基于变论域模糊PID的水肥控制策略研究.pdf-

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第 51 卷第 11 期 2023 年 11 月西北农林科技大学学报自然科学版 J ou r na l o f No r t hwe s t A 国家现代农业产业技术体系项目 CARS 23 D06 陕西省科技创新团队项目 2021TD 34 作者简介王庆华 1999 男陕西咸阳人在读硕士主要从事智能控制研究 E ma i l 18691098768 163 c om 通信作者侯俊才 1975 男青海乐都人副教授博士硕士生导师主要从事智能控制和无损检测研究 E ma i l hou j unc a i nwsua f edu cn 王庆华 1 周晶 1 2 侯俊才 1 1 西北农林科技大学机械与电子工程学院陕西杨凌 712100 2 广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院广东广州 511434 摘要目的设计用于三通道灌溉施肥机的变论域模糊比例积分微分 PID 水肥配比控制器为水肥一体机灌溉过程中水肥配比的精准控制提供支持方法结合自动化技术和智能控制算法设计变论域模糊 PID 水肥配比控制策略通过流量传感器实时监测水肥一体机灌溉过程中的水肥配比采用变论域模糊 PID 控制策略调控阀门开度改变吸肥泵的回水量实现对灌溉溶液中水肥配比的控制并以蔬菜上海青为对象通过田间试验对该算法的控制效果进行试验验证结果与传统 PID 控制系统相比变论域模糊 PID 控制系统的水肥配比波动和超调量均较小到达稳态的时间缩短了 5 25 s 变论域模糊 PID 控制的水肥配比误差不超过 5 田间试验结果表明与使用传统人工灌溉施肥相比采用变论域模糊 PID 控制策略的水肥一体化系统灌溉上海青可以节水 14 92 节省尿素 14 68 节省过磷酸钙 12 76 且上海青的平均全长株高开展度叶片数分别提高了 15 86 17 67 18 92 和 21 73 产量提高了 41 73 结论实现了水肥一体机水肥配比的变论域模糊 PID 控制设计的水肥一体机的性能可以满足实际生产需求关键词变论域模糊 PID 水肥一体化系统水肥配比中图分类号 S224 21 文献标志码 A 文章编号 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 合理的水肥供给是农作物增产丰收的保证目前我国农业生产中长期使用的传统灌溉施肥方式不仅造成水肥严重浪费且污染环境 1 3 化肥的减施增效是我国十三五期间提出的重点攻关课题为此我国各级部门大力推广水肥一体化技术以期提高水肥利用率节约水肥资源 4 水肥一体化技术是指根据作物不同生长期的水肥需求进行科学灌溉施肥的技术在对作物灌溉施肥时合理的水肥配比能避免过量灌溉造成浪费起到节水省肥的作用且更有利于作物根系的生长发育水肥一体化技术中水肥配比的调控存在时变性非线性数学模型不确定性等问题因此国内外学者提出了大量的智能控制算法来提高水肥配比的控制精度 Sun 等 5 对多通道施肥机施肥精度提出了基于养分稀释模型的分段预测控制算法研究表明该算法下得到的多通道水营养物混合比精度高但该系统只检测肥路中总电导率 EC 值和 pH 值无法获取不同肥料的施肥量牛寅等 6 提出基于云模型推理的变论域模糊比例积分 PI 控制算法调节 pH 值相比于变论域模糊 PI 控制算法该算法超调量明显下降但是该研究只检测水路的 pH 值并未考虑灌溉时的施肥浓度和施肥量张育斌等 7 设计了模糊比例积分微分 PID 控制算法的水肥精量配比灌溉系统实现了单通道水肥溶液配比控制系统有较快的响应速度实时性好但该系统只实现了单一肥料的施用而生产中一般需要氮磷钾并施因此缺乏普适性 Baha t 等 8 在总结了多种水肥机控制方法的基础上设计了基于模糊逻辑控制算法的灌溉控制器仅通过 S imu l i nk 仿真该模糊逻辑控制模型在系统设计和结构上的简单性该研究缺少在施肥机上和田间试验的验证无法评价其实用性 Ashr a f 等 9 利用模糊决策支持算法对小麦的肥料施用量进行了研究但不具有普适性姚瑞 10 设计了以 STM32 为控制器的基于模糊控制策略的物联网施肥灌溉控制系统但该系统结构相对复杂且成本高 Me z a Pa l a c i o s 等 11 提出了基于土壤条件模型和氮磷钾施肥模型的施肥决策支持系统该系统可以增加作物产量降低肥料使用但该系统侧重于作物需肥量的预测而不是施肥量的控制李帅帅等 12 王丽娟等 13 吕途等 14 G me z Me l ende z 等 15 利用模糊控制算法实现了水肥一体化控制系统的 pH 值调节但该系统仅能反映水肥溶液的 pH 不能反映每种肥料的施用量 Sun 等 16 提出时变非线性控制算法调节水肥浓度获得了较高的控制精度 Zhang 等 17 以 PLC 为核心对直流调速器进行控制宋新财 18 通过对隔膜泵脉宽调制信号 PWM 控制来调节流速改变混肥浓度但以上 3 种均为单一液肥施肥机且采用文丘里吸肥结构虽然结构简单但是施肥精度不高 Du 等 19 设计了一种基于 EC 值的水肥控制系统在棉花生育期该系统平均减少了 10 89 的肥料用量但是影响土壤 EC 值的因素过多不能将其作为施肥的唯一标准赵景波等 20 朱德兰等 21 通过模糊 PID 控制算法控制水肥溶液的 EC 值以实现对水肥的调控虽然取得了较好的控制效果但仅能控制可溶性盐的浓度不能满足作物生长对肥料多样性的需求综上所述大量的研究者将智能控制算法与水肥一体化技术相结合这些算法有的比较简单能在一定程度上实现水肥配比的控制但存在水肥溶液配比精度低难以满足灌溉施肥的实际需求有些算法较为先进但这些算法仅处于系统仿真阶段或用于对作物水肥需求的预测并未用于实际的水肥溶液配制和对温室作物的精确灌溉有些算法通过调节土壤 EC 和 pH 值间接计算单种配料溶液的浓度目前仅能实现单通道水肥溶液配比控制尚不能满足作物生长对多种肥料的需求 22 25 因此探索 5 4 1 第 11 期王庆华等基于变论域模糊 PID 的水肥控制策略研究对水肥一体机水肥配比精准调控的控制策略具有极其重要的实际意义本研究拟结合自动化技术和智能控制算法设计变论域模糊 PID 水肥配比控制系统并通过流量传感器实时监测灌溉过程中水肥配比的变化旨在为水肥一体化灌溉中水肥配比的精确控制提供技术支持 1 水肥一体化系统 1 1 水肥一体机组成与原理水肥一体机总体结构如图 1 所示该装备与灌溉网络整体构成了水肥一体化系统其中水肥一体机包括吸水泵肥料罐注肥泵流量调节阀流量传感器单向阀以及灌溉电磁阀等该水肥机有 1 条主水路和 A B C 3 条肥路 3 条肥路的组成结构和连接方式完全相同每一条肥路管上通过 T 型三通接口接入一回水通道在每一条回水通道上安装 1 个电控流量调节阀水肥一体机通过此流量调节阀形成回流一方面调节肥路管道的压强防止水泵烧坏和管道爆管另一方面通过改变流量调节阀的开度控制回水量以实现实际施肥量的间接调整在主水路和肥路中均安装有流量传感器 1 个大量程流量传感器和 3 个小量程流量传感器实时监测相应管路的流量水肥一体机在定时定量灌溉水肥时需要确定系统的总灌溉量和灌溉时长同时为防止用户设定的灌溉量和灌溉时长不合理导致浇水过多影响作物生长因此设置了土壤湿度上限单独灌水时 3 条肥路均不工作仅主水路工作当系统的灌溉量灌溉时长土壤湿度上限其中之一达到系统设定值时水肥一体机立即停止工作在灌溉水肥时系统根据用户设定的灌溉总量及不同肥料的施用量计算水肥配比参数通过算法控制流量调节阀开度实现水肥精准配比 1 吸水泵 2 肥料罐 3 注肥泵 4 流量调节阀 5 小量程流量传感器 6 单向阀 7 手动阀 8 大量程流量传感器 9 灌溉电磁阀 10 土壤温湿度传感器 11 空气温湿度传感器 12 电脑 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 图 1 水肥一体机的结构 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 水肥一体化系统总体方案设计设计的水肥一体化系统如图 2 所示其主要器件包括领控科技有限公司生产的型号为 ZK3U 64MRT 的可编程逻辑控制器 PLC 广东凌霄泵业股份有限公司生产的 BJZ100 不锈钢水泵吸水泵普兰迪机电设备有限公司生产的 1206 微型隔膜泵注肥泵山东信准电子科技有限公司生产的 DN25 小量程流量传感器和 DN40 大量程流量传感器电磁阀自制调节阀由 42HS6315A4 步进电机联轴器 25 的黄铜截止阀组成继电器电源模块普锐森社公司生产的 PR 3000 TR N01 土壤温湿度传感器威海晶和数字矿山技术有限公司生产的 ZZ THS ST 空气温湿度传感器个人计算机 PC 等 PC 与 PLC 采用 RS 485 的 Modbus RTU 协议有线通信 PLC 采集水肥一体机的流量数据调节阀状态电磁阀通断以及作物生长环境的土壤温湿度与空气温湿度等数据后上传 PC 端 PC 端对上传的数据进行预处理和存储建立作物生长环境 6 4 1 西北农林科技大学学报自然科学版第 51 卷表和设备运行状态表并通过智能控制算法处理相关数据下发控制指令实现水肥一体化系统中水肥配比的精准控制图 2 水肥一体化系统的整体架构 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 水肥一体化系统中各主要器件的配置参数为 ZK3U 64MRT 型号的 PLC 64 点输入输出 10 路模拟量输入 2 路模拟量输出 1 个 RS 232 通讯口 2 个 RS 485 通讯口 1 路网络接口吸水泵额定功率 750 W 额定流量 2 400 L h 额定扬程 25 m 注肥泵额定功率 45 W 额定流量 240 L h 额定扬程 100 m 小量程流量传感器额定电压直流 5 V 检测范围 5 600 L h 大量程流量传感器额定电压直流 24 V 检测范围 60 7 200 L h 截止阀口径 25 mm 材质 HPb59 1 使用温度 10 120 公称压力 1 6 MPa 土壤温湿度传感器土壤温度的测量范围为 40 80 精度为 0 5 土壤湿度的测量范围为 0 100 精度为 3 空气温湿度传感器空气温度的测量范围为 40 80 精度为 0 5 空气湿度的测量范围为 0 100 精度为 3 2 变论域模糊 PID 控制器的设计 2 1 PID 控制器的设计针对水肥一体化系统设计的 PID 控制器其目的是通过合理控制截止阀开度使水肥一体化系统实际输出的水肥配比值快速达到用户设定的数值并尽快稳定下来因此控制器的参数不宜过大一般使用试凑法确定控制器通过定时采集的系统输出量是一个离散值因此将连续方程的 PID 控制离散化其表达式可表示为 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 为本次控制器的输出值 K p 为比例系数 K i 为积分系数 K d 为微分系数 e k 为本次控制器输入与设定值之间的偏差 k i 1 e i 为 e k 及之前控制器输入与设定值之间偏差的累计和 e k 1 为上一次控制器输入与设定值之间的偏差 2 2 变论域模糊 PID 控制器的原理及水肥一体化系统的控制 2 2 1 变论域模糊 PID 控制的原理变论域模糊 PID 控制是将模糊控制与 PID 控制相结合并引入变论域思想将水肥配比的变化情况转化为一定的隶属度函数通过变论域思想和模糊推理优化 PID 控制参数使控制器具有较强的自适应能力抗干扰能力和较高的控制精度变论域模糊控制器的原理框图如图 3 所示图 3 中 r t 为变论域模糊控制器的设定值 u t 为变论域模糊控制器的输出值 y t 为变论域模糊控制器的反馈值 e 为水肥配比的偏差 e c 为水肥配比偏差的变化率 L e L e c 和 L p i d 分别为在变论域下 e e c 和控制器 PID 参数的伸缩因子 7 4 1 第 11 期王庆华等基于变论域模糊 PID 的水肥控制策略研究图 3 变论域模糊 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 水肥一体化系统的控制水肥一体化系统控制主水路灌溉溶液的水肥配比值因此选取水肥配比的偏差 e 和偏差的变化率 e c 作为本系统的输入变量选取调节阀的脉冲个数 u 作为输出变量通过变论域和模糊控制优化 PID 控制器的参数 K p K i 和 K d 因此变论域模糊控制器的输出值是 PID 控制参数的修正值 K p 比例系数修正值 K i 积分系数修正值 K d 微分系数修正值偏差 e 的基本论域为 e e e e e c 的基本论域为 e c e c e c e c 输出值的基本论域为 K K 其中 e e c 为对应变量论域的伸缩因子其整定变量由水肥配比目标值决定 K 为 K p K i K d 的统称以伸缩因子 e 为例用模糊本体构建法进行求解 e 和 e c 的模糊集合均为 NB NM NS ZO PS PM PB 论域均为 3 3 其中 NB NM NS ZO PS PM PB 分别代表参数负大负中负小零正小正中正大是表征输入和输出变量模糊化后的模糊语句变论域伸缩因子 e 的语言值为 S M Z B 论域为 0 1 5 其中 S M Z 和 B 分别表示轻度压缩中度压缩基本不变和轻度扩张 e 的隶属函数选用三角形隶属函数如图 4 所示模糊构建规则可表示为 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 模糊规则如表 1 所示图 4 变论域伸缩因子 e 的三角形隶属函数 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 变论域伸缩因子 e 的模糊控制规则表 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 通过伸缩因子改变模糊控制的基本论域其改变可以修正量化因子的量化等级也可以调整比例 8 4 1 西北农林科技大学学报自然科学版第 51 卷因子的大小量化因子和比例因子随伸缩因子的变化而变化输入和输出变量的模糊集合均为 NB NM NS ZO PS PM PB 论域均为 3 3 隶属函数如图 5 所示 K p 的模糊规则如表 2 所示 2 2 3 PID 参数优化计算出实际水肥配比值与设定值的偏差 e 和偏差变化率 e c 通过变论域获取 e e c 和 K 的伸缩因子从而改变模糊控制中的量化因子和比例因子之后进行模糊化模糊推理和去模糊化处理得到 PID 参数的修正值 K p K i K d PID 参数修正后如式 2 所示基于变论域模糊 PID 控制器的水肥配比精准控制算法的流程如图 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 为比例系数初值 K i0 为积分系数初值 K d 为微分系数初值图 5 变论域修正值 K p 的三角形隶属函数 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 变论域修正值 K p 的模糊控制规则表 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 图 6 变论域模糊 PID 水肥配比调控算法的流程 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

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