水肥一体机肥液电导率远程模糊PID控制策略.pdf

null null null null 年 null 月 农 业 机 械 学 报 第 nullnull 卷第 null 期 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 水肥一体机肥液电导率远程模糊 nullnullnull 控制策略 朱德兰 null null 阮汉铖 null null 吴普特 null null 李景浩 null null 陆丽琼 null null nullnullnull北农林科技大学水利与建筑工程学院 nullnullnull凌 nullnullnullnullnullnull nullnullnull北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室 nullnullnull凌 nullnullnullnullnullnull nullnullnull北农林科技大学水土保持研究所 nullnullnull凌 nullnullnullnullnullnull 摘要 为检测水肥一体机肥液电导率 nullnull 并将其控制在合理范围内 基于物联网技术 设计了远程水肥灌溉控制 系统 将自整定模糊nullnullnull控制算法引入远程开发者服务终端中 通过模糊 nullnullnull控制算法调控本地端变频注肥泵的 频率进而精准控制nullnull 并对本地端nullnullnull和远程端模糊nullnullnull控制算法进行了对比试验验证 结果表明 目标 nullnull越 大 稳态nullnull越精确 但稳态时间和超调量均增大 与传统本地端 nullnullnull 控制相比 该系统响应速度快 nullnull 波动幅度 小 稳定 当目标nullnull为nullnull null nullnullnullnullnull时 稳态时间和超调量分别达到nullnullnull null和nullnullnull nullnull 混肥时间和实测 nullnull均能满足 水肥控制实际需求 该研究实现了nullnull的远程模糊nullnullnull控制 以及灌溉施肥系统的计算机 手机微信多终端灌溉数 据监测和开关量控制 关键词 水肥一体机 电导率 模糊nullnullnull控制 物联网 中图分类号 nullnullnullnullnull nullnull 文献标识码 null 文章编号 nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 收稿日期 nullnullnullnull nullnull nullnull 修回日期 nullnullnullnull nullnull nullnull 基金项目 nullnullnull重点研发计划项目 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 国家外国专家局 nullnullnull 计划项目 nullnullnullnullnullnull 和国家自然科学基金项目 nullnullnullnullnullnullnullnull 作者简介 朱null兰 nullnullnullnull 女 教授 博士生导师 主要从事节水灌溉技术研究 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull 通信作者 null普特 nullnullnullnull 男 研究员 博士生导师 主要从事区域农业高效用水研究 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull null null nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnull nullnullnullnull null null nullnull nullnullnullnullnullnullnull null null nullnull nullnullnullnullnullnullnull null null null College of Water esources and Architectural Engineering Northwest A F University Yangling Shaanxi nullnullnullnullnullnull China null Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas Ministry of Education Northeast A F University Yangling Shaanxi nullnullnullnullnullnull China null Institute of Soil and Water Conservation Northwest A F University Yangling Shaanxi nullnullnullnullnullnull China nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnull null nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull null 引言 水肥一体化是一项高效节水减肥的农业灌溉新 技术 该项技术在提高水资源利用效率 促进农业节 本增效方面意义重大 null nullnull 在对作物进行施肥灌溉 过程中 施肥浓度控制在最优控制范围内有利于作 物根系的发育及土壤中矿物质的吸收 null 随着物 联网与nullnull技术的发展应用 数字技术能极大地提 升农业生产效率 null nullnull 按照作物水肥需求进行 互 联网null农业 模式的精准控制是实现农业智能化的 关键 水肥灌溉系统肥液浓度调控若存在严重非线 性 时变性和滞后性等问题将影响智能灌溉系统的 整体运行效率 null nullnull 目前 国内外主要采用 nullnullnull 控 制和模糊控制null略来实现作物智能灌溉 取得了较 好的控制效果 文献 nullnull nullnullnull 基于 nullnullnull 模糊控制 对水肥流量等进行控制并仿真 李加念等 nullnull 基于 nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 以输出相应的占空比 来控制吸肥电磁阀的开闭 进行灌溉液电导率 nullnull 的动态调控 文献 nullnull null nullnull 设计了基于 nullnullnullnull 无 线传感网络 nullnullnullnullnullnull 和模糊控制决null相结合的自动 灌溉系统 使控制系统具有良好的控制效果 文 献 nullnull nullnullnull 根据传感器采集的溶液电导率信息或 酸碱度信息 采用模糊控制null略控制混肥泵 电磁阀 等进行肥液或营养液的本地端在线自动混合 实现 了水肥一体化的自动控制 null景波等 nullnull 针对智能 水肥一体机混肥浓度非线性问题 提出了一种变域 模糊控制算法 但目前只有仿真结果 综上所述 nullnullnull控制和模糊控制在变量施肥系统中得到了研究 人员的广泛关注 也取得了部分成果 但主要是针对 本地端对作物施肥灌溉进行单一的控制 以模拟仿 真为主 对水肥灌溉系统进行远程智能化浓度控制 研究相对较少 本文基于物联网设计一个可实现计算机 手机 微信多终端灌溉数据监测和开关量控制的远程水肥 灌溉系统 以解决水肥灌溉系统 nullnull 调控非线性 时 变性和滞后性等问题 实现对水肥一体化装置nullnull的远 程模糊nullnullnull控制 通过对注肥泵变频调速改变吸肥量 动态调节灌溉液nullnull 提升水肥控制精度和稳定性 null 水肥灌溉系统 nullnull null 系统结构与设计 水肥灌溉系统结构如图null 所示 该水肥灌溉系 统由供水组件 吸肥组件及控制组件null 部分组成 供水组件主要由蓄水池 自吸离心变频泵组成 为 施肥和灌溉提供水源和动力 吸肥组件主要由肥 液罐 文null里管 变频注肥泵组成 肥液罐用来存 储肥液 变频注肥泵提供动力 注肥泵驱动水流流 经文null里管喉口 产生负压 吸入肥液 将肥液注 入主管混合 控制组件主要由传感单元 上位机 控制器组成 传感单元用来采集流量 压力 nullnull 信息 为系统软件进行水肥耦合调控提供决null数 据 上位机主要包括本地端触摸屏和远程用户终 端设备 手机或计算机 控制器 nullnullnull 主要接收上 位机指令 对水肥灌溉系统的开关量 变频注肥泵 转速进行控制 图null 水肥灌溉系统总体结构示意图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull蓄水池 nullnull恒压供水系统 nullnull自吸离心变频泵 nullnull 压力表 nullnull电磁流量计 nullnull手动阀门 nullnull电磁阀 nullnull nullnull传感器 nullnull文null 里管 nullnullnull肥液罐 nullnullnull叠null过滤器 nullnullnull单向阀 nullnullnull变频注肥泵 nullnullnull变频控制系统 nullnullnull供水组件 nullnullnull控制组件 nullnullnull吸肥组件 nullnull null 肥液nullnull模型分析 肥液混合模型选择典型的一阶滞后模型 M t 表示文null里管的吸肥量 由于文null里管的吸肥 量 进口流量与变频注肥泵频率有关 将其改为与频 率f t 有关的变量 表示为 f t q w f t q m 根据质 量守恒定理 有 null V T C t nullt null C null f t q w null C null f t q m null C t q null null 式中 V T 混肥管道中肥液体积 null C t 混肥管道中和出水管肥液浓度 C null 进水管中肥液浓度 C null 肥液罐中肥液浓度 q w 文null里管最大吸肥量 nullnullnull q m 主管进口最大流量 nullnullnull q null 主管出口流量 nullnullnull t 变频注肥泵工作时间 null 等式左边是混肥管道中肥液质量的微分 右边 表示进水管中肥液质量与文null里管吸收的各个母液 的肥液质量之和减去出水管中肥液的质量 由于浓 度与nullnull成正比关系 nullnull 式 null 可变为 null V T E t nullt null E null q w f t null E null q m f t null q null E t null nullnullnull第null期 朱null兰等 水肥一体机肥液电导率远程模糊nullnullnull控制null略 式中 E t 混肥管道中和出水管肥液的 nullnull nullnullnullnullnull E null 进水管中清水的nullnull nullnullnullnullnull E null 肥液罐中肥液的nullnull nullnullnullnullnull 将式 null 进行拉普拉斯变换后得 E s null E null q w null E null q m V T s null q null m s null 由式 null 可知 控制响应特征为一阶线性系统 在实际试验中 设备工作时出口压力为nullnull nullnull nullnullnull 根据实测数据 V T nullnullnull null q m nullnull nullnullnull nullnullnull q w nullnullnullnull nullnullnull E null nullnullnull nullnullnullnullnull E null null nullnull null nullnullnullnullnull 滞后时间为nullnull null 将上述变量代入式 null 得nullnull的近似传递函数为 H s null E s m s null nullnull nullnull nullnulls nullnull null nullnullnulls null null 远程模糊nullnullnull控制系统设计 nullnull null 远程控制系统结构 远程控制系统由本地端 远程端两部分组成 组 成结构如图null 所示 本地端主要由三菱 nullnull nullnull 系 列 nullnullnull 云盒 上海智能科技有限公司 触摸屏 nullnullnullnullnullnullnullnull型 电磁阀 变频注肥泵 广东凌霄泵 业有限公司 量程 null nullnull null null nullnull nullnull 传感器 南京昊 科电子有限公司 量程 null nullnullnullnull null nullnullnullnullnull 等组成 云 图null 远程控制系统框图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 盒与 nullnullnull 通过 nullnull nullnullnull 有线null接 nullnullnull 通过 nullnull nullnullnull 总线与触摸屏null接 远程端主要由云端服务器 用户终端设备 开发者服务终端组成 nullnull传感器通 过nullnull nullnullnull 总线与云盒null接 本地端通过云盒与远 程端进行动态数据交换 用户终端设备主要包括用 户计算机或手机微信小程null 实现对本地端设备进 行远程操作控制 开发者服务终端通过 nullnullnull 接口与 云端服务器null接 主要对传感器数据进行存储 控制 算法处理 nullnullnull 的 nullnull 模块将远程控制算法输出数 据输入 控制变频注肥泵变频调速 改变注入主管的 肥液量进而实时控制水肥灌溉系统出口肥液nullnull nullnull null 模糊nullnullnull调控方法设计 nullnull nullnull null 模糊nullnullnull控制器设计 模糊自整定nullnullnull控制器由模糊控制器和nullnullnull控 制器两部分组成 其基本原理框图如图null 所示 该 控制器以nullnull误差e和误差变化率e c 为输入量 经过 模糊化和模糊推理后得到nullnullnull控制器的null 个控制参 数修正量 k p k i k d 实现 nullnullnull 控制器的null 个参 数 k p k i k d 的在线修正 最后实现控制变频注 肥泵频率以调整肥液nullnull 图null 模糊自整定nullnullnull控制器结构框图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 自整定nullnullnull null 个参数修正公式为 k p null k pnull null k p k i null k inull null k i k d null k dnull null k d null 式中 k p 整定后比例系数 k i 整定后积分系数 k d 整定后微分系数 k pnull 整定前比例系数 k inull 整定前积分系数 k dnull 整定前微分系数 k p 比例系数修正量 k i 积分系数修正量 k d 微分系数修正量 nullnull nullnull null 模糊论域及隶属度函数 云端远程实时采集的nullnull 与目标值的误差 e 和 误差变化率e c 的语言变量模糊子集均取为 nullnull 负 大 nullnull 负中 nullnull 负小 null 零 nullnull 正小 nullnull 正中 nullnull 正大 量化为null 个等级 模糊论域均 取为 nullnull nullnull null null null null null null 模糊子集选用三角 形隶属度函数 隶属度函数如图null 所示 nullnull nullnull null 控制规则制定 模糊控制规则表是根据水肥灌溉系统中 nullnull 变 化规律和人员经验 综合考虑水肥灌溉系统的稳定 性 超调量及响应速度等因素而建立的关系表 通 过分析和仿真调整 针对水肥灌溉控制系统 制定 nullnullnull控制器null 个参数调整量的模糊规则 以 k p 为 例 其控制规则如表null 所示 nullnullnull 农 业 机 械 学 报 null null null null 年 图null e e c 和 k p k i k d 的隶属度函数曲线 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull e e c nullnullnull k p k i k d 表null k p 的模糊控制规则 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull k p e c e nullnull nullnull nullnull null nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull null null nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull null nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull null nullnull nullnull null nullnull nullnull nullnull null nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull null nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull null nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull null null nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull null 解模糊计算 在水肥灌溉控制系统中 经过模糊逻辑推理后 得到nullnullnull的null 个控制参数的模糊集合 不能直接转 换为精确量输出 必须经过解模糊 本研究采用重 心法解模糊化 将输出量k p k i k d 提前清晰化 转换 成相应的量化值 然后将运算结果填入模糊控制查 询表中 储存在计算机系统中 以 k p 的模糊控制查 询为例 结果见表null 系统运行时 通过查询表格 即