模糊PID控制在水肥一体机肥料原液混合系统中的应用.pdf

2022 年 6 期 科技创新与应用 Technology Innovation and Application众创空间 模糊 PID 控制在水肥一体机肥料原液混合系统中的应用 魏显文 孙国亮 魏 堃 杨 超 武威职业学院 甘肃 武威 733000 常见的水肥一体机在配制肥料原液时多为手控配 液 机械配液 即利用单片机 PLC 控制流量阀的开度 进 行液体按比例配制 效率低下 PID 控制器有效解决了手 控和机械配液效率低的问题 配比精度也有所提高 但在 实际生产现场中 灌溉肥水需求的浓度不固定 由于参数 整定复杂 常规 PID 控制器往往会出现参数设置不佳 控 制精度不高 对实际生产的适应力较差 已经难以满足更 高精度要求 且难以实现实时控制 基于此 本文将模糊 PID 控制算法应用于水肥一体机 肥料原液混合系统中 旨在有效解决以上问题 且该系统能 有效避免流量阀开度差异过大引起的混合液比例失调 1 灌溉肥水配制系统的工作原理 肥水的配制以水溶肥 A 水溶肥 B 和水为原料 按照 用户实际所需要的比例浓度进行搅拌 并实时检测混合 液的酸碱度 加入少量的酸液 保证肥水的酸碱度达到灌 溉用水的标准 为了适应不同用户对于肥水的不同需求 本系统在上位机设置可以按照不同品种 不同比例进行 配制 在配制过程中 2 种水溶肥用浓度比的方式计量 若浓度比发生偏差 则以水溶肥 A 的流量为标准 通过 改变水溶肥 B 的流量来调节 2 种成分的浓度比 混液装置主要由浓度检测变送单元 比较环节 模糊 PID 控制系统和流量阀组成 系统中需要控制的变量为 混合液中成分 A 成分 B 浓度的比值 其控制流程如图 1 所示 首先由浓度检测变送单元检测出 2 种成分的浓度 并转换为浓度比 送入比较环节 比较环节内实现浓度比 与设定值比较后求出偏差和变化率 再将二者送入模糊 推理环节 经模糊推理后实时整定 PID 参数 PID 控制器 控制执行机构调节流量阀 B 的开度 使 2 种成分的浓度 比尽快达到并稳定在设定值 图 1 肥料原液混合控制系统 摘 要 田间及温室灌溉施肥一体化系统 简称水肥一体机 通过检测灌溉溶液营养成分及酸碱度 控制原液混合系统释 放 2 种水溶肥参与混合搅拌 达到灌溉肥水标准 然后进行指定坐标精准施肥 其中肥料原液的混合尤为重要 而传统的手工 配液和机械配液难以达到精准精细化实时控制的目的 文章提出了基于模糊 PID 控制的肥料原液混合系统的研究应用 能够 有效提高配比精度 节省原液 显著提高水肥一体机的经济效益 关键词 模糊 PID 控制 混合 过程控制 控制器调节 经济 中图分类号 S224 2 文献标志码 A 文章编号 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 基金项目 2020 年武威市市列科技计划项目 WW202003 2021 年武威职业学院横向课题 wwochxkt202101 作者简介 魏显文 1982 男 硕士研究生 副教授 研究方向为智能控制 通信作者 孙国亮 1992 男 本科 助教 研究方向为电气工程与自动化 DOI 10 19981 j CN23 1581 G3 2022 06 010 36 2022 年 6 期 科技创新与应用 Technology Innovation and Application 众创空间 常规 PID 离散控制算法 式中 K p K i K d 分别为比例增益 积分增益 微分增益 加 入模糊推理环节后 3 个值将不再固定 而是能够根据 浓度比的变化和变化率实时自动调整 即 3 个值变为 K p K p K i K i K d K d 2 肥水配制模糊 PID 控制过程 首先浓度检测变送单元会检测到 2 种成分的浓度 比 经过比较环节得到与设定的浓度比的偏差 e 以及当 前偏差和上一时刻偏差的变化 e c 即偏差变化率 例如设 定成分 A 与成分 B 的浓度比为 2 1 此时检测到浓度比 为 2 2 1 而上一时刻浓度比为 2 3 1 则 e 为 0 2 e c 为 2 3 2 2 0 1 2 1 变量模糊化 以 e 为例 检测到的浓度比是有范围的 即浓度比与 设定值偏差在一个区间内 设该系统中浓度偏差范围 为 0 6 因此将偏差 e 量化于 0 6 0 6 区域内 允许的 浓度偏差变化率范围为 0 15 将其量化于 0 15 0 15 区域内 将二者变换至模糊集论域 3 2 1 0 1 2 3 根据需要将其一一对应为 负大 NB 负中 NM 负 小 NS 零 ZO 正小 PS 正中 PM 正大 PB 7 个等级 对应的模糊控制规则见表 1 表 1 模糊控制规则表 2 2 确定控制规则 根据表 1 可以归纳出 49 条控制逻辑规则 均由生 产及工程技术人员总结和实践操作经验得出 如 IF e is NB and e c is NM then K p is PB K i is NB K d is NS 其含义为如果偏差为负大 偏差变化率为负中 为尽快消除负偏差 比例增益变化应取正大 积分增益变 化应取负大 同时 因偏差变化呈负增长趋势 微分增益 变化应适当取负小 防止偏差变化过快导致正向偏差 最 终能到到新的增益分别为 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 其含义为如果偏差和偏差变 化率分别为零 正大 则对应的 K p K i K d 分别为正 大 正中 零 其余 47 条规则不再一一阐述 2 3 解模糊化 以上 PID 参数的修正值是通过模糊推理得到的 即 K p K i K d 仍为对应的等级 必须将其转化为数字量 才能与原有增益相加得到新的增益 该过程就为解模糊 化过程 本系统中采用工业控制中广泛应用的加权平均 法 根据上述方法 利用 Simulink 仿真得到 K p K i K d 的模糊查询表 通过查表得到 K p K i K d 的数字量就 可以对 K p K i K d 进行修正 该过程是 1 个动态过程 调节 过程中若偏差和偏差变化率发生新的变化 3 项增益也 会实时调整 达到最优控制效果 3 Simulink 仿真与结论 为了简化整个仿真过程 我们将水溶肥 A 对应的流 量阀 A 设定为 1 通过改变调节阀 B 的开度 来控制 2 种 水溶肥的流量 从而改变混合液中 2 种成分的浓度 水溶 肥 B 的流量与流量阀 B 开度有关 其开度不同 流速不 同 溶液中成分 A B 浓度就不同 本系统中将流量阀 B 等效为一阶惯性环节 其传递函数为 其中 K 为流量阀 B 增量 T 为流量阀 B 的时间常量 若 考虑到该系统存在滞后 设其滞后时间为 此时传递函 数变为 该仿真模型中取 K 2 T 2 3 s 其输入为 2 种成分的 浓度比 通过模糊 PID 控制 调节流量阀 B 的开度 输出 为 2 种成分的实际浓度比 经反馈环节与设定值比较 通 过模糊控制实时调整 PID 控制环节的参数 使实际浓度 比快速达到设定值 在仿真模型中加入 Uniform Ran dom Number 模块 模拟实际生产中存在的杂质影响 检 测误差等系统干扰 假设当前输入为 2 0 两种方式控制效果如图 2 所 示 可明显看出 采用模糊 PID 控制 超调量为 5 左右 而常规 PID 控制的超调量为 35 且存在明显振荡 采 用模糊 PID 控制 其调节时间为 3 s 比常规 PID 控制快 了接近 3 s 在 10 s 时间内 常规 PID 控制系统最终达 到的流量比约为 1 98 未能达到设定值 2 0 假如改变浓度比的设定值为 1 5 和 2 5 再次进行仿 真 模糊 PID 的控制效果对比如图 3 所示 可以看出 随 着浓度比设定值的增大 仿真结果超调量也变大 调节时 间也变长 但不管哪一种浓度比 模糊 PID 控制总能达到 控制要求且系统稳定性良好 综上所述 在水肥一体机中使用模糊 PID 控制 能够 使肥水达到精确的浓度比 且配制时间短 配置过程中浓 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 科技创新与应用 Technology Innovation and Application众创空间 参考文献 1 田金平 娜孜古丽 托合塔尔 葛国庆 玉米膜下滴灌水肥一体化水 溶肥筛选试验探究 J 世界热带农业信息 2021 10 21 22 2 徐翔 石荣玲 胡万佳 等 智能水肥一体化的施肥装置设计 J 科学 技术创新 2021 25 153 154 3 牛珂平 水肥一体化 技术在马铃薯栽培中的运用研究 J 新农业 2021 17 16 18 4 李海峰 郭丽娟 于宏 等 智能滴灌水肥一体化在林业应用中存在 的问题及推广建议 J 现代农业科技 2021 16 150 152 5 白佳 水肥一体化技术应用不可忽视的几个问题 J 西北园艺 果 树 2021 4 5 6 6 齐振宇 蔡溧聪 胡卫珍 等 水肥一体化模式中化肥减施与不同基 追肥比例对大蒜产量和品质的影响 J 浙江农业学报 2021 33 8 1409 1415 7 邴兆珍 滴灌水肥一体化技术在果树上的应用探究 J 农业开发与 装备 2021 7 207 208 8 高艳红 段军 金昌市紫花苜蓿浅埋式滴灌水肥一体化生产技术 J 甘肃农业科技 2021 52 7 97 98 9 朱亮 曾值 水肥一体化农业智能灌溉系统研究 J 南方农机 2021 52 14 53 54 10 梁嘉敏 杨虎晨 张立丹 等 我国水溶性肥料及水肥一体化的研 究进展 J 广东农业科学 2021 48 5 64 75 11 阮汉铖 智能型水肥一体化控制装置研究 D 杨凌 西北农林科技 大学 2021 度不会出现大幅跳变 此外 需要配制不同浓度的肥水 时 常规 PID 控制除改变浓度比设定值外 为达到好的控 制效果 还需要重新整定参数 比较繁琐 而模糊 PID 控 制只需要改变设定值 相关参数经模糊推理过程会自行 达到最佳 比较简洁 因此 模糊 PID 控制在水肥一体机 肥水配制中具有较强的应用价值 图 2 模糊 PID 和常规 PID 控制效果对比 图 3 不同浓度比设定值下的仿真效果对比 3 结论 本文通过 SW 和 ANSYS 软件 建立了简化的钢平面 闸门模型 利用理论推导和有限元计算 分析了门槽在不 同安装精度下的受力情况及磨损大小 根据计算得到 在 不同安装误差时 闸门启闭 1 000 次门槽预埋件最大的 磨损量 本文的计算结果可以为闸门施工提供一定的理 论依据 参考文献 1 唐继洲 二滩水电站尾水管闸门及启闭机的安装 J 四川水力发电 2004 23 1 48 49 51 2 金怀锋 乌东德水电站右岸导流隧洞闸门门槽快速施工技术 J 中 国水能及电气化 2016 12 6 10 3 白润波 曹平周 曹茂森 大型钢闸门轨道与混凝土基础接触问题 分析 J 水利水运工程学报 2009 1 10 16 4 韩君格 滑杆折叠式闸门的试验研究与优化设计 D 泰安 山东农业 大学 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 白润波 曹平周 邱丽清 水工钢闸门轨道横截面弯曲应力分析 J 长江科学院院报 2009 26 8 68 72 7 卢新杰 郝楠楠 胡葆文 新型平面闸门门槽埋件支承装置及安装 方法 J 科技创新与应用 2019 30 126 127 8 曹洋 水工闸门门槽混凝土与埋件一次施工技术研究与应用 J 水 利建设与管理 2019 39 3 65 68 9 吴维明 王雪飞 糯扎渡水电站 3 导流隧洞封堵闸门门槽的安装 J 水利水电技术 2010 41 5 23 24 10 李聪波 何娇 杜彦斌 等 基于 Archard 模型的机床导轨磨损模型 及有限元分析 J 机械工程学报 2016 52 15 106 113 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 上接 35 页 38