基于模糊PID控制的水肥一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李曉曉， 宋 健， 魏文慶

(1.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590； 2.濰坊學(xué)院 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，山東 濰坊 261061)

0 引 言

隨著我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展，可溶性固體和液體肥料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已得到推廣和普及。水肥一體化系統(tǒng)能將可溶性固體或液體肥料配兌成的肥液與水在管道內(nèi)混合均勻，調(diào)整到適宜濃度，定時(shí)和定量輸送給作物，達(dá)到作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)[1]。

隨著現(xiàn)代智能技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)和PLC等控制器與傳感器技術(shù)運(yùn)用到水肥一體化系統(tǒng)中，國內(nèi)一些學(xué)者和技術(shù)研究員對水肥一體化系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)。吳景來等[2]基于PLC創(chuàng)建模糊控制模型，用于調(diào)整水肥濃度，但精度要求不高。PLC具有穩(wěn)定性高、編程靈活等一系列優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制行業(yè)上已得到廣泛的應(yīng)用[3-4]。本文基于PLC控制的穩(wěn)定性，在傳統(tǒng)PID基礎(chǔ)上結(jié)合模糊控制來精準(zhǔn)調(diào)控肥液濃度EC值來滿足農(nóng)作物不同生長階段的水肥濃度，節(jié)省肥料，促進(jìn)生長[5-7]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

本系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、檢測裝置、混肥裝置、輔助裝置等構(gòu)成，如圖1所示。

1-控制系統(tǒng),2-水源,3-恒壓供水,4-過濾裝置,5-混肥泵,6-EC傳感器,7-pH傳感器,8-電磁閥,9-文丘里射流器,10-Y型過慮器,11-水桶,12-渦輪流量計(jì),13-壓力傳感器,14-灌溉區(qū)域

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

控制系統(tǒng)包括控制器和觸摸屏，控制器為西門子PLC S7-200SMART，CPU類型為ST20，有2個(gè)高速脈沖輸出，自帶1個(gè)RS-485通信接口，便于觸摸屏連接，同時(shí)擴(kuò)展模擬量輸入模塊AE04，帶4個(gè)模擬量輸入。觸摸屏為昆侖通態(tài)觸摸屏，型號為TPC7062TX(KX)，配有RS-485通信口，便于與PLC通信，可以控制與監(jiān)察系統(tǒng)[8-9]。混肥裝置包括文丘里射流器、混肥泵、肥料桶(250 L)和電磁閥(DC24 V)。輔助裝置包括恒壓供水裝置、過濾裝置以及擴(kuò)散硅芯片壓力傳感器(量程為0～6 MPa)和渦輪流量計(jì)(脈沖輸出)，用來設(shè)置進(jìn)水壓力過濾水源，并檢測出水壓力和流量。

水經(jīng)管道流經(jīng)3個(gè)并聯(lián)文丘里射流器，在窄處，產(chǎn)生壓差，控制電磁閥開啟從肥料桶吸肥，設(shè)定兩路吸肥，一路吸酸。水和肥液經(jīng)文丘里混合均勻后，在混肥管道恒壓二次混合，此過程會循環(huán)流經(jīng)檢測裝置，內(nèi)安有管道插入式塑料EC傳感器(量程為0～4 ms/cm)和工業(yè)pH傳感器(量程為0～14pH)，檢測EC和pH值[10-11]，傳送信號給PLC控制電磁閥開啟。

2 系統(tǒng)控制方法設(shè)計(jì)

2.1 EC調(diào)控模型分析

參考實(shí)際的施肥狀況，認(rèn)為EC調(diào)控可以用一階滯后模型。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于進(jìn)水壓力有恒壓系統(tǒng)調(diào)控，流量和壓力認(rèn)為基本不變，水肥一體化裝置內(nèi)的肥液體積VL是不變的，可以假定水肥一體化裝置內(nèi)肥液的濃度和出水管中的相等，將進(jìn)出水口的流量都看成相同常量為Q0。同時(shí)，E0表示進(jìn)水口中清水的EC值。裝置使用的并聯(lián)式文丘里可同時(shí)對2個(gè)肥料桶的肥液進(jìn)行吸取，N(t)表示吸肥電磁閥開啟的占空比。設(shè)定2個(gè)吸肥路桶內(nèi)肥液EC值相同，用EL表示，QW為電磁閥一直開啟的情況下文丘里的最大吸肥量。由于EC值與肥液濃度成正比，根據(jù)質(zhì)量守恒定理，有:

(1)

實(shí)際運(yùn)行過程中，通過恒壓供水系統(tǒng)測試不同壓力下出口流量和電磁閥全開時(shí)的吸肥量，由于壓力在50 kPa以下，管道未充滿，測試從50 kPa開始，見表1。

表1 流量檢測表

根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)，壓力選擇在100 kPa，此時(shí)進(jìn)出口流量Q0=1.93 L/s，電磁閥吸肥流量QW=74 mL/s，清水EC值E0為0，肥料母液EC值EL為4 ms/cm，運(yùn)行時(shí)水肥機(jī)內(nèi)液體積為15.4 L,代入式(1)，經(jīng)拉普拉斯變換，得:

(2)

由于系統(tǒng)有8 s的滯后，由式(2)可得傳遞函數(shù)為

(3)

2.2 傳統(tǒng)PID控制器

傳統(tǒng)PID控制器的控制為：

(4)

e(t)=r(t)-y(t)

(5)

式中:u(t)為控制信號;e(t)是誤差信號;r(t)是輸入信號;y(t)是傳感器檢測轉(zhuǎn)換的輸出信號;Kp，Ki，Kd分別是PID控制的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。使用N-Z整定法得出傳統(tǒng)PID器的Kp=1.5，Ki=0.189，Kd=2.5[12]。

施肥過程中，傳統(tǒng)PID算法簡單，有較好地魯棒性，但其參數(shù)整定方法復(fù)雜，且參數(shù)固定對水肥一體化這種大慣性和參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)調(diào)控性能欠佳[13-15]。

2.3 模糊PID控制器

模糊PID控制是在傳統(tǒng)PID控制基礎(chǔ)上運(yùn)用模糊理論將專家或操作者的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槟：刂埔?guī)則存入模糊規(guī)則庫中，根據(jù)傳感器檢測的實(shí)時(shí)輸入量，進(jìn)行模糊推理，自動(dòng)調(diào)整PID的3個(gè)參數(shù)，實(shí)時(shí)得到最優(yōu)參數(shù)，構(gòu)成模糊PID控制算法，以對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)和精準(zhǔn)的控制，如圖2所示。

圖2 模糊PID控制流程圖

模糊控制采用2個(gè)輸入量，濃度偏差e和濃度偏差變化率ec,以及3個(gè)輸出量，比例系數(shù)變化值ΔKp、積分系數(shù)變化值ΔKi和微分系數(shù)變化值ΔKd。其輸入量和輸出量用7個(gè)模糊子集進(jìn)行描述， 即 NB(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)小)、ZE(適宜)、PS(正小) 、PM(正中)、PB(正大)，其量化論域都為{-3，-2，-1，0，1，2，3}。

濃度偏差e的基本論域?yàn)閇-1，1]，量化比例因子K1為3，濃度偏差變化率ec的基本論域?yàn)閇-0.3，0.3]，量化比例因子K2為10；比例系數(shù)變化值ΔKP基本論域?yàn)閇-1，1]，量化比例因子K3為1/3；積分系數(shù)變化值ΔKi基本論域?yàn)閇-0.3，0.3]，量化比例因子K4為1/10；微分系數(shù)變化值ΔKd基本論域?yàn)閇-2，2]，量化比例因子K5為2/3。設(shè)置Kp0為1.5，Ki0為0.189，Kd0為2.5。可以計(jì)算出Kp、Ki和Kd。根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)以及系統(tǒng)需求制定模糊規(guī)則，見表2。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

3.1 MATLAB仿真

運(yùn)用MATLAB的FIS模塊，由于輸入輸出的模糊論域都一樣，都選用三角形隸屬函數(shù)，如圖3所示。

由于本文為兩輸入-三輸出模糊PID控制器，其規(guī)則語句為: “若eis NB Andecis NB，則ΔKpis PB And ΔKiis NB And ΔKdis PS”。根據(jù)表2，在FIS模塊設(shè)置49條規(guī)則，并導(dǎo)出模糊規(guī)則離線查詢表。采用面積重心法解模糊，在Simulink模塊搭建傳統(tǒng)PID和Fuzzy PID施肥系統(tǒng)模型，如圖4所示。設(shè)置系統(tǒng)單位階躍信號為1，啟動(dòng)運(yùn)行，其仿真曲線如圖5所示。結(jié)果顯示傳統(tǒng)PID超調(diào)量大，達(dá)到穩(wěn)態(tài)慢，模糊PID控制比傳統(tǒng)PID在超調(diào)量和達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間有明顯提升，即超調(diào)量減少8%，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間減少20 s。

表2 ΔKp、ΔKi、ΔKd模糊規(guī)則表

圖3 隸屬函數(shù)圖

3.2 施肥實(shí)驗(yàn)

運(yùn)用軟件STEP 7-MicroWIN SMARTST在西門子PLC S7-200SMART中導(dǎo)入模糊規(guī)則離線查詢表和模糊PID控制器程序。運(yùn)用基于Windows平臺的MCGS組態(tài)軟件構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動(dòng)，進(jìn)入初始界面，用戶登錄后，進(jìn)入監(jiān)控主界面，可顯示EC、pH、壓力和流量，運(yùn)行時(shí)間和距離下次運(yùn)行的時(shí)間，根據(jù)需求手動(dòng)或自動(dòng)運(yùn)行，自動(dòng)模式通過參數(shù)設(shè)定設(shè)定運(yùn)行模式，啟動(dòng)運(yùn)行。同時(shí)可以查看歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，主監(jiān)控界面如圖6所示。

圖4 模糊PID控制和傳統(tǒng)PID控制模型

圖5 單位階躍響應(yīng)曲線

圖6 主監(jiān)控界面

系統(tǒng)在試驗(yàn)基地測試，實(shí)驗(yàn)水源EC值為0，肥料選用硫酸二氫鈉，配置肥液濃度為4.0 ms/cm，運(yùn)用恒壓供水系統(tǒng)，調(diào)節(jié)管道壓力在0.1 MPa壓力下，設(shè)定EC值為1.0 ms/cm，在觸摸屏設(shè)定參數(shù)啟動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示系統(tǒng)超調(diào)量小于2%，并在60 s內(nèi)到達(dá)穩(wěn)定，符合系統(tǒng)要求，繪制EC變化曲線如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)EC變化曲線

4 結(jié) 語

本文建立了基于EC調(diào)控的一階滯后線性統(tǒng)模型，在傳統(tǒng)PID基礎(chǔ)上構(gòu)建模糊PID，在MATLAB上仿真，結(jié)果顯示模糊PID比傳統(tǒng)PID在超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)時(shí)間方面有明顯改善。

基于PLC運(yùn)行的穩(wěn)定性，在PLC導(dǎo)入模糊PID控制器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示系統(tǒng)在超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)時(shí)間方面與仿真相符，且符合系統(tǒng)要求，證明該系統(tǒng)可行。