基于模糊自適應PID的溫室水肥一體化控制系統研究

李娜王善婷李林蔚陳永琪陳奇

(1.江蘇農林職業技術學院，江蘇 鎮江 212400;2.鎮江惠寧農信息科技有限公司，江蘇 鎮江 212400)

引言

2021年2月，中央一號文件指出，“持續推進化肥農業減量增效，推廣農作物病蟲害綠色防控產品和技術”，為我國設施產業發展指明了方向。設施農業生產管理過程中，作物灌溉、施肥是非常重要的一環，所以水肥灌溉機的智能化一體化控制在整個生產過程中顯得尤為重要。水肥一體化是集智能配肥和灌溉施肥于一體的新型技術，采用水肥一體化設備可以有效解決水資源、化肥資源浪費嚴重的問題。隨著我國智能化設施農業的快速發展，我國對農業機械化及農業管理智能化相關設備與技術研究越來越多，但總體智能化水平較低。我國產品多為引進的國外設備，自主化水平低，尚未形成完全可靠的信息系統平臺；當前我國缺乏對控制算法及農業信息數據采集的分析與研究，導致水肥濃度控制精準度較低，難以滿足溫室大棚的灌溉施肥需求。隨著計算機技術、大數據技術、云計算技術與互聯網技術的飛速發展，智能化溫室大棚技術與智能水肥一體化技術相關研究會在數據整合分析及控制決策等方面更加深入，進而促進智能化溫室大棚設施農業的飛速發展。

當前國內針對水肥一體化系統常用的控制方式較為簡單，只能實現水肥配比，固體肥料配比階段仍需人工完成，且肥料配比精度相對不高[4]。本文針對智能溫室施肥及灌溉過程和生產需求，根據溫室大棚智能水肥一體機混肥與施肥特性，采用模糊PID控制方法控制進料電機的運行，開發適用于溫室大棚的水肥一體機控制系統軟件，并通過人機交互界面設計構建溫室大棚水肥一體化控制平臺，實現信息交互展示、分析決策和智能設備遠程控制。

1 系統整體設計

本設計所采用的水肥一體化控制系統主要由以下4個部分組成，包括無線傳輸單元模塊、主控單元模塊、配肥單元模塊和灌溉施肥單元模塊，如圖1所示。

本系統選用的傳感器主要有Ec傳感器、壓力傳感器、pH傳感器以及流量傳感器等，以上傳感器將采集到的數據信息與系統采集節點相連接，控制器通過采集節點能夠對肥料溶液的Ec值、pH值、管道壓力和肥液容量進行精準監測。ZigBee網絡中具有特定功能的節點還具有路由功能，可以充當路由器，對上一節信息或者下一節信息進行自動轉發或接收。溫室水肥一體化控制系統由一個中心節點、多個采集節點和多個終端控制節點構成，其中采集節點與溫室系統中的各個傳感器相連接，終端控制節點與繼電器控制設備相連接。考慮到本實驗系統在溫室中進行，所涉及的范圍相對較小，數據傳輸信息量也較小，且需要各設備低功率長期處于應用狀態，為了有效降低實驗成本，本系統采取的ZigBee星狀網絡通信結構，使得每個采集節點和終端控制節點與中心節點直接進行通信，極大地提高了通信效率，降低了實驗成本。

2 配肥和施肥單元系統設計

水肥一體化將固體肥料先與水溶解成液體，而配肥單元運送固體肥料上料的過程就是形成液體肥料的過程，即按照一定的設定值形成不同濃度的肥液，再通過一系列操作進行二次水肥混合，最終形成最合適的肥液來灌溉作物。本文根據配肥和施肥需求，采用PLC控制器實現配肥和施肥單元系統設計。

配肥機主要由自動稱重、自動上料2部分組成，其中主控模塊負責控制、監查所有設備的指令。控制器根據專家經驗所需要的肥料總重量驅動稱重傳感器工作，稱重儀表時刻動態顯示肥料重量，根據稱重儀表顯示的重量反饋給控制器，形成一套完整的流程。當傳感器所顯示的重量與所需的設定值相等時，控制器發送指令給送料機暫停輸送。

灌溉施肥階段的主要硬件設備有文丘里吸肥器、電磁閥、控制器、灌溉水泵、傳感器等。在整個溫室水肥一體化系統中，灌溉施肥階段是其核心單元，影響著整個灌溉效果，在溫室實驗中起到控制作用。根據灌溉施肥的工作原理，整個系統包括控制部分、檢測部分、混肥裝置。控制部分PLC是主控制器，通過程序編寫來對各執行單元進行控制和監控；檢測部分主要是Ec傳感器和pH傳感器，根據專家經驗設定Ec值和pH值的最優參數，通過時刻觀察傳感器顯示的值，從而達到檢測混合液中肥料的值的作用；混肥裝置中核心設備是內含3個文丘里射流器的文丘里管，利用其結構獨特的特性產生壓差，從而形成水肥的混合。

3 模糊自適應PID控制

3.1 模糊自適應PID調控算法

傳統PID控制算法局限于根據某一整定參數來設置PID的3個參數不具有靈活性，而模糊自適應PID算法則是解決控制過程中此類難題的解決方法[5]。模糊控制原理是將人的思維認知和經驗認知總結得來的專家經驗存入模糊規則庫中，根據傳感器監測到的實時數值，由控制器模糊推理出應該設定的3個參數，得到最優參數，從而構成了具有自適應的模糊PID算法，達到最佳控制效果。

模糊自適應算法的優點主要在于其實現了更高的精度和控制效果，不需要依靠控制系統的數學模型，控制參數能夠實時自動整定，以便很好地適應控制系統的變化。專家經驗的本質是基于現場實際操控中積累的不同對象以及控制規律的各種應對狀況，將此經驗匯集儲存到模糊規則庫中，基于專家級的豐富知識經驗所設計的PID參數調整實現模糊自適應控制。本文在實驗過程中事先將模糊規則嵌入控制系統，當實驗對象在過程中發生調整時，PID各比例參數能夠自動調整為最優參數，實現實時、精準、無超調量、高可靠性的PID控制，圖2為模糊自適應PID系統控制原理框圖。

圖2 模糊自適應PID控制系統原理框圖

模糊規則庫是模糊控制器的核心部分，規則庫是由專家對于控制規律的認識或者操作人員在實踐過程中的經驗總結，是直接決定模糊控制器性能好壞的標尺[6]。模糊控制器設計的關鍵步驟是將精確的輸入、輸出值轉化為機器能夠識別的語言值。由于模糊推理的結果都是模糊量，而非精確量，因此還需要進行去模糊化，將模糊量轉化為精確量。

模糊控制器規則中融入了輸入值的誤差量e以及誤差變化率ec，根據現有的模糊控制表，得到e和ec轉化為的模糊輸入語言變量，再從模糊規則推導出模糊輸出語言變量，最后通過去模糊處理輸出精確地模糊輸出量△kp、△ki和△kd，基于模糊自適應PID控制的EC值調控算法流程圖如圖3所示。

模糊自適應PID能夠將PID的3個參數與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關系表達出來，在運行過程中實時檢測e和ec值，通過在線動態控制將3個參數按照模糊控制原理進行調整，當控制參數要求發生變化時，e和ec值能夠跟隨控制要求體現出來，從而使得被控量具有較好的靜態與動態性能。

3.2 模糊控制程序流程

本文采用PLC控制器作為模糊控制器，將模糊規則表存入PLC控制器中，在編寫的模糊控制算法中根據需要調用有關數值，進一步得到控制策略和發出指令，從而達到控制肥料濃度的目的，模糊PID控制器的控制流程如圖4所示。

圖4 模糊PID控制器的控制流程

模糊控制規則可以反映出模糊控制器性能的優劣,Kp直接影響到系統調節的速度，在整個系統運行的過程中均要保持較高值。在系統運行的初期階段，具有較大的kp值可以提高系統響應的速度；在系統調節運行中期，較大的kp值可以維持系統的穩定性，并使系統保持較小誤差值；系統調節后期kp值將直接影響系統的運行精度。

ki主要用于消除系統所產生的誤差，在一定范圍內ki的值與消除靜差速度為正比，而超出了這一合理范圍后，反而會導致超調量增加，產生積分飽和現象，影響到系統運行的穩定性，因此，需要保證ki值在合理范圍內變化。

kd的模糊規則為系統控制過程初期，增大kd值以減小超調量；在系統運行過程中，適當要減小kd值，這樣才能降低微分作用對系統產生的反作用；最后，為了增強系統的擾動抑制能力，kd的值需要進一步減小。kd有助于改善系統動態性能，抑制偏差變化。

4 系統調試

本文采用PLC控制器和HMI觸摸屏組成主控單元，溫室水肥一體化系統實物如圖5所示。PLC控制器作為系統中數據處理的核心中樞，對系統的性能影響起著決定性作用。溫室水肥一體化系統中需要PLC控制各項設備協調運作，PLC要對上位機傳送的信息交互指令快速處理并做出反應。

圖5 溫室水肥一體化系統實物圖

本系統利用MCGS組態編寫人機交互界面，綜合了農業信息技術、數字農作技術、傳感器和無線傳輸技術、計算機技術等領域的知識，開發了溫室水肥一體化系統平臺，主要包括登錄界面、肥料輪灌組信息界面、肥料輪灌組控制界面等。

在自主研發的虛擬仿真系統中，可以在植物類型中選擇一種進行作物進行仿真生長，見圖6；在選擇完作物后，根據所積累的作物生長周期相關知識進行設置，見圖7，同時還可以根據作物生產周期來設置植物生長環境參數以及水肥一體機參數，只有所設置的參數符合當前作物的生長需要，配置正確的植物生長模型，如圖8所示，作物才能健康生長。

圖6 選擇植物類型

圖7 設置生長周期

圖8 設置植物生長模型

工作人員可以通過肥料輪灌信息界面查看點擊累計灌溉總量、累計灌溉時長、累計灌溉次數、開閥數、灌溉組數、出地樁數、故障數信息，也可以查看到灌注組、出地樁、A口、B口、累計流量、灌溉時長、瞬時流量、充電電壓、電池電壓、信號質量、管道壓力、警報、地圖定位等信息，可以根據選擇來決定是否打印輸出。

在肥料灌溉控制界面中，工作人員可以在此版塊中進行當前培育室內的具體灌溉控制與維護，點擊后進入到對應的功能界面中，其中含有多個功能按鈕和參數，使用者可根據情況點擊處理，如圖9所示。

圖9 肥料灌溉控制界面

5 結論

本文針對溫室水肥一體化控制系統進行研究，并根據溫室大棚智能水肥一體機混肥與施肥特性，采用模糊PID控制方法控制進料電機的運行，開發適用于溫室大棚的水肥一體機控制系統軟件，并基于HMI設計人機交互界面，構建溫室大棚水肥一體化控制平臺，實現了溫室水肥一體化的信息交互展示、分析決策和智能設備遠程控制。