第 51 卷 第 11 期 2023 年 11 月 西 北 農(nóng) 林 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 自 然 科 學(xué) 版 J ou r na l o f No r t hwe s t A 國(guó) 家 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 產(chǎn) 業(yè) 技 術(shù) 體 系 項(xiàng) 目 CARS 23 D06 陜 西 省 科 技 創(chuàng) 新 團(tuán) 隊(duì) 項(xiàng) 目 2021TD 34 作 者 簡(jiǎn) 介 王 慶 華 1999 男 陜 西 咸 陽(yáng) 人 在 讀 碩 士 主 要 從 事 智 能 控 制 研 究 E ma i l 18691098768 163 c om 通 信 作 者 侯 俊 才 1975 男 青 海 樂(lè) 都 人 副 教 授 博 士 碩 士 生 導(dǎo) 師 主 要 從 事 智 能 控 制 和 無(wú) 損 檢 測(cè) 研 究 E ma i l hou j unc a i nwsua f edu cn 王 慶 華 1 周 晶 1 2 侯 俊 才 1 1 西 北 農(nóng) 林 科 技 大 學(xué) 機(jī) 械 與 電 子 工 程 學(xué) 院 陜 西 楊 凌 712100 2 廣 州 汽 車 集 團(tuán) 股 份 有 限 公 司 汽 車 工 程 研 究 院 廣 東 廣 州 511434 摘 要 目 的 設(shè) 計(jì) 用 于 三 通 道 灌 溉 施 肥 機(jī) 的 變 論 域 模 糊 比 例 積 分 微 分 PID 水 肥 配 比 控 制 器 為 水 肥 一 體 機(jī) 灌 溉 過(guò) 程 中 水 肥 配 比 的 精 準(zhǔn) 控 制 提 供 支 持 方 法 結(jié) 合 自 動(dòng) 化 技 術(shù) 和 智 能 控 制 算 法 設(shè) 計(jì) 變 論 域 模 糊 PID 水 肥 配 比 控 制 策 略 通 過(guò) 流 量 傳 感 器 實(shí) 時(shí) 監(jiān) 測(cè) 水 肥 一 體 機(jī) 灌 溉 過(guò) 程 中 的 水 肥 配 比 采 用 變 論 域 模 糊 PID 控 制 策 略 調(diào) 控 閥 門 開(kāi) 度 改 變 吸 肥 泵 的 回 水 量 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 灌 溉 溶 液 中 水 肥 配 比 的 控 制 并 以 蔬 菜 上 海 青 為 對(duì) 象 通 過(guò) 田 間 試 驗(yàn) 對(duì) 該 算 法 的 控 制 效 果 進(jìn) 行 試 驗(yàn) 驗(yàn) 證 結(jié) 果 與 傳 統(tǒng) PID 控 制 系 統(tǒng) 相 比 變 論 域 模 糊 PID 控 制 系 統(tǒng) 的 水 肥 配 比 波 動(dòng) 和 超 調(diào) 量 均 較 小 到 達(dá) 穩(wěn) 態(tài) 的 時(shí) 間 縮 短 了 5 25 s 變 論 域 模 糊 PID 控 制 的 水 肥 配 比 誤 差 不 超 過(guò) 5 田 間 試 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明 與 使 用 傳 統(tǒng) 人 工 灌 溉 施 肥 相 比 采 用 變 論 域 模 糊 PID 控 制 策 略 的 水 肥 一 體 化 系 統(tǒng) 灌 溉 上 海 青 可 以 節(jié) 水 14 92 節(jié) 省 尿 素 14 68 節(jié) 省 過(guò) 磷 酸 鈣 12 76 且 上 海 青 的 平 均 全 長(zhǎng) 株 高 開(kāi) 展 度 葉 片 數(shù) 分 別 提 高 了 15 86 17 67 18 92 和 21 73 產(chǎn) 量 提 高 了 41 73 結(jié) 論 實(shí) 現(xiàn) 了 水 肥 一 體 機(jī) 水 肥 配 比 的 變 論 域 模 糊 PID 控 制 設(shè) 計(jì) 的 水 肥 一 體 機(jī) 的 性 能 可 以 滿 足 實(shí) 際 生 產(chǎn) 需 求 關(guān) 鍵 詞 變 論 域 模 糊 PID 水 肥 一 體 化 系 統(tǒng) 水 肥 配 比 中 圖 分 類 號(hào) S224 21 文 獻(xiàn) 標(biāo) 志 碼 A 文 章 編 號(hào) 1671 9387 2023 11 0144 11 I r r i g a t i o n a n d f e r t i l i z e r c o n t r o l s t r a t e g y b a s e d o n v a r i a b l e d o m a i n f u z z y P I D WANG Qi nghua 1 ZHOU J i ng 1 2 HOU Junc a i 1 1 C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g N o r t h w e s t A 2 G u a n g z h o u A u t o m o b i l e C o m p a n y E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e G u a n g z h o u G u a n g d o n g 511434 C h i n a A b s t r a c t Ob j e c t i ve To p r ov i de a c cur a t e c on t r o l o f wa t e r f e r t i l i z e r r a t i o du r i ng i r r i ga t i on p r o c e s s a wa t e r f e r t i l i z e r r a t i o con t r o l l e r ba s ed on va r i ab l e doma i n f uz z y p r opo r t i ona l i n t eg r a l de r i va t i ve PID wa s de s i gned f o r a t hr e e channe l i r r i ga t i on and f e r t i l i z a t i on ma ch i ne Me t hod Comb i ned wi t h au t oma t i on t e chno l ogy and i n t e l l i gen t con t r o l a l go r i t hm a va r i ab l e doma i n f uz z y PID c on t r o l s ys t em wa s de s i gned t o c on t r o l wa t e r f e r t i l i z e r r a t i o and mon i t o r wa t e r f e r t i l i z e r r a t i o o f t he wa t e r f e r t i l i z e r i n t eg r a t ed ma ch i ne i n r e a l t ime t hr ough t he f l ow s ens o r du r i ng i r r i ga t i on p r o c e s s To c on t r o l wa t e r f e r t i l i z e r r a t i o o f t he i r r i ga t i on s o l u t i on t he c on t r o l a l go r i t hm o f va r i ab l e doma i n f uz z y PID wa s us ed t o r egu l a t e va l ve open i ng and change r e t u rn wa t e r vo l ume o f t he f e r t i l i z e r suc t i on pump Then t he c on t r o l e f f e c t o f t h i s a l go r i t hm wa s ve r i f i ed by f i e l d expe r imen t s wi t h B r a s s i c a c a m p e s t r i s a s t he ob j e c t Re su l t Compa r ed wi t h t r ad i t i ona l PID c on t r o l s ys t em wa t e r f e r t i l i z e r r a t i o i n t he va r i ab l e doma i n f uz z y PID c on t r o l had f l uc t ua t i on and ove r shoo t The t ime t o r e a ch s t e ady s t a t e wa s r educ ed by 5 25 s e conds The e r r o r o f wa t e r f e r t i l i z e r r a t i o i n t he va r i ab l e doma i n f uz z y PID con t r o l s t r a t egy wa s l e s s t han 5 The r e su l t s o f f i e l d expe r imen t s showed t ha t c ompa r ed wi t h B r a s s i c a c a m p e s t r i s i r r i ga t ed by t r ad i t i ona l a r t i f i c i a l i r r i ga t i on and f e r t i l i z a t i on B r a s s i c a c a m p e s t r i s i r r i ga t ed by va r i ab l e doma i n f uz z y PID c on t r o l i r r i ga t i on and f e r t i l i z a t i on s ys t em s aved wa t e r u r e a and supe r phospha t e by 14 92 14 68 and 12 76 r e spe c t i ve l y The ave r age l eng t h p l an t he i gh t deve l opmen t deg r e e and l e a f numbe r o f B r a s s i c a c a m p e s t r i s we r e i nc r e a s ed by 15 86 17 67 18 92 and 21 73 r e spe c t i ve l y and i t s y i e l d wa s i nc r e a s ed by 41 73 Conc l us i on The de s i gned wa t e r f e r t i l i z e r i n t eg r a t ed ma ch i ne r e a l i z ed t he con t r o l o f wa t e r f e r t i l i z e r r a t i o by t he va r i ab l e doma i n f uz z y PID a l go r i t hm and t he wa t e r f e r t i l i z e r i n t eg r a t ed ma ch i ne c an me e t t he r equ i r emen t s o f p r a c t i c a l app l i c a t i on K e y w o r d s va r i ab l e doma i n f uz z y PID i r r i ga t i on and f e r t i l i z a t i on s ys t em wa t e r f e r t i l i z e r r a t i o 合 理 的 水 肥 供 給 是 農(nóng) 作 物 增 產(chǎn) 豐 收 的 保 證 目 前 我 國(guó) 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 中 長(zhǎng) 期 使 用 的 傳 統(tǒng) 灌 溉 施 肥 方 式 不 僅 造 成 水 肥 嚴(yán) 重 浪 費(fèi) 且 污 染 環(huán) 境 1 3 化 肥 的 減 施 增 效 是 我 國(guó) 十 三 五 期 間 提 出 的 重 點(diǎn) 攻 關(guān) 課 題 為 此 我 國(guó) 各 級(jí) 部 門 大 力 推 廣 水 肥 一 體 化 技 術(shù) 以 期 提 高 水 肥 利 用 率 節(jié) 約 水 肥 資 源 4 水 肥 一 體 化 技 術(shù) 是 指 根 據(jù) 作 物 不 同 生 長(zhǎng) 期 的 水 肥 需 求 進(jìn) 行 科 學(xué) 灌 溉 施 肥 的 技 術(shù) 在 對(duì) 作 物 灌 溉 施 肥 時(shí) 合 理 的 水 肥 配 比 能 避 免 過(guò) 量 灌 溉 造 成 浪 費(fèi) 起 到 節(jié) 水 省 肥 的 作 用 且 更 有 利 于 作 物 根 系 的 生 長(zhǎng) 發(fā) 育 水 肥 一 體 化 技 術(shù) 中 水 肥 配 比 的 調(diào) 控 存 在 時(shí) 變 性 非 線 性 數(shù) 學(xué) 模 型 不 確 定 性 等 問(wèn) 題 因 此 國(guó) 內(nèi) 外 學(xué) 者 提 出 了 大 量 的 智 能 控 制 算 法 來(lái) 提 高 水 肥 配 比 的 控 制 精 度 Sun 等 5 對(duì) 多 通 道 施 肥 機(jī) 施 肥 精 度 提 出 了 基 于 養(yǎng) 分 稀 釋 模 型 的 分 段 預(yù) 測(cè) 控 制 算 法 研 究 表 明 該 算 法 下 得 到 的 多 通 道 水 營(yíng) 養(yǎng) 物 混 合 比 精 度 高 但 該 系 統(tǒng) 只 檢 測(cè) 肥 路 中 總 電 導(dǎo) 率 EC 值 和 pH 值 無(wú) 法 獲 取 不 同 肥 料 的 施 肥 量 牛 寅 等 6 提 出 基 于 云 模 型 推 理 的 變 論 域 模 糊 比 例 積 分 PI 控 制 算 法 調(diào) 節(jié) pH 值 相 比 于 變 論 域 模 糊 PI 控 制 算 法 該 算 法 超 調(diào) 量 明 顯 下 降 但 是 該 研 究 只 檢 測(cè) 水 路 的 pH 值 并 未 考 慮 灌 溉 時(shí) 的 施 肥 濃 度 和 施 肥 量 張 育 斌 等 7 設(shè) 計(jì) 了 模 糊 比 例 積 分 微 分 PID 控 制 算 法 的 水 肥 精 量 配 比 灌 溉 系 統(tǒng) 實(shí) 現(xiàn) 了 單 通 道 水 肥 溶 液 配 比 控 制 系 統(tǒng) 有 較 快 的 響 應(yīng) 速 度 實(shí) 時(shí) 性 好 但 該 系 統(tǒng) 只 實(shí) 現(xiàn) 了 單 一 肥 料 的 施 用 而 生 產(chǎn) 中 一 般 需 要 氮 磷 鉀 并 施 因 此 缺 乏 普 適 性 Baha t 等 8 在 總 結(jié) 了 多 種 水 肥 機(jī) 控 制 方 法 的 基 礎(chǔ) 上 設(shè) 計(jì) 了 基 于 模 糊 邏 輯 控 制 算 法 的 灌 溉 控 制 器 僅 通 過(guò) S imu l i nk 仿 真 該 模 糊 邏 輯 控 制 模 型 在 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 和 結(jié) 構(gòu) 上 的 簡(jiǎn) 單 性 該 研 究 缺 少 在 施 肥 機(jī) 上 和 田 間 試 驗(yàn) 的 驗(yàn) 證 無(wú) 法 評(píng) 價(jià) 其 實(shí) 用 性 Ashr a f 等 9 利 用 模 糊 決 策 支 持 算 法 對(duì) 小 麥 的 肥 料 施 用 量 進(jìn) 行 了 研 究 但 不 具 有 普 適 性 姚 瑞 10 設(shè) 計(jì) 了 以 STM32 為 控 制 器 的 基 于 模 糊 控 制 策 略 的 物 聯(lián) 網(wǎng) 施 肥 灌 溉 控 制 系 統(tǒng) 但 該 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 相 對(duì) 復(fù) 雜 且 成 本 高 Me z a Pa l a c i o s 等 11 提 出 了 基 于 土 壤 條 件 模 型 和 氮 磷 鉀 施 肥 模 型 的 施 肥 決 策 支 持 系 統(tǒng) 該 系 統(tǒng) 可 以 增 加 作 物 產(chǎn) 量 降 低 肥 料 使 用 但 該 系 統(tǒng) 側(cè) 重 于 作 物 需 肥 量 的 預(yù) 測(cè) 而 不 是 施 肥 量 的 控 制 李 帥 帥 等 12 王 麗 娟 等 13 呂 途 等 14 G me z Me l ende z 等 15 利 用 模 糊 控 制 算 法 實(shí) 現(xiàn) 了 水 肥 一 體 化 控 制 系 統(tǒng) 的 pH 值 調(diào) 節(jié) 但 該 系 統(tǒng) 僅 能 反 映 水 肥 溶 液 的 pH 不 能 反 映 每 種 肥 料 的 施 用 量 Sun 等 16 提 出 時(shí) 變 非 線 性 控 制 算 法 調(diào) 節(jié) 水 肥 濃 度 獲 得 了 較 高 的 控 制 精 度 Zhang 等 17 以 PLC 為 核 心 對(duì) 直 流 調(diào) 速 器 進(jìn) 行 控 制 宋 新 財(cái) 18 通 過(guò) 對(duì) 隔 膜 泵 脈 寬 調(diào) 制 信 號(hào) PWM 控 制 來(lái) 調(diào) 節(jié) 流 速 改 變 混 肥 濃 度 但 以 上 3 種 均 為 單 一 液 肥 施 肥 機(jī) 且 采 用 文 丘 里 吸 肥 結(jié) 構(gòu) 雖 然 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 但 是 施 肥 精 度 不 高 Du 等 19 設(shè) 計(jì) 了 一 種 基 于 EC 值 的 水 肥 控 制 系 統(tǒng) 在 棉 花 生 育 期 該 系 統(tǒng) 平 均 減 少 了 10 89 的 肥 料 用 量 但 是 影 響 土 壤 EC 值 的 因 素 過(guò) 多 不 能 將 其 作 為 施 肥 的 唯 一 標(biāo) 準(zhǔn) 趙 景 波 等 20 朱 德 蘭 等 21 通 過(guò) 模 糊 PID 控 制 算 法 控 制 水 肥 溶 液 的 EC 值 以 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 水 肥 的 調(diào) 控 雖 然 取 得 了 較 好 的 控 制 效 果 但 僅 能 控 制 可 溶 性 鹽 的 濃 度 不 能 滿 足 作 物 生 長(zhǎng) 對(duì) 肥 料 多 樣 性 的 需 求 綜 上 所 述 大 量 的 研 究 者 將 智 能 控 制 算 法 與 水 肥 一 體 化 技 術(shù) 相 結(jié) 合 這 些 算 法 有 的 比 較 簡(jiǎn) 單 能 在 一 定 程 度 上 實(shí) 現(xiàn) 水 肥 配 比 的 控 制 但 存 在 水 肥 溶 液 配 比 精 度 低 難 以 滿 足 灌 溉 施 肥 的 實(shí) 際 需 求 有 些 算 法 較 為 先 進(jìn) 但 這 些 算 法 僅 處 于 系 統(tǒng) 仿 真 階 段 或 用 于 對(duì) 作 物 水 肥 需 求 的 預(yù) 測(cè) 并 未 用 于 實(shí) 際 的 水 肥 溶 液 配 制 和 對(duì) 溫 室 作 物 的 精 確 灌 溉 有 些 算 法 通 過(guò) 調(diào) 節(jié) 土 壤 EC 和 pH 值 間 接 計(jì) 算 單 種 配 料 溶 液 的 濃 度 目 前 僅 能 實(shí) 現(xiàn) 單 通 道 水 肥 溶 液 配 比 控 制 尚 不 能 滿 足 作 物 生 長(zhǎng) 對(duì) 多 種 肥 料 的 需 求 22 25 因 此 探 索 5 4 1 第 11 期 王 慶 華 等 基 于 變 論 域 模 糊 PID 的 水 肥 控 制 策 略 研 究對(duì) 水 肥 一 體 機(jī) 水 肥 配 比 精 準(zhǔn) 調(diào) 控 的 控 制 策 略 具 有 極 其 重 要 的 實(shí) 際 意 義 本 研 究 擬 結(jié) 合 自 動(dòng) 化 技 術(shù) 和 智 能 控 制 算 法 設(shè) 計(jì) 變 論 域 模 糊 PID 水 肥 配 比 控 制 系 統(tǒng) 并 通 過(guò) 流 量 傳 感 器 實(shí) 時(shí) 監(jiān) 測(cè) 灌 溉 過(guò) 程 中 水 肥 配 比 的 變 化 旨 在 為 水 肥 一 體 化 灌 溉 中 水 肥 配 比 的 精 確 控 制 提 供 技 術(shù) 支 持 1 水 肥 一 體 化 系 統(tǒng) 1 1 水 肥 一 體 機(jī) 組 成 與 原 理 水 肥 一 體 機(jī) 總 體 結(jié) 構(gòu) 如 圖 1 所 示 該 裝 備 與 灌 溉 網(wǎng) 絡(luò) 整 體 構(gòu) 成 了 水 肥 一 體 化 系 統(tǒng) 其 中 水 肥 一 體 機(jī) 包 括 吸 水 泵 肥 料 罐 注 肥 泵 流 量 調(diào) 節(jié) 閥 流 量 傳 感 器 單 向 閥 以 及 灌 溉 電 磁 閥 等 該 水 肥 機(jī) 有 1 條 主 水 路 和 A B C 3 條 肥 路 3 條 肥 路 的 組 成 結(jié) 構(gòu) 和 連 接 方 式 完 全 相 同 每 一 條 肥 路 管 上 通 過(guò) T 型 三 通 接 口 接 入 一 回 水 通 道 在 每 一 條 回 水 通 道 上 安 裝 1 個(gè) 電 控 流 量 調(diào) 節(jié) 閥 水 肥 一 體 機(jī) 通 過(guò) 此 流 量 調(diào) 節(jié) 閥 形 成 回 流 一 方 面 調(diào) 節(jié) 肥 路 管 道 的 壓 強(qiáng) 防 止 水 泵 燒 壞 和 管 道 爆 管 另 一 方 面 通 過(guò) 改 變 流 量 調(diào) 節(jié) 閥 的 開(kāi) 度 控 制 回 水 量 以 實(shí) 現(xiàn) 實(shí) 際 施 肥 量 的 間 接 調(diào) 整 在 主 水 路 和 肥 路 中 均 安 裝 有 流 量 傳 感 器 1 個(gè) 大 量 程 流 量 傳 感 器 和 3 個(gè) 小 量 程 流 量 傳 感 器 實(shí) 時(shí) 監(jiān) 測(cè) 相 應(yīng) 管 路 的 流 量 水 肥 一 體 機(jī) 在 定 時(shí) 定 量 灌 溉 水 肥 時(shí) 需 要 確 定 系 統(tǒng) 的 總 灌 溉 量 和 灌 溉 時(shí) 長(zhǎng) 同 時(shí) 為 防 止 用 戶 設(shè) 定 的 灌 溉 量 和 灌 溉 時(shí) 長(zhǎng) 不 合 理 導(dǎo) 致 澆 水 過(guò) 多 影 響 作 物 生 長(zhǎng) 因 此 設(shè) 置 了 土 壤 濕 度 上 限 單 獨(dú) 灌 水 時(shí) 3 條 肥 路 均 不 工 作 僅 主 水 路 工 作 當(dāng) 系 統(tǒng) 的 灌 溉 量 灌 溉 時(shí) 長(zhǎng) 土 壤 濕 度 上 限 其 中 之 一 達(dá) 到 系 統(tǒng) 設(shè) 定 值 時(shí) 水 肥 一 體 機(jī) 立 即 停 止 工 作 在 灌 溉 水 肥 時(shí) 系 統(tǒng) 根 據(jù) 用 戶 設(shè) 定 的 灌 溉 總 量 及 不 同 肥 料 的 施 用 量 計(jì) 算 水 肥 配 比 參 數(shù) 通 過(guò) 算 法 控 制 流 量 調(diào) 節(jié) 閥 開(kāi) 度 實(shí) 現(xiàn) 水 肥 精 準(zhǔn) 配 比 1 吸 水 泵 2 肥 料 罐 3 注 肥 泵 4 流 量 調(diào) 節(jié) 閥 5 小 量 程 流 量 傳 感 器 6 單 向 閥 7 手 動(dòng) 閥 8 大 量 程 流 量 傳 感 器 9 灌 溉 電 磁 閥 10 土 壤 溫 濕 度 傳 感 器 11 空 氣 溫 濕 度 傳 感 器 12 電 腦 1 I n t ake pump 2 Fe r t i l i z e r t ank 3 I n j e c t i on pump 4 Regu l a t i ng va l ve 5 Sma l l r ange f l ow s ens o r 6 One way va l ve 7 Manua l va l ve 8 La r ge r ang f l ow s ens o r 9 So l eno i d va l ve 10 So i l t empe r a t ur e and humi d i t y s ens o r 11 Ai r t empe r a t ur e and humi d i t y s ens o r 12 Compu t e r 圖 1 水 肥 一 體 機(jī) 的 結(jié) 構(gòu) F i g 1 Wa t e r and f e r t i l i z e r i n t eg r a t ed ma ch i ne s t r uc t u r e 1 2 水 肥 一 體 化 系 統(tǒng) 總 體 方 案 設(shè) 計(jì) 設(shè) 計(jì) 的 水 肥 一 體 化 系 統(tǒng) 如 圖 2 所 示 其 主 要 器 件 包 括 領(lǐng) 控 科 技 有 限 公 司 生 產(chǎn) 的 型 號(hào) 為 ZK3U 64MRT 的 可 編 程 邏 輯 控 制 器 PLC 廣 東 凌 霄 泵 業(yè) 股 份 有 限 公 司 生 產(chǎn) 的 BJZ100 不 銹 鋼 水 泵 吸 水 泵 普 蘭 迪 機(jī) 電 設(shè) 備 有 限 公 司 生 產(chǎn) 的 1206 微 型 隔 膜 泵 注 肥 泵 山 東 信 準(zhǔn) 電 子 科 技 有 限 公 司 生 產(chǎn) 的 DN25 小 量 程 流 量 傳 感 器 和 DN40 大 量 程 流 量 傳 感 器 電 磁 閥 自 制 調(diào) 節(jié) 閥 由 42HS6315A4 步 進(jìn) 電 機(jī) 聯(lián) 軸 器 25 的 黃 銅 截 止 閥 組 成 繼 電 器 電 源 模 塊 普 銳 森 社 公 司 生 產(chǎn) 的 PR 3000 TR N01 土 壤 溫 濕 度 傳 感 器 威 海 晶 和 數(shù) 字 礦 山 技 術(shù) 有 限 公 司 生 產(chǎn) 的 ZZ THS ST 空 氣 溫 濕 度 傳 感 器 個(gè) 人 計(jì) 算 機(jī) PC 等 PC 與 PLC 采 用 RS 485 的 Modbus RTU 協(xié) 議 有 線 通 信 PLC 采 集 水 肥 一 體 機(jī) 的 流 量 數(shù) 據(jù) 調(diào) 節(jié) 閥 狀 態(tài) 電 磁 閥 通 斷 以 及 作 物 生 長(zhǎng) 環(huán) 境 的 土 壤 溫 濕 度 與 空 氣 溫 濕 度 等 數(shù) 據(jù) 后 上 傳 PC 端 PC 端 對(duì) 上 傳 的 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 預(yù) 處 理 和 存 儲(chǔ) 建 立 作 物 生 長(zhǎng) 環(huán) 境 6 4 1 西 北 農(nóng) 林 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 自 然 科 學(xué) 版 第 51 卷表 和 設(shè) 備 運(yùn) 行 狀 態(tài) 表 并 通 過(guò) 智 能 控 制 算 法 處 理 相 關(guān) 數(shù) 據(jù) 下 發(fā) 控 制 指 令 實(shí) 現(xiàn) 水 肥 一 體 化 系 統(tǒng) 中 水 肥 配 比 的 精 準(zhǔn) 控 制 圖 2 水 肥 一 體 化 系 統(tǒng) 的 整 體 架 構(gòu) F i g 2 Ove r a l l s t r uc t u r e o f i r r i ga t i on and f e r t i l i z a t i on sy s t em 水 肥 一 體 化 系 統(tǒng) 中 各 主 要 器 件 的 配 置 參 數(shù) 為 ZK3U 64MRT 型 號(hào) 的 PLC 64 點(diǎn) 輸 入 輸 出 10 路 模 擬 量 輸 入 2 路 模 擬 量 輸 出 1 個(gè) RS 232 通 訊 口 2 個(gè) RS 485 通 訊 口 1 路 網(wǎng) 絡(luò) 接 口 吸 水 泵 額 定 功 率 750 W 額 定 流 量 2 400 L h 額 定 揚(yáng) 程 25 m 注 肥 泵 額 定 功 率 45 W 額 定 流 量 240 L h 額 定 揚(yáng) 程 100 m 小 量 程 流 量 傳 感 器 額 定 電 壓 直 流 5 V 檢 測(cè) 范 圍 5 600 L h 大 量 程 流 量 傳 感 器 額 定 電 壓 直 流 24 V 檢 測(cè) 范 圍 60 7 200 L h 截 止 閥 口 徑 25 mm 材 質(zhì) HPb59 1 使 用 溫 度 10 120 公 稱 壓 力 1 6 MPa 土 壤 溫 濕 度 傳 感 器 土 壤 溫 度 的 測(cè) 量 范 圍 為 40 80 精 度 為 0 5 土 壤 濕 度 的 測(cè) 量 范 圍 為 0 100 精 度 為 3 空 氣 溫 濕 度 傳 感 器 空 氣 溫 度 的 測(cè) 量 范 圍 為 40 80 精 度 為 0 5 空 氣 濕 度 的 測(cè) 量 范 圍 為 0 100 精 度 為 3 2 變 論 域 模 糊 PID 控 制 器 的 設(shè) 計(jì) 2 1 PID 控 制 器 的 設(shè) 計(jì) 針 對(duì) 水 肥 一 體 化 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 的 PID 控 制 器 其 目 的 是 通 過(guò) 合 理 控 制 截 止 閥 開(kāi) 度 使 水 肥 一 體 化 系 統(tǒng) 實(shí) 際 輸 出 的 水 肥 配 比 值 快 速 達(dá) 到 用 戶 設(shè) 定 的 數(shù) 值 并 盡 快 穩(wěn) 定 下 來(lái) 因 此 控 制 器 的 參 數(shù) 不 宜 過(guò) 大 一 般 使 用 試 湊 法 確 定 控 制 器 通 過(guò) 定 時(shí) 采 集 的 系 統(tǒng) 輸 出 量 是 一 個(gè) 離 散 值 因 此 將 連 續(xù) 方 程 的 PID 控 制 離 散 化 其 表 達(dá) 式 可 表 示 為 u k K p e k K i k i 1 e i K d e k e k 1 1 式 中 u k 為 本 次 控 制 器 的 輸 出 值 K p 為 比 例 系 數(shù) K i 為 積 分 系 數(shù) K d 為 微 分 系 數(shù) e k 為 本 次 控 制 器 輸 入 與 設(shè) 定 值 之 間 的 偏 差 k i 1 e i 為 e k 及 之 前 控 制 器 輸 入 與 設(shè) 定 值 之 間 偏 差 的 累 計(jì) 和 e k 1 為 上 一 次 控 制 器 輸 入 與 設(shè) 定 值 之 間 的 偏 差 2 2 變 論 域 模 糊 PID 控 制 器 的 原 理 及 水 肥 一 體 化 系 統(tǒng) 的 控 制 2 2 1 變 論 域 模 糊 PID 控 制 的 原 理 變 論 域 模 糊 PID 控 制 是 將 模 糊 控 制 與 PID 控 制 相 結(jié) 合 并 引 入 變 論 域 思 想 將 水 肥 配 比 的 變 化 情 況 轉(zhuǎn) 化 為 一 定 的 隸 屬 度 函 數(shù) 通 過(guò) 變 論 域 思 想 和 模 糊 推 理 優(yōu) 化 PID 控 制 參 數(shù) 使 控 制 器 具 有 較 強(qiáng) 的 自 適 應(yīng) 能 力 抗 干 擾 能 力 和 較 高 的 控 制 精 度 變 論 域 模 糊 控 制 器 的 原 理 框 圖 如 圖 3 所 示 圖 3 中 r t 為 變 論 域 模 糊 控 制 器 的 設(shè) 定 值 u t 為 變 論 域 模 糊 控 制 器 的 輸 出 值 y t 為 變 論 域 模 糊 控 制 器 的 反 饋 值 e 為 水 肥 配 比 的 偏 差 e c 為 水 肥 配 比 偏 差 的 變 化 率 L e L e c 和 L p i d 分 別 為 在 變 論 域 下 e e c 和 控 制 器 PID 參 數(shù) 的 伸 縮 因 子 7 4 1 第 11 期 王 慶 華 等 基 于 變 論 域 模 糊 PID 的 水 肥 控 制 策 略 研 究 圖 3 變 論 域 模 糊 PID 控 制 原 理 F i g 3 B l o ck d i ag r am o f f u z z y PID c on t r o l p r i nc i p l e i n va r i ab l e doma i n 2 2 2 水 肥 一 體 化 系 統(tǒng) 的 控 制 水 肥 一 體 化 系 統(tǒng) 控 制 主 水 路 灌 溉 溶 液 的 水 肥 配 比 值 因 此 選 取 水 肥 配 比 的 偏 差 e 和 偏 差 的 變 化 率 e c 作 為 本 系 統(tǒng) 的 輸 入 變 量 選 取 調(diào) 節(jié) 閥 的 脈 沖 個(gè) 數(shù) u 作 為 輸 出 變 量 通 過(guò) 變 論 域 和 模 糊 控 制 優(yōu) 化 PID 控 制 器 的 參 數(shù) K p K i 和 K d 因 此 變 論 域 模 糊 控 制 器 的 輸 出 值 是 PID 控 制 參 數(shù) 的 修 正 值 K p 比 例 系 數(shù) 修 正 值 K i 積 分 系 數(shù) 修 正 值 K d 微 分 系 數(shù) 修 正 值 偏 差 e 的 基 本 論 域 為 e e e e e c 的 基 本 論 域 為 e c e c e c e c 輸 出 值 的 基 本 論 域 為 K K 其 中 e e c 為 對(duì) 應(yīng) 變 量 論 域 的 伸 縮 因 子 其 整 定 變 量 由 水 肥 配 比 目 標(biāo) 值 決 定 K 為 K p K i K d 的 統(tǒng) 稱 以 伸 縮 因 子 e 為 例 用 模 糊 本 體 構(gòu) 建 法 進(jìn) 行 求 解 e 和 e c 的 模 糊 集 合 均 為 NB NM NS ZO PS PM PB 論 域 均 為 3 3 其 中 NB NM NS ZO PS PM PB 分 別 代 表 參 數(shù) 負(fù) 大 負(fù) 中 負(fù) 小 零 正 小 正 中 正 大 是 表 征 輸 入 和 輸 出 變 量 模 糊 化 后 的 模 糊 語(yǔ) 句 變 論 域 伸 縮 因 子 e 的 語(yǔ) 言 值 為 S M Z B 論 域 為 0 1 5 其 中 S M Z 和 B 分 別 表 示 輕 度 壓 縮 中 度 壓 縮 基 本 不 變 和 輕 度 擴(kuò) 張 e 的 隸 屬 函 數(shù) 選 用 三 角 形 隸 屬 函 數(shù) 如 圖 4 所 示 模 糊 構(gòu) 建 規(guī) 則 可 表 示 為 i f e i s e i and e c i s e c i t hen e i s e i j i 1 2 n j 1 2 m 模 糊 規(guī) 則 如 表 1 所 示 圖 4 變 論 域 伸 縮 因 子 e 的 三 角 形 隸 屬 函 數(shù) F i g 4 Tr i angu l a r membe r sh i p f unc t i on o f s c a l i ng f a c t o r e i n va r i ab l e doma i n 表 1 變 論 域 伸 縮 因 子 e 的 模 糊 控 制 規(guī) 則 表 Tab l e 1 Tab l e o f f u z z y c on t r o l r u l e s o f s c a l i ng f a c t o r e i n va r i ab l e doma i n e e c NB NM NS ZO PS PM PB NB B B M S M M B NM B B M S S M B NS M M S Z Z M M ZO M S Z Z Z S M PS M M M Z S M M PM B M M S S M B PB B B M S S B B 通 過(guò) 伸 縮 因 子 改 變 模 糊 控 制 的 基 本 論 域 其 改 變 可 以 修 正 量 化 因 子 的 量 化 等 級(jí) 也 可 以 調(diào) 整 比 例 8 4 1 西 北 農(nóng) 林 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 自 然 科 學(xué) 版 第 51 卷因 子 的 大 小 量 化 因 子 和 比 例 因 子 隨 伸 縮 因 子 的 變 化 而 變 化 輸 入 和 輸 出 變 量 的 模 糊 集 合 均 為 NB NM NS ZO PS PM PB 論 域 均 為 3 3 隸 屬 函 數(shù) 如 圖 5 所 示 K p 的 模 糊 規(guī) 則 如 表 2 所 示 2 2 3 PID 參 數(shù) 優(yōu) 化 計(jì) 算 出 實(shí) 際 水 肥 配 比 值 與 設(shè) 定 值 的 偏 差 e 和 偏 差 變 化 率 e c 通 過(guò) 變 論 域 獲 取 e e c 和 K 的 伸 縮 因 子 從 而 改 變 模 糊 控 制 中 的 量 化 因 子 和 比 例 因 子 之 后 進(jìn) 行 模 糊 化 模 糊 推 理 和 去 模 糊 化 處 理 得 到 PID 參 數(shù) 的 修 正 值 K p K i K d PID 參 數(shù) 修 正 后 如 式 2 所 示 基 于 變 論 域 模 糊 PID 控 制 器 的 水 肥 配 比 精 準(zhǔn) 控 制 算 法 的 流 程 如 圖 6 所 示 K p K p0 K p K i K i0 K i K d K d0 K d 2 式 中 K p0 為 比 例 系 數(shù) 初 值 K i0 為 積 分 系 數(shù) 初 值 K d 為 微 分 系 數(shù) 初 值 圖 5 變 論 域 修 正 值 K p 的 三 角 形 隸 屬 函 數(shù) F i g 5 Tr i angu l a r membe r sh i p f unc t i on o f mod i f i ed va l ue K p i n va r i ab l e doma i n 表 2 變 論 域 修 正 值 K p 的 模 糊 控 制 規(guī) 則 表 Tab l e 2 Tab l e o f f u z z y c on t r o l r u l e s o f c o r r e c t i on va l ue K p i n va r i ab l e doma i n e e c NB NM NS ZO PS PM PB NB PB PB PM PM PS ZO ZO NM PB PB PM PS PS ZO NS NS PM PM PM PS ZO NS NS ZO PM PM PS ZO NS NM NM PS PS PS ZO NS NS NM NM PM PS ZO NS NM NM NM NB PB ZO ZO NM NM NM NB NB 圖 6 變 論 域 模 糊 PID 水 肥 配 比 調(diào) 控 算 法 的 流 程 F i g 6 F l ow o f wa t e r and f e r t i l i z e r r a t i o c on t r o l a l go r i