2022 年 6 期 科技創(chuàng)新與應用 Technology Innovation and Application眾創(chuàng)空間 模糊 PID 控制在水肥一體機肥料原液混合系統(tǒng)中的應用 魏顯文 孫國亮 魏 堃 楊 超 武威職業(yè)學院 甘肅 武威 733000 常見的水肥一體機在配制肥料原液時多為手控配 液 機械配液 即利用單片機 PLC 控制流量閥的開度 進 行液體按比例配制 效率低下 PID 控制器有效解決了手 控和機械配液效率低的問題 配比精度也有所提高 但在 實際生產現(xiàn)場中 灌溉肥水需求的濃度不固定 由于參數(shù) 整定復雜 常規(guī) PID 控制器往往會出現(xiàn)參數(shù)設置不佳 控 制精度不高 對實際生產的適應力較差 已經難以滿足更 高精度要求 且難以實現(xiàn)實時控制 基于此 本文將模糊 PID 控制算法應用于水肥一體機 肥料原液混合系統(tǒng)中 旨在有效解決以上問題 且該系統(tǒng)能 有效避免流量閥開度差異過大引起的混合液比例失調 1 灌溉肥水配制系統(tǒng)的工作原理 肥水的配制以水溶肥 A 水溶肥 B 和水為原料 按照 用戶實際所需要的比例濃度進行攪拌 并實時檢測混合 液的酸堿度 加入少量的酸液 保證肥水的酸堿度達到灌 溉用水的標準 為了適應不同用戶對于肥水的不同需求 本系統(tǒng)在上位機設置可以按照不同品種 不同比例進行 配制 在配制過程中 2 種水溶肥用濃度比的方式計量 若濃度比發(fā)生偏差 則以水溶肥 A 的流量為標準 通過 改變水溶肥 B 的流量來調節(jié) 2 種成分的濃度比 混液裝置主要由濃度檢測變送單元 比較環(huán)節(jié) 模糊 PID 控制系統(tǒng)和流量閥組成 系統(tǒng)中需要控制的變量為 混合液中成分 A 成分 B 濃度的比值 其控制流程如圖 1 所示 首先由濃度檢測變送單元檢測出 2 種成分的濃度 并轉換為濃度比 送入比較環(huán)節(jié) 比較環(huán)節(jié)內實現(xiàn)濃度比 與設定值比較后求出偏差和變化率 再將二者送入模糊 推理環(huán)節(jié) 經模糊推理后實時整定 PID 參數(shù) PID 控制器 控制執(zhí)行機構調節(jié)流量閥 B 的開度 使 2 種成分的濃度 比盡快達到并穩(wěn)定在設定值 圖 1 肥料原液混合控制系統(tǒng) 摘 要 田間及溫室灌溉施肥一體化系統(tǒng) 簡稱水肥一體機 通過檢測灌溉溶液營養(yǎng)成分及酸堿度 控制原液混合系統(tǒng)釋 放 2 種水溶肥參與混合攪拌 達到灌溉肥水標準 然后進行指定坐標精準施肥 其中肥料原液的混合尤為重要 而傳統(tǒng)的手工 配液和機械配液難以達到精準精細化實時控制的目的 文章提出了基于模糊 PID 控制的肥料原液混合系統(tǒng)的研究應用 能夠 有效提高配比精度 節(jié)省原液 顯著提高水肥一體機的經濟效益 關鍵詞 模糊 PID 控制 混合 過程控制 控制器調節(jié) 經濟 中圖分類號 S224 2 文獻標志碼 A 文章編號 2095 2945 2022 06 0036 03 Abstract The integrated system of irrigation and fertilization in field and greenhouse referred to as the integrated machine of water and fertilizer controls the original liquid mixing system to release two kinds of water soluble fertilizer to participate in mixing by detecting the nutritional composition and pH of irrigation solution so as to reach the standard of irrigation fertilizer and water Then carry on the specified coordinate accurate fertilization Among them the mixing of fertilizer solution is particularly important but the traditional manual and mechanical liquid blending is difficult to achieve the purpose of precise and precise real time control This paper puts forward the research and application of fertilizer raw liquid mixing system based on fuzzy PID control which can effectively improve the proportioning accuracy save the raw liquid and significantly improve the economic benefit of the integrated water and fertilizer machine Keywords fuzzy PID control mixing process control controller regulation economy 基金項目 2020 年武威市市列科技計劃項目 WW202003 2021 年武威職業(yè)學院橫向課題 wwochxkt202101 作者簡介 魏顯文 1982 男 碩士研究生 副教授 研究方向為智能控制 通信作者 孫國亮 1992 男 本科 助教 研究方向為電氣工程與自動化 DOI 10 19981 j CN23 1581 G3 2022 06 010 36 2022 年 6 期 科技創(chuàng)新與應用 Technology Innovation and Application 眾創(chuàng)空間 常規(guī) PID 離散控制算法 式中 K p K i K d 分別為比例增益 積分增益 微分增益 加 入模糊推理環(huán)節(jié)后 3 個值將不再固定 而是能夠根據 濃度比的變化和變化率實時自動調整 即 3 個值變?yōu)?K p K p K i K i K d K d 2 肥水配制模糊 PID 控制過程 首先濃度檢測變送單元會檢測到 2 種成分的濃度 比 經過比較環(huán)節(jié)得到與設定的濃度比的偏差 e 以及當 前偏差和上一時刻偏差的變化 e c 即偏差變化率 例如設 定成分 A 與成分 B 的濃度比為 2 1 此時檢測到濃度比 為 2 2 1 而上一時刻濃度比為 2 3 1 則 e 為 0 2 e c 為 2 3 2 2 0 1 2 1 變量模糊化 以 e 為例 檢測到的濃度比是有范圍的 即濃度比與 設定值偏差在一個區(qū)間內 設該系統(tǒng)中濃度偏差范圍 為 0 6 因此將偏差 e 量化于 0 6 0 6 區(qū)域內 允許的 濃度偏差變化率范圍為 0 15 將其量化于 0 15 0 15 區(qū)域內 將二者變換至模糊集論域 3 2 1 0 1 2 3 根據需要將其一一對應為 負大 NB 負中 NM 負 小 NS 零 ZO 正小 PS 正中 PM 正大 PB 7 個等級 對應的模糊控制規(guī)則見表 1 表 1 模糊控制規(guī)則表 2 2 確定控制規(guī)則 根據表 1 可以歸納出 49 條控制邏輯規(guī)則 均由生 產及工程技術人員總結和實踐操作經驗得出 如 IF e is NB and e c is NM then K p is PB K i is NB K d is NS 其含義為如果偏差為負大 偏差變化率為負中 為盡快消除負偏差 比例增益變化應取正大 積分增益變 化應取負大 同時 因偏差變化呈負增長趨勢 微分增益 變化應適當取負小 防止偏差變化過快導致正向偏差 最 終能到到新的增益分別為 K p K p K i K i K d K d 又如 IF e is ZO and e c is PB then K p is NM K i is PM K d is ZO 其含義為如果偏差和偏差變 化率分別為零 正大 則對應的 K p K i K d 分別為正 大 正中 零 其余 47 條規(guī)則不再一一闡述 2 3 解模糊化 以上 PID 參數(shù)的修正值是通過模糊推理得到的 即 K p K i K d 仍為對應的等級 必須將其轉化為數(shù)字量 才能與原有增益相加得到新的增益 該過程就為解模糊 化過程 本系統(tǒng)中采用工業(yè)控制中廣泛應用的加權平均 法 根據上述方法 利用 Simulink 仿真得到 K p K i K d 的模糊查詢表 通過查表得到 K p K i K d 的數(shù)字量就 可以對 K p K i K d 進行修正 該過程是 1 個動態(tài)過程 調節(jié) 過程中若偏差和偏差變化率發(fā)生新的變化 3 項增益也 會實時調整 達到最優(yōu)控制效果 3 Simulink 仿真與結論 為了簡化整個仿真過程 我們將水溶肥 A 對應的流 量閥 A 設定為 1 通過改變調節(jié)閥 B 的開度 來控制 2 種 水溶肥的流量 從而改變混合液中 2 種成分的濃度 水溶 肥 B 的流量與流量閥 B 開度有關 其開度不同 流速不 同 溶液中成分 A B 濃度就不同 本系統(tǒng)中將流量閥 B 等效為一階慣性環(huán)節(jié) 其傳遞函數(shù)為 其中 K 為流量閥 B 增量 T 為流量閥 B 的時間常量 若 考慮到該系統(tǒng)存在滯后 設其滯后時間為 此時傳遞函 數(shù)變?yōu)?該仿真模型中取 K 2 T 2 3 s 其輸入為 2 種成分的 濃度比 通過模糊 PID 控制 調節(jié)流量閥 B 的開度 輸出 為 2 種成分的實際濃度比 經反饋環(huán)節(jié)與設定值比較 通 過模糊控制實時調整 PID 控制環(huán)節(jié)的參數(shù) 使實際濃度 比快速達到設定值 在仿真模型中加入 Uniform Ran dom Number 模塊 模擬實際生產中存在的雜質影響 檢 測誤差等系統(tǒng)干擾 假設當前輸入為 2 0 兩種方式控制效果如圖 2 所 示 可明顯看出 采用模糊 PID 控制 超調量為 5 左右 而常規(guī) PID 控制的超調量為 35 且存在明顯振蕩 采 用模糊 PID 控制 其調節(jié)時間為 3 s 比常規(guī) PID 控制快 了接近 3 s 在 10 s 時間內 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)最終達 到的流量比約為 1 98 未能達到設定值 2 0 假如改變濃度比的設定值為 1 5 和 2 5 再次進行仿 真 模糊 PID 的控制效果對比如圖 3 所示 可以看出 隨 著濃度比設定值的增大 仿真結果超調量也變大 調節(jié)時 間也變長 但不管哪一種濃度比 模糊 PID 控制總能達到 控制要求且系統(tǒng)穩(wěn)定性良好 綜上所述 在水肥一體機中使用模糊 PID 控制 能夠 使肥水達到精確的濃度比 且配制時間短 配置過程中濃 c1 1 c2c3c4 u t K e k K e i K e k e knull null null null null null null 1 G s K Tsnull null 1 s G s K Ts e nullnull null null null c1 e null nullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnull null 37 2022 年 6 期 科技創(chuàng)新與應用 Technology Innovation and Application眾創(chuàng)空間 參考文獻 1 田金平 娜孜古麗 托合塔爾 葛國慶 玉米膜下滴灌水肥一體化水 溶肥篩選試驗探究 J 世界熱帶農業(yè)信息 2021 10 21 22 2 徐翔 石榮玲 胡萬佳 等 智能水肥一體化的施肥裝置設計 J 科學 技術創(chuàng)新 2021 25 153 154 3 牛珂平 水肥一體化 技術在馬鈴薯栽培中的運用研究 J 新農業(yè) 2021 17 16 18 4 李海峰 郭麗娟 于宏 等 智能滴灌水肥一體化在林業(yè)應用中存在 的問題及推廣建議 J 現(xiàn)代農業(yè)科技 2021 16 150 152 5 白佳 水肥一體化技術應用不可忽視的幾個問題 J 西北園藝 果 樹 2021 4 5 6 6 齊振宇 蔡溧聰 胡衛(wèi)珍 等 水肥一體化模式中化肥減施與不同基 追肥比例對大蒜產量和品質的影響 J 浙江農業(yè)學報 2021 33 8 1409 1415 7 邴兆珍 滴灌水肥一體化技術在果樹上的應用探究 J 農業(yè)開發(fā)與 裝備 2021 7 207 208 8 高艷紅 段軍 金昌市紫花苜蓿淺埋式滴灌水肥一體化生產技術 J 甘肅農業(yè)科技 2021 52 7 97 98 9 朱亮 曾值 水肥一體化農業(yè)智能灌溉系統(tǒng)研究 J 南方農機 2021 52 14 53 54 10 梁嘉敏 楊虎晨 張立丹 等 我國水溶性肥料及水肥一體化的研 究進展 J 廣東農業(yè)科學 2021 48 5 64 75 11 阮漢鋮 智能型水肥一體化控制裝置研究 D 楊凌 西北農林科技 大學 2021 度不會出現(xiàn)大幅跳變 此外 需要配制不同濃度的肥水 時 常規(guī) PID 控制除改變濃度比設定值外 為達到好的控 制效果 還需要重新整定參數(shù) 比較繁瑣 而模糊 PID 控 制只需要改變設定值 相關參數(shù)經模糊推理過程會自行 達到最佳 比較簡潔 因此 模糊 PID 控制在水肥一體機 肥水配制中具有較強的應用價值 圖 2 模糊 PID 和常規(guī) PID 控制效果對比 圖 3 不同濃度比設定值下的仿真效果對比 3 結論 本文通過 SW 和 ANSYS 軟件 建立了簡化的鋼平面 閘門模型 利用理論推導和有限元計算 分析了門槽在不 同安裝精度下的受力情況及磨損大小 根據計算得到 在 不同安裝誤差時 閘門啟閉 1 000 次門槽預埋件最大的 磨損量 本文的計算結果可以為閘門施工提供一定的理 論依據 參考文獻 1 唐繼洲 二灘水電站尾水管閘門及啟閉機的安裝 J 四川水力發(fā)電 2004 23 1 48 49 51 2 金懷鋒 烏東德水電站右岸導流隧洞閘門門槽快速施工技術 J 中 國水能及電氣化 2016 12 6 10 3 白潤波 曹平周 曹茂森 大型鋼閘門軌道與混凝土基礎接觸問題 分析 J 水利水運工程學報 2009 1 10 16 4 韓君格 滑桿折疊式閘門的試驗研究與優(yōu)化設計 D 泰安 山東農業(yè) 大學 2011 5 Ong K C G Hao J B Paramasivam P A strut and tie model for ultimate loads of precast concrete joints with loop connections in tension J Construction and Building Materials 2006 20 3 169 176 6 白潤波 曹平周 邱麗清 水工鋼閘門軌道橫截面彎曲應力分析 J 長江科學院院報 2009 26 8 68 72 7 盧新杰 郝楠楠 胡葆文 新型平面閘門門槽埋件支承裝置及安裝 方法 J 科技創(chuàng)新與應用 2019 30 126 127 8 曹洋 水工閘門門槽混凝土與埋件一次施工技術研究與應用 J 水 利建設與管理 2019 39 3 65 68 9 吳維明 王雪飛 糯扎渡水電站 3 導流隧洞封堵閘門門槽的安裝 J 水利水電技術 2010 41 5 23 24 10 李聰波 何嬌 杜彥斌 等 基于 Archard 模型的機床導軌磨損模型 及有限元分析 J 機械工程學報 2016 52 15 106 113 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 上接 35 頁 38