2，魏正英1，簡 寧1，涂晶潔2，朱火美2

(1.西安交通大學 機械制造系統工程國家重點實驗室，西安 710054；2.寧波大紅鷹學院，浙江 寧波 315175)

精確地控制農業灌溉中的水肥配比，能夠很好地促進農作物的生長，大大提高化肥利用率。為此，開發了一套水肥精量配比灌溉系統，采用水路和肥路混合的方法，利用直流調速器控制泵來調節管道中水肥流量，從而實現水肥配比。該系統采用遺傳算法優化的模糊PID模型作為控制策略來實現精量配比控制，進一步完善了傳統PID的控制性能。實驗結果表明：該系統成功實現了水肥精量配比，有效地提高了灌溉精度，具有一定的推廣性和應用價值。

灌溉系統；水肥精量配比；遺傳算法；模糊PID

0 引言

精量灌溉是近年來發展起來的一種節水灌溉技術，利用該技術不僅能夠有效地提高灌溉水的利用率及作物的產量和品質，而且能夠充分利用化肥和農藥，避免多余化肥和農藥污染農田生態環境[1-2]。

實踐證明，當肥與水的比例小于3‰時，作物對肥的吸收效果最好，這也是精量灌溉的目標[3]。國內對于精量灌溉控制的研究也有很多，尤其是最近幾年，陸續出現了很多新的灌溉技術。江蘇大學的戴春霞、趙德安等[4]開發了一套以ARM為核心智能精量灌溉系統，設計了基于ARM920T內核的嵌入式控制系統，并將控制系統引入設施栽培自動灌溉控制中。天津大學李葒娜、許鎮琳等[5]設計了一套以單片機為核心、圍繞PID控制技術的自動施肥系統，能夠自動供給營養液的灌溉控制系統模型，實現了肥液濃度的調控。但是，這些僅僅是單獨針對水路或者肥路所進行的調控，并未在水肥配比方向上做相關研究。

本文深入研究了PID控制，建立了遺傳算法優化的模糊PID(Fuzzy PID)控制模型，有效解決了不確定、非線性對象的PID參數整定問題，并設計了可以同時完成氮肥、磷肥、鉀肥和微量元素四路肥灌溉的系統，成功實現了水肥精量配比，從而大大提高了灌溉效率。

1 總體方案確定

水肥精量灌溉的目標是精確控制灌溉中的水肥比例，選擇合適的控制方式和控制策略極為關鍵。本系統采用新華龍C8051F120單片機作為核心控制工具，根據不同作物的需求，通過檢測水的流量來計算所需要的肥量，配合直流調速器對泵的控制來完成水肥的精量配比。該系統采用遺傳算法優化的Fuzzy PID模型作為控制策略，對系統需要控制的輸出量進行預測，然后根據預測量調整系統的控制參數，從而達到更好的控制效果，總體方案如圖1所示。

圖1 系統總體框架圖

2 水肥精量配比灌溉控制機

2.1 灌溉控制機結構設計

根據灌溉控制機的主要功能，采用水路和肥路兩路混合的方法進行設計。系統包含一個主水路和4個肥路，4個支路分為對應氮肥、磷肥、鉀肥和微量元素4種肥，水路和肥路配有電磁閥、流量計、泵、壓力表及過濾器。電磁閥控制灌溉的啟停，完成吸肥的切換；流量計則用于監測管道中的流量情況；微型水泵和直流調速器配合，完成水泵的轉速調節，控制吸肥速度和流量；壓力表和過濾器等器件用于獲取管路壓力，防止管路的阻塞。結合精量水肥灌溉控制機的功能要求和機械設計原則，最終設計的控制機三維結構如圖2所示。

圖2 精量水肥灌溉控制機結構圖

2.2 控制硬件系統設計

灌溉控制機控制系統采用新華龍C8051F120單片機作為核心處理器，根據功能需求搭建外圍的電路，主要由串口通信電路、流量信號采集電路、繼電器控制電路及水泵控制電路4部分構成，同時配合串口觸摸屏實現界面顯示以及觸摸控制。整個系統的硬件結構如圖3所示。

圖3 硬件電路結構圖

3 精量配比灌溉控制策略

3.1 PID控制原理

PID控制器是一種將偏差的比例、微分和積分通過線性組合，實現控制量對被控對象進行控制的系統[6]。控制原理如圖4所示。

圖4 PID控制原理

PID控制器的輸入e(t)和輸出u(t)關系為

(1)

其中，Kp表示比例系數；Ki代表積分系數；Kd代表微分系數。

PID控制器具有結構簡單、良好穩定性及工作可靠等優點[7]。面對非線性、具有較大時變的系統時，其控制器的三大參數Kp、Ki、Kd難以整定，而且一組整定參數遠不能滿足控制需要。因此，傳統PID控制器具有相當大的局限性，需要引入一套新的算法進行改善。

3.2 Fuzzy PID控制模型

1)模糊控制的原理是將測得的系統輸入參數按一定規則進行模糊化處理，得到模糊量并輸入到模糊推理系統，經過模糊推理和決策，得到系統的模糊輸出量，最后將模糊輸出量進行去模糊化處理，得到系統的精確輸出量，作用到控制對象。

2)模糊PID控制器主要由參數可調的PID控制器和模糊控制系統兩大部分組成[8]。模糊控制系統通過對PID的3個可調整參數的修正，完成對系統的控制。控制原理如圖5所示。

圖5 模糊PID控制原理

PID控制器的3個參數Kp、Ki和Kd與誤差e、誤差變化率ec存在如下的關系：

1)當|e|較大時，應當通過適當加大Kp、減小Kd和Ki來加快系統的響應速度，同時也避免系統的超調量過大。

2)當|e|處于中等大小時，應當通過適當減小Kp、增大Ki來提高系統的響應速度，減小系統響應的超調。

3)當|e|較小時，應當取適當的Kd，取較大的Kp和Ki，可以使系統繼續保持穩定，而且在平衡點也不會出現振蕩[9]。

模糊推理系統是將經過模糊化處理的誤差e和誤差的變化率ec作為模糊系統的輸入，把PID的3個整定參數作為模糊系統輸出。根據模糊理論，可以定義e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊集均為{負大、負小、零、正小、正大}，表示為{NB、NS、ZO、PS、PB}[10]。其中，e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd論域的范圍定義為[-3，3]。

三角形隸屬函數具有形狀簡單、計算方便及占用內存小等特點[11]。這里采用三角形作為誤差e、誤差變化率ec，以及修正參數ΔKp、ΔKi、ΔKd的隸屬度函數，如圖6所示。

圖6 控制變量隸屬函數

根據專家經驗所得的模糊推理規則如表1所示[12]。

表1 ΔKp、ΔKi、ΔKd模糊推理規則

3.3 遺傳模糊PID控制模型

基于遺傳優化的模糊PID控制模型主要包含兩個部分：模糊PID控制器和遺傳算法[13]。控制對象是直流調速器控制的肥路水泵，控制反饋值是流量計采集到的肥流量，控制結構模型如圖7所示。

圖7 遺傳優化的模糊PID控制模型

3.3.1 染色體編碼

二進制編碼具有編碼操作簡單易行、便于實現選擇、交叉和變異等遺傳操作等特點，成為了一種最廣泛的編碼方式[14]。本文對兩個輸入變量e、ec和3個輸出變量ΔKp、ΔKi、ΔKd這5個參數的模糊語言集合{NB、NS、ZO、PS、PB}采用二進制編碼方法，分別對應{001、010、011、100、101}。一個輸出變量對應25種規則，3個輸出變量對應75種規則，每條規則包含3位，因此個體總長度為225。

3.3.2 適應度函數選取

(2)

3.3.3 遺傳操作

本文初步選用比例選擇算子來進行選擇操作，采用算數雜交來進行叉操作，采用高斯變異算子來進行變異操作[16]。

遺傳運行參數選定結果如表2所示。

表2 遺傳算法運行參數

4 實驗分析驗證

4.1 仿真分析

灌溉系統將管路中水肥流量的比例作為實驗對象，在MatLab系統的SIMULINK環境下編寫遺傳算法函數GA-Function，利用SIMULINK模塊庫FuzzyLogicToolbox建立相應的遺傳FuzzyPID模型，采用階躍輸入信號對該模型進行仿真實驗，結果如圖8所示。

圖8 模型仿真圖

由圖8中可以看出：遺傳模糊PID模型相比于模糊PID具有較高的系統穩定性、較短的系統響應上升時間和調節時間，證明了該模型具有更好的控制性和魯棒性。

4.2 系統驗證

利用控制系統中的C8051F120單片機對其中水路通道和肥路通道進行實時采集。將水路采集的電壓信號轉換為流量值后乘以水肥配比值來作為肥路流量的動態預設值，而肥路的電壓信號轉換為流量值后直接作為實際肥量。實時肥路流量進行調控然后，再次進行采集對比，如此循環來實現肥路流量與水路流量比的恒定，從而達到精量控制的目的。設置水路流量為1L，肥路流量為60mL，所得的水肥配比結果如圖9所示。待灌溉系統穩定后檢測到的水路流量控制效果如圖10所示，肥路流量控制效果如圖11所示。

圖9 水肥配比效果比較

圖10 水路控制情況

圖11 肥路控制情況

實驗結果表明：整套系統能準確地控制各個管路中的流量值，具有較高的精度；同時，遺傳FuzzyPID模型使得系統在5s左右達到預設的水肥配比值，響應時間短，配比精度高，成功實現了水肥精量配比灌溉。灌溉控制機實物如圖12所示。

圖12 灌溉控制機實物

5 結論

1)采用遺傳算法和模糊控制的結合，有效解決了傳統PID控制在面向不確定、非線性對象時的局限性，相應的遺傳FuzzyPID模型具有良好的控制性和魯棒性。

2)該灌溉控制機可以同時完成氮肥、磷肥、鉀肥和微量元素4路肥的灌溉，并成功實現了水肥的精量配比，有效地提高了灌溉效率和精度，為農業精量灌溉提供技術支持。

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Design of Water and Fertilizer Precision Ratio Irrigation System

Zhang Yubin1,2， Wei Zhengying1， Jian Ning1， Tu Jingjie2， Zhu Huomei2

(1.State Key Laboratory of Manufacturing System Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710054，China;2．Ningbo Dahongying University，Ningbo 315171，China)

Precise control of ratio of water and fertilizer in agricultural irrigation can well promote crop’s growth and greatly improve the utilization rate of fertilizer. This paper designs a water and fertilizer precision ratio irrigation system which applies the method of mixed water and fertilizer can regulate the flow of water and fertilizer by pump which is controlled by DC speed governor so as to realize the ratio of water and fertilizer. Control system applies the fuzzy PID model optimized by genetic algorithm to achieve the precision ratio control of water and fertilizer, which improve the traditional PID performance further. The ultimate experimental results show that the system can effectively improve the irrigation accuracy and successfully realize the precise ratio irrigation of water and fertilizer, which has certain popularization and application value.

irrigation system； the precise ratio of water and fertilizer； genetic algorithm； Fuzzy PID

2016-09-21

“十三五”國家重點研發計劃項目(2016YFC0400202)；“十二五”國家科技支撐計劃項目(2015BAD24B00)；浙江省公益項目(2014C31163)；浙江省教育廳科研項目(Y2014326 54)；陜西省科學技術研究發展計劃項目(2014K01-33-02)；西安市現代農業創新計劃項目(NC1310[1])

張育斌(1985-)，男，浙江寧波人，助理研究員，博士研究生，(E-mail)lzlgdx08-2@163.com。

S277.9+9

A

1003-188X(2017)12-0107-05