基于模糊PID 控制的節水灌溉智能控制系統設計研究

新疆天業節水灌溉股份有限公司 劉雪林

前言

植物生長中，水具有關鍵作用，我國幅員遼闊，地大物博，但對于水資源十分缺乏，同時大水漫灌作為我國傳統灌溉方法，其與監測旱情對人工十分依賴，這種方式會造成水資源大量浪費、肥料流失和土壤鹽堿化，對我國農業發展造成嚴重影響，進而影響到國家的長久治安。節水灌溉技術的出現就是為了對傳統灌溉方式進行改變，基于作物需水特點，用有限的水產出最大的經濟效益。隨著計算機等技術的發展，農業經營逐漸轉變為智能化、大型化、集約化，智能灌溉技術發展迅速。模糊控制無須知曉準確的數學模型，憑借工程人員經驗和領域專家知識就可對控制策略進行制定，其是模擬人的思考行為，屬于非線性控制措施。該方法控制精度誤差較大，但具有較好的兼容性，響應速度快，PID 控制器適應性強，魯棒性好。基于此，本文通過模糊控制結合PID 控制的方法，改善系統控制精度差和系統超調量大等問題[1]。

1 系統總體設計方案

通常情況下，設計系統程序方法為模塊化結構設計，這種方式對程序的調試和編寫有利，還可以縮短系統開發周期。基于模糊PID 控制的節水灌溉智能控制系統，其組成部分包括電球閥、水流傳感器、土壤濕度傳感器、從機模塊、信電共線主機模塊、MCGS 組態系統、模糊PID 控制器等。水流傳感器可對電動球閥的閉合及開關狀態進行反饋，并對水流流量進行檢測。從機土壤濕度傳感器能夠有效收集土壤中的相關信息，并將這些信息基于主機模板傳送至模糊PID 控制器對其進行科學處理，并將處理后的信息反饋到主機模塊中，基于此可有效控制電球閥狀態，確保對節水灌溉系統實施智能化的操作和控制。從機模塊和主機模塊通信，需要經過Modbus 協議。MCGS 組態系統可與主機模塊通信，并對相應從機進行有效控制，對傳感器狀態和各個分機狀態進行顯示，并對土壤濕度進行設定[2]。

2 信電共線硬件設計

2.1 主機核心電路設計

系統支持12～48V 總線電壓直流向從機發送控制信號。通過485 總線對模塊EV620 和MCGS 組態屏通信進行有效保證，總線故障指示引腳為BRK。MCGS 傳輸的串口信號被EV620 接收到之后，發送給從機信號時，利用控制引腳BH，基于供電得到滿足的情況下，使總線輸出腳L1 的電壓值出現小范圍的波動，使總線上的電壓信號具有規律性變化，以保證從機的有效識別。當到從機發送的應答信號被EV620 接收到之后，引腳BL 對總線電流變化進行檢測，將其轉變為可識別信號，利用串口發送給MCGS 組態屏并進行顯示。主機核心電路如圖1 所示。

圖1 主機核心電路

2.2 從機核心電路設計

信號輸入端為控制芯片PB331 的PI 引腳，對主站輸送的電壓信號進行檢測，從而對其發送的指令進行識別。信號輸出端為PO 引腳，通過對T1 的導通進行控制，從而對總線電流進行控制，發送主機至應答信號。MCU 單片機為增強型8 位8051 內核微控制器，帶有flash，電球閥狀態、傳感器數值讀取通過IO 口，并對電球閥運行進行控制。電球閥為Valve，水流傳感器為SL，土壤濕度傳感器為TR。主站發來的電壓信號經PB331 的PI 引腳檢測后，利用串口發送給MCU，對相關操作進行執行。MCU 發送的應答信號被PB331 接收之后，控制PO 腳對T1 進行關閉或導通，使電流信號在總線上具備可以觀察到的規律性變化，以保證主機進行識別[3]。從機核心電路如圖2 所示。

圖2 從機核心電路

3 組態系統介紹及信協議設計

3.1 MCGS 組態系統介紹

MCGS 組態屏為一體化嵌入式高性能觸摸屏，核心為Cortex－A8CPU，系統參數通過MCGS 人機界面顯示，并實施運行控制和系統參數設置，其組態系統工程的建立包括五個部分，分別為運行策略、實時數據庫、用戶窗口、設備窗口、主控窗口。本組態系統包括分組界面、主界面、登錄界面等。

3.2 通信協議設計

為了有效提升MCGS 組態系統通信的便利性，信電共線主機和從機均對Modbus－RTU 通信協議進行使用，利用從機向主機響應，主機對從機發送請求的方式，完成數據交互。一臺主機監控多臺從機，針對實際情況對控制指令進行編寫。主機對從機狀態的命令進行讀取，并對從機電球閥開關的命令進行控制[4]。控制格式為：主機對灌溉狀態進行檢測，對從機狀態的命令格式進行讀取：高位CRC、低位CRC、0x05、0x00、0x04、0x00、0x04。主機對從機電球閥的命令格式進行控制，高位CRC、低位CRC 為校驗碼，0x05、0x00 表示讀取的寄存器個數，0x04 為功能碼，單個讀。第一個讀取的數據寄存器地址為0x00、0x04。從機地址為高位CRC、低位CRC、0x01 或0x00、0x00、0x04、0x00、0x06。0x06 表示功能碼為單個寫。電球閥狀態寄存器地址為0x00、0x04。電球閥打開指令為0x00、0x01，電球閥關閉指令為0x00、0x00。校驗碼為高位CRC、低位CRC。

4 模糊PID 控制器設計

4.1 模糊PID 控制器原理介紹

模糊控制對人類思維進行模擬，基于模糊集合進行發展，使用自然語言對實踐數據經驗進行表述并對其實施模糊決策、歸納總結、邏輯分析，制定出簡單明了的控制規則。自動控制的實現需要通過硬件設備和計算機編程語言[5]。對比傳統控制措施，模糊控制優勢顯著。設計控制系統只通過人員經驗和專家知識就可對控制策略進行制定，無需精確的數學模型，就可以確保系統運行的效果。模糊控制系統兼容性較強，可以結合傳統反饋控制，有效解決大時滯、非線性等問題。使用自然語言變量對數字變量進行代替，其對人處理問題的方式更加接近。模糊控制系統基于單片機，結構上與一般的數字控制系統沒有差別，運行通過查表法進行，操作人員容易掌握和接受。

控制器中，實際檢測值y(k)和k 時刻的土壤濕度設定值r(k)構成土壤濕度偏差e(k)。前一個時刻的誤差e(k－1)和當前時刻誤差e(k)構成偏差變化率ec(k)。變量Kd、Ki、Kp 和ec(k)、e(k)構成輸出變量u(k)。通過輸入變化率和偏差，按照模糊規則獲得相應變化量，加上原來設定的PID 參數，算出傳遞給輸出的變量。模糊PID 控制器原理圖如圖3 所示。

圖3 模糊PID 控制器原理圖

4.2 模糊PID 控制規則

根據結構劃分，模糊PID 控制器可分為參數自適應模糊PID控制器和模糊控制器。前一種控制器構成包括模糊控制器和PID控制器，后一種直接由模糊控制器構成，PID 控制器功能的實現，主要是調整比例因子、控制規則、模糊控制器量化因子，并且可對PID 參數進行調整。建立本模糊控制規則的原則為：若輸入偏差e(k)出現偏大時，向誤差減小的方向調整，減小誤差之后，應對超調現象盡量避免，保持系統穩定。規則為：若偏差e(k)較大，則土壤濕度具有較大差別，應對系統調節進行加快，減小ΔKd，加大ΔKp，保證系統達到預定值。為了對系統超調進行避免，可選擇較小的ΔKi 值。若偏差e(k)較為合理，則土壤濕度靠近設定濕度值，應保持一定范圍內的變化，系統狀態應盡量保持穩定，ΔKp 調整方向為偏小方向，選擇適中值的ΔKd、ΔKi。若偏差e(k)較小，則設定值土壤濕度較為接近，為了對系統容錯性進行提升，應選擇大一些的ΔKi、ΔKp 值。為對系統振蕩情況進行避免，需要慎重對待ΔKd 的取值，通常情況下取中等大小[6]。

4.3 simulink 仿真

基于模糊比例積分微分控制器，運用Simulink 完成仿真工作，進而科學驗證其可行性。由于土壤水勢曲線非線性這一因素，土壤濕度會被眾多外因影響，通過對文獻資料進行查閱，運用土壤濕度基質變化率公式對變化函數進行反映。仿真分析單獨PID 控制器，Kp 初始值為13，Ki 為0.5，Kd 為0.1，Kp 取值應在8~18 之間，Kd 取值為0~0.2，Ki 取值為0~1 時，具有良好的系統控制效果。Simulink 仿真響應時間短，超調量較小，對比單一的PID 控制器和模糊控制器，效果顯著。

5 系統測試

5.1 系統通訊測試

舉例如下：2 號從機為關閉狀態，對灌溉狀態進行檢測時，對2 號從機狀態的指令進行讀取和發送。若土壤濕度值需要灌溉，沒有達到設定值時，對2 號從機電球閥開啟指令進行發送。若土壤完成灌溉，其濕度值達到設定值后，對關閉2 號電球閥指令進行發送。

5.2 節水灌溉測試

科學設定搭建工作結束的節水灌溉系統的土壤濕度為20%。某大型盆栽在進行實驗過程中采用的方式為滴灌方式，將土壤濕度傳感器插入土壤7 厘米以下，秒表計時一分三十秒。現場可編程邏輯控制器運用西門子S7-200SMART，對電磁閥進行驅動[7]。ST30 西門子S7-200SMART 的CPU 模塊可集成以太網端口1 個以及RS485 接口1 個，可對現場無線傳輸端和主機發送的指令進行同時接收，支持TCP/IP 協議。S7-200SMART 中存在輸出點12 個，輸入點18 個，每個輸出點均能夠對一個電磁閥進行有效控制，在PCAccessSMART 現場集控計算機對西門子的OPC 服務器進行創建，在Labview 中對變量進行綁定，操作PLC的變量輸出。基于此，為了有效實施遠程控制，對PLC 和無線傳輸端間的地址映射進行建立，可通過對智能控制和手動控制自由切換的模式進行實現。對順綠SLPGA 直流常閉電磁閥進行選擇，作為應用的電磁閥，順綠SLPGA 電磁閥功耗低，穩定性強，具有較高的靈敏度，其額定功率為4.5W，30m3/h 為最大流速，工作壓力0.1～1.04MPa，額定電壓12V，為了避免電磁線圈堵塞，可運用雙重過濾，具有較好的耐久度。采用滴灌法作為灌溉措施，與施肥方式進行結合，可顯著提升水分利用率，并增強肥料使用效果。

6 智能灌溉控制系統測試

對系統運行進行控制，各溫室大棚作物最佳水勢顯示于現場集控計算機界面上，通過柱狀圖形式對水勢進行實時顯現，系統在無人干預的情況下也可進行決策。若開啟某個大棚的電磁閥進行灌溉時，同時會亮起相應的狀態燈，用戶還可對灌溉停止或開始進行手動選擇[8]。

7 結語

綜上所述，本文基于我國設施農業智能灌溉的發展狀況，將控制目標定為具有廣泛適用性的水勢土壤。LabVIEW 在模糊控制方法的基礎上，對蔬菜智能灌溉控制系統進行設計，通過相關軟件設計，對田間水勢土壤遠程監控、智能灌溉決策、無線傳輸數據、采集相關數據等功能進行實現。在未來研究中，應將相應無線通信模塊，二氧化碳含量、光照、空氣溫濕度等傳感器添加到系統中，對各種作物生長周期的模糊控制規則進行完善，對系統控制精確度進行提升，從而實現精準灌溉。