模糊控制在溫室節水灌溉中的研究與應用
——以滿城縣草莓溫室灌溉為例

張德田 李春花 艾建軍

(保定職業技術學院，河北 保定 071000)

0 研究背景

30多年來，滿城縣有著“中國草莓之鄉”的美稱。該縣草莓種植面積廣，年產量高，居全國領先地位。草莓種植是“農民致富的好路子”。采摘期從元旦前至第二年6月份，長達8個月。滿城草莓雖然基礎很好，但管理比較粗放。當年10月下旬扣棚，次年6月結束，扣棚期長達8個月。棚內澆水多采用大水漫灌，水源得不到充分利用，而且對作物生長不利。改變棚室灌溉方式勢在必行。

1 控制思想

草莓灌溉需遵循“濕而不澇、干而不旱”的原則。草莓一般在果實膨大期至采摘結束共灌溉3～4次。草莓根系大多分布于地表向下15厘米，滴水宜少量多次，土壤濕度保持在50%～60%。但是土壤水分環境是一個非線性環節，具有大慣性、時滯性、耦合性的特點，難以建立準確的數學模型。因此，將模糊控制理論引入灌溉控制系統，以其強魯棒性滿足系統的控制要求，動態性能較好。

2 控制系統的結構

以土壤水分為研究對象，確定作物需水信息，實現合理灌溉，土壤太干時增大灌溉量，太濕時減少灌溉量，達到節水灌溉的目的。采用閉環控制的思想，通過紅外線熱電偶采集土壤溫度信息，把檢測的土壤水分含量反饋到控制系統，將實時采集到的土壤水分和原先設定好的土壤界限值進行比較,構成一個隨動的閉環控制系統。以PLC作為現場控制器，編制模糊控制規則，設計模糊控制器，通過PLC控制水泵電機的開啟/停止,通過變頻器控制水泵速度的調整，以實現溫室灌溉控制系統的自動閉環控制。控制系統結構圖如2-1所示。

圖2-1 控制結構圖

3 控制過程

控制系統采用變頻器、PLC組合模式，如圖3-1所示。利用濕度傳感器自動感測土壤濕度，在可編程控制器內預先設定50%～60%RH為標準濕度。通過A/D模塊，將傳感器采集的濕度模擬信轉換成數字信號。每隔一定時間，系統采集一次土壤水分數據,并將此信息送人PLC中。PLC將實時采集的土壤信息和設定土壤濕度進行比較,用軟件編程實現模糊控制算法，經過模糊控制器的分析之后做出合適的處理命令,控制水源的主水泵和各個電磁閥。通過變頻器調節灌溉水量的多與少,來保證溫室作物生長適宜的水分環境。

圖3-1 控制系統圖

4 模糊控制器的設計與實現

4.1 輸入量模糊化

模糊控制器的輸入語言變量選為濕度給定值和實際濕度測量值的偏差e=hs-hr及其變化率ec=de/dt，輸出語言變量為FX0N-3A的輸出電流模擬量，對應的數值0～250，將此信號作為變頻器的給定值來改變電動機轉速。濕度給定值與實際測量值的偏差及其變化率是精確量，其范圍在(-0.3，0.3)，輸出范圍在(0，250)，為真實論域。在模糊控制器的設計中，首先將這些精確量模糊化。取濕度偏差E的模糊論域為(-3，3)，與之相對應的量化因子為

(4-1)

表4-1 將輸入量e轉化為離散論域元素

將表中的值都增加偏移量3以便方便建立查詢表，采用同樣的方法對△e進行離散論域轉化。

4.2 制定模糊控制規則

將濕度偏差E及濕度偏差變化率EC分為7個模糊子集：負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。隸屬度函數設為方波。輸出u范圍在(0，250)，設定其隸屬度函數為單點。

a)

b)

模糊控制查詢表為PLC提供實時查詢的依據，PLC每采樣一次，就更新一次偏差值和偏差率，查表得出新的輸出。

4.3 PLC模糊控制程序

根據經驗，編制表4-2所示模糊控制查詢表，PLC對各個時刻的采樣值進行計算，及時更新偏差和偏差變化率，然后查表，即可得輸出控制信號。編寫模糊控制程序，作為整個程序的一個子程序。模糊控制子程序編程過程如下：先將量化因子保存到PLC的保持繼電器中，將輸入量采集到數據繼電器中，然后限幅量化處理，根據它們所對應的模糊論域的元素，查模糊控制表，求模糊輸出量，再乘以輸出量的量化因子，就可以得實際輸出量。模糊控制程序流程圖如圖4-3所示。

表4-2 模糊控制查詢表

圖4-3 模糊控制流程圖

5 運行記錄及效益分析

據統計，本控制系統進行膜下滴灌比大水漫灌節水60%左右，還可降低棚內濕度，利用提高作物品質，減少用藥次數，經濟效益明顯。同時，避免了大量施肥引起的農藥對環境的污染，有利用生態環境的改善，具有良好社會效益。