水肥一體機(jī)肥液電導(dǎo)率遠(yuǎn)程模糊 PID 控制策略研究

　　摘要：為檢測(cè)水肥一體機(jī)肥液電導(dǎo)率(EC)，并將其控制在合理范圍內(nèi)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程水肥灌溉控制系統(tǒng)，將自整定模糊 PID 控制算法引入遠(yuǎn)程開(kāi)發(fā)者設(shè)備終端中，通過(guò)模糊 PID 控制算法調(diào)控本地端變頻水泵的頻率進(jìn)而精準(zhǔn)控制 EC，并對(duì)本地端 PID 和遠(yuǎn)程端模糊 PID 控制算法進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：目標(biāo) EC 越大，穩(wěn)態(tài) EC 越精確，但穩(wěn)態(tài)時(shí)間和超調(diào)量均增大;與傳統(tǒng)本地端 PID 控制相比，該系統(tǒng)響應(yīng)速度快、EC 波動(dòng)幅度小、穩(wěn)定，當(dāng)目標(biāo) EC 為 2.5mS/cm 時(shí)，穩(wěn)態(tài)時(shí)間和超調(diào)量分別達(dá)到 120s 和 20.8%，混肥時(shí)間和實(shí)測(cè) EC 均能滿足水肥控制實(shí)際需求。該研究實(shí)現(xiàn)了 EC 的遠(yuǎn)程模糊 PID 控制，以及灌溉施肥系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)、手機(jī)、微信多終端灌溉數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和開(kāi)關(guān)量控制。

　　關(guān)鍵詞：水肥一體機(jī);EC;模糊 PID 控制;物聯(lián)網(wǎng)

　　朱德蘭; 阮漢鋮; 吳普特; 李景浩; 陸麗瓊 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)2021-12-02

　　0 引言

　　水肥一體化是當(dāng)今一項(xiàng)高效節(jié)水減肥的農(nóng)業(yè)灌溉新技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)在提高水資源利用效率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)本增效方面意義重大[1-4]。在對(duì)作物進(jìn)行施肥灌溉過(guò)程中，施肥濃度控制在最優(yōu)控制范圍內(nèi)有利于作物根系的發(fā)育及土壤中礦物質(zhì)的吸收[5]。隨著物聯(lián)網(wǎng)與 5G 技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，數(shù)字技術(shù)能極大地提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率[6-7]。按照作物水肥需求進(jìn)行“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”模式的精準(zhǔn)控制是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化的關(guān)鍵。水肥灌溉系統(tǒng)濃度調(diào)控若存在嚴(yán)重非線性、時(shí)變性和滯后性等問(wèn)題將影響智能灌溉系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率[8-9]。目前，國(guó)內(nèi)外主要采用 PID 控制和模糊控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)作物智能灌溉，取得了較好的控制效果。文獻(xiàn)[10-12]基于 PID、模糊控制對(duì)水肥流量等進(jìn)行控制并仿真。李加念等[13]基于 PWM(Pulse width modulation) 以輸出相應(yīng)的占空比來(lái)控制吸肥電磁閥的開(kāi)閉，進(jìn)行灌溉液電導(dǎo)率(EC)的動(dòng)態(tài)調(diào)控。文獻(xiàn)[14-19]設(shè)計(jì)了基于 FPGA、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、ZigBee 等和模糊控制決策相結(jié)合的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)具有良好的控制效果。文獻(xiàn)[20-25]根據(jù)傳感器采集的溶液電導(dǎo)率信息或酸堿度信息，采用模糊控制策略控制混肥泵、電磁閥等進(jìn)行肥液或營(yíng)養(yǎng)液的本地端在線自動(dòng)混合，實(shí)現(xiàn)了水肥一體化的自動(dòng)控制。趙景波等[26]針對(duì)智能水肥一體機(jī)混肥濃度非線性問(wèn)題，提出了一種變域模糊控算法，但目前只有仿真結(jié)果。綜上所述，PID 控制和模糊控制在變量施肥系統(tǒng)中得到了研究人員的廣泛關(guān)注，也取得了部分成果，但主要是針對(duì)本地端對(duì)作物施肥灌溉進(jìn)行單一的控制，以模擬仿真為主，對(duì)水肥灌溉系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程智能化濃度控制研究相對(duì)較少。本文基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)一個(gè)可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)、手機(jī)、微信多終端灌溉數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和開(kāi)關(guān)量控制的遠(yuǎn)程水肥灌溉系統(tǒng)，以解決水肥灌溉系統(tǒng) EC 調(diào)控非線性、時(shí)變性和滯后性等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)水肥一體化裝置 EC 的遠(yuǎn)程模糊 PID 控制，通過(guò)對(duì)注肥泵變頻調(diào)速改變吸肥量，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)灌溉 EC，提升水肥控制精度和穩(wěn)定性。

　　1 水肥灌溉系統(tǒng)

　　1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

　　水肥灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，該水肥灌溉系統(tǒng)由供水組件、吸肥組件及控制組件 3 部分組成。供水組件主要由蓄水池、自吸離心變頻泵組成，為施肥和灌溉提供水源和動(dòng)力。吸肥組件主要由肥料罐、文丘里、變頻注肥泵組成。肥料罐用來(lái)存儲(chǔ)肥液;變頻注肥泵提供動(dòng)力，注肥泵驅(qū)動(dòng)水流流經(jīng)文丘里喉口，產(chǎn)生負(fù)壓，吸入肥液，將肥液注入主管混合。控制組件主要由傳感單元、上位機(jī)、控制器。傳感單元用來(lái)采集流量、壓力、EC 信息，為系統(tǒng)軟件進(jìn)行水肥耦合調(diào)控提供決策數(shù)據(jù);上位機(jī)主要包括本地端觸摸屏和遠(yuǎn)程用戶終端設(shè)備(手機(jī)或計(jì)算機(jī));控制器 PLC 主要接收上位機(jī)指令，對(duì)水肥灌溉系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量、變頻注肥泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

　　1.2 肥液 EC 模型分析

　　肥液混合模型選擇典型的一階滯后模型。M(t)表示文丘里的吸肥量，由于文丘里的吸肥量、進(jìn)口流量與變頻注肥泵頻率有關(guān)，將其改為與頻率有關(guān)的變量，表示為 f(t)qw、f(t)qm，根據(jù)質(zhì)量守恒定理，有? ?? ? ? ? ? ? 1 0 2 d ( ) d w T C f t q qm V C t C f t q t ? ? ?C t (1)式中 VT ——混肥管道中的肥液體積，L; Ct() ——混肥管道中和出水管肥液的濃度，%; C0 ——進(jìn)水管中的肥液濃度，%; C1——肥料桶中肥液濃度，%; w q ——文丘里的最大吸肥量，L/h; mq ——主管進(jìn)口最大流量，m3 /h; 2 q ——主管出口的流量，L/h。等式左邊是混肥管道中肥液質(zhì)量的微分，右邊表示進(jìn)水管中肥液質(zhì)量與文丘里吸收的各個(gè)母液的肥液質(zhì)量之和減去出水管中肥液的質(zhì)量。由于濃度與 EC 成正比關(guān)系[27]，式(1)可變?yōu)?? ? ? ? ? ? 1 0 2 d( ( )) d T w m V E t E q f t E q f t q E t t ? ? ? (2)式中 E(t)——混肥管道中和出水管肥液的 EC 值， mS/cm; E0——進(jìn)水管中清水的 EC 值，mS/cm; E1——肥料桶中肥液的 EC 值，mS/cm。將式(2)進(jìn)行拉普拉斯變換后得 ? ? 1 0 2 ( ) w m T E E s s q E q m s V q ??? (3)由式(3)可知，控制響應(yīng)特征為一階線性系統(tǒng)。在實(shí)際試驗(yàn)中，設(shè)備工作時(shí)出口壓力為 0.35MPa，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)， VT =50L， mq =3 m3 /h ， qw = 640L/h， E1=10 mS/cm ，E0 = 0.6 mS/cm，滯后時(shí)間為 10 s。將上述變量代入式(3)得 EC 的近似傳遞函數(shù)為 ? ? 10 ( ) 2.74 = e ( ) 60 1 E s s H s m s s ??? (4)

　　2 遠(yuǎn)程模糊 PID 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由本地端、遠(yuǎn)程端兩部分組成，組成結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。本地端主要由三菱 FX-3u 系列 PLC、云盒子、觸摸屏(MT6103iP 型號(hào))、電磁閥、變頻注肥泵(廣東凌霄泵業(yè)有限公司，量程：0~5m³/h)、 EC 傳感器(南京昊科電子有限公司，量程： 0~20.0mS/cm)等組成，云盒子與 PLC 通過(guò) RS-232 有線連接，PLC 通過(guò) RS-485 總線與觸摸屏連接;遠(yuǎn)程端主要由云端服務(wù)器、用戶終端設(shè)備、開(kāi)發(fā)者服務(wù)終端組成。EC 傳感器通過(guò) RS-485 總線與云盒(上海智能科技有限公司)連接，本地端通過(guò)云盒與遠(yuǎn)程端進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換;用戶終端設(shè)備主要包括用戶計(jì)算機(jī)或手機(jī)微信小程序，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)本地端設(shè)備進(jìn)行操作控制;開(kāi)發(fā)者服務(wù)終端通過(guò) API 接口與云端服務(wù)器連接，主要是對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、控制算法處理， PLC 的 DA 模塊將遠(yuǎn)程控制算法輸出數(shù)據(jù)輸入控制變頻注肥泵變頻調(diào)速，改變注入主管的肥液量進(jìn)而實(shí)時(shí)控制水肥灌溉系統(tǒng)出口灌溉 EC。

　　2.2 模糊 PID 調(diào)控方法設(shè)計(jì)

　　2.2.1 模糊 PID 控制器設(shè)計(jì)

　　模糊自整定 PID 控制器由模糊控制器和 PID 控制器兩部分組成，其基本原理框圖如圖 3 所示。該控制器以 EC 誤差 e 和誤差變換率 ec為輸入量，經(jīng)過(guò)模糊化和模糊推理后得到 PID 控制器的 3 個(gè)控制參數(shù)修正量 p i d ? ? ? k k k 、 、，實(shí)現(xiàn) PID 控制器的 3 個(gè)參數(shù) p i d ? ? ? k k k 、 、的在線修正，最后實(shí)現(xiàn)控制變頻注肥泵頻率以調(diào)整灌溉施肥 EC。模糊控制器 PID控制器 控制對(duì)象 + - △k p △ki △kd e ec r u 圖 3 模糊自整定 PID 控制器結(jié)構(gòu) Fig.3 Structure of fuzzy self-tuning PID controller 自整定 PID 3 個(gè)參數(shù)修正公式為 0 0 0 p p p i i i d d d k k k k k k k k k ? ? ? ? ?? ? ? ??? ? ? ? (5)式中 kp——整定后比例系數(shù); ki——整定前積分系數(shù); kd——整定前微分系數(shù); kp0——整定前比例系數(shù);

　　ki0——整定前積分系數(shù); kd0——整定前微分系數(shù); p ?k ——比例系數(shù)修正量; i ?k ——積分系數(shù)修正量; d ?k ——微分系數(shù)修正量。

　　2.2.2 模糊論域及隸屬度函數(shù)

　　云端遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集的 EC 與目標(biāo)值的誤差 e 和誤差變化率 ec的語(yǔ)言變量模糊子集均取為{NB(負(fù)大)， NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，ZO(零)，PS(正小)， PM(正中)，PB(正大)}量化為 7 個(gè)等級(jí)，模糊論域均取為{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，模糊子集選用三角形隸屬度函數(shù)，隸屬度函數(shù)如圖 4 所示。

　　2.2.3 控制規(guī)則制定

　　模糊控制規(guī)則表是根據(jù)水肥灌溉系統(tǒng)中 EC 變化規(guī)律和人員經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮水肥灌溉系統(tǒng)的穩(wěn)定性、超調(diào)量及響應(yīng)速度等因素而建立的關(guān)系表。通過(guò)分析和仿真調(diào)整，針對(duì)水肥灌溉控制系統(tǒng)，制定 PID 控制器 3 個(gè)參數(shù)調(diào)整量的模糊規(guī)則，以 p ?k 為例，其控制規(guī)則如表 1 所示。

　　2.2.4 解模糊的計(jì)算

　　在水肥灌溉控制系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)模糊邏輯推理后，得到 PID 的 3 個(gè)控制參數(shù)的模糊集合，不能直接轉(zhuǎn)化為精確量輸出，必須經(jīng)過(guò)解模糊。本研究采用重心法解模糊化，將輸出量 p i d k k k 、 、提前清晰化，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的量化值，然后將運(yùn)算結(jié)果填入模糊控制查詢表中，儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，以 p ?k 的模糊控制查詢?yōu)槔Y(jié)果見(jiàn)表 2。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)查詢表格，即可得出確定的輸出量，再乘上相應(yīng)的比例因子，得到相應(yīng)的頻率模擬量值，通過(guò) PLC 控制器 D/A 轉(zhuǎn)換輸出到變頻器，進(jìn)而控制變頻注肥泵改變文丘里吸肥量，完成其變頻控制。

　　3 試驗(yàn)驗(yàn)證

　　試驗(yàn)裝置如圖 1 所示，在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院灌溉水力學(xué)實(shí)驗(yàn)大廳進(jìn)行，試驗(yàn)中通過(guò) 變 頻 恒 壓 供 水 系 統(tǒng) ( 量 程 0~0.5MPa ，精度 ±0.005MPa)提供試驗(yàn)所需的主管恒定水壓。肥料罐中的母液為使用硝酸鉀肥料配制成 EC為10 mS/cm的溶液，使用 EC 傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)灌溉出口 EC，電磁流量計(jì)(EMF-5000 型號(hào))檢測(cè)主管進(jìn)口流量，EC 通過(guò)云盒上傳至云端進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。試驗(yàn)操作時(shí)通過(guò)水肥灌溉系統(tǒng)的觸摸屏或用戶終端設(shè)備上設(shè)置施肥配方、閥門開(kāi)閉、灌溉策略和目標(biāo) EC 等內(nèi)容。保持主管壓力為 0.35MPa，主管出口流量為 3m³/h，采用遠(yuǎn)程模糊 PID 控制算法和本地端 PID 控制算法，采樣周期定為 5s，連續(xù)測(cè)量 300s。設(shè)定不同 EC，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，如表 3 所示。

　　由表 3 可知，當(dāng)目標(biāo) EC 越大，采用遠(yuǎn)程模糊 PID 控制或本地端 PID 控制時(shí)，EC 波動(dòng)幅度越小，穩(wěn)態(tài) EC 越精確，但穩(wěn)態(tài)時(shí)間和超調(diào)量均增大，即滯后性增大，穩(wěn)定性增強(qiáng);在同一目標(biāo) EC 時(shí)，采用遠(yuǎn)程模糊 PID 控制相較于本地端 PID 控制 EC 波動(dòng)幅度小，響應(yīng)快，超調(diào)量小;模糊 PID 控制策略調(diào)控水肥所需時(shí)間(100~120s)，一般水肥一體化設(shè)備應(yīng)用于日光溫室生產(chǎn)實(shí)踐中時(shí)，水肥從設(shè)備灌溉出口達(dá)到滴頭的時(shí)間至少在 2 min 以上[27]。由此可見(jiàn)，所開(kāi)發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程水肥灌溉控制系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際施肥灌溉需求。

　　4 結(jié)論

　　(1)在文丘里吸肥器的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建了一個(gè)遠(yuǎn)程水肥灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水肥灌溉系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)、手機(jī)、微信多終端灌溉數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和開(kāi)關(guān)量控制，在遠(yuǎn)程開(kāi)發(fā)終端使用控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)水肥灌溉系統(tǒng)EC的實(shí)時(shí)變頻調(diào)控。

　　(2)在確定的使用環(huán)境下，簡(jiǎn)化了水肥裝置混肥的數(shù)學(xué)過(guò)程，建立了操作性強(qiáng)的一階滯后線性系統(tǒng)模型，為水肥EC調(diào)控策略提供理論依據(jù)。

　　(3)根據(jù)水肥EC調(diào)控的滯后和不穩(wěn)定性，調(diào)控系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程模糊PID控制策略。通過(guò)設(shè)定不同目標(biāo)值與本地端PID控制對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)EC越大，穩(wěn)態(tài)EC越精確，但穩(wěn)態(tài)時(shí)間和超調(diào)量均增大;在同一目標(biāo)EC時(shí)，采用遠(yuǎn)程模糊PID控制相較于本地端 PID控制其波動(dòng)幅度小，響應(yīng)快，超調(diào)量小，能夠滿足實(shí)際施肥灌溉需求。