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节水灌溉 Water Saving Irrigation ISSN 1007-4929,CN 42-1420/TV 节水灌溉网络首发论文 题目： 基于模糊PID控制的节水灌溉智能控制系统设计 作者： 刘洪静，李黎，高金辉 网络首发日期： 2020-02-10 引用格式： 刘洪静，李黎，高金辉基于模糊PID控制的节水灌溉智能控制系统设计节水灌溉. http:/kns.cnki.net/kcms/detail/42.1420.TV.20200210.1446.008.html 网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合出版管理条例和期刊出版管理规定的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。 出版确认：纸质期刊编辑部通过与中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有限公司签约，在中国学术期刊（网络版）出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为中国学术期刊（网络版）是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。 基于模糊 PID 控制的节水灌溉智能控制系统设计 刘洪静 1， 李黎 2， 高金辉 1 （ 1.河南师范大学 电子与电气工程学院 增材智能制造河南省工程实验室 , 河南 新乡 453007； 2.新乡水文水资源勘测局 , 河南 新乡 453000） 摘 要： 为了减少水资源的浪费，实现对灌溉的智能控制，采用模糊 PID 算法、信电共线的 2 线通讯方式和Modbus 通讯 协议 ，结合 MCGS 组态系统研究并设计了一种节水灌溉智能控制系统。系统通过 2 根总线给若干灌溉从机低压直流供电，并进行双向通讯检测与控制；将实际土壤湿度值与设定值进行误 差对比后，经模糊 PID 控制器输出控制量，通过主机控制从机，从机控制电球阀开闭，实现对灌溉的智能控制。实验结果表明：该节水灌溉系统响应上升时间短，超调量小，具有较强的稳定性和鲁棒性。 关键词： 节水灌溉；模糊 PID；信电共线； Modbus 通讯 协议 ； MCGS 组态系统 中图分类号 ： TP273 文献标 识 码： A Design of Water-saving Irrigation Intelligent Control System Based on Fuzzy-PID Control LIU Hong-jing1， LI Li2， GAO Jin-hui1 (1. Engineering Laboratory for Intelligent Additive Manufacturing of Henan Province , College of Electronic and Electrical Engineering, Henan Normal University, Xinxiang Henan 453007, China; 2. Xinxiang Hydrology and Water Resources Survey Bureau, Xinxiang Henan 453000, China) Abstract: For reducing the water-wasting and realizing the intelligent control of irrigation, an intelligent water-saving irrigation control system is designed by using the Fuzzy PID algorithm, two-line communication mode and Modbus communication protocol, with the MCGS configuration system. The system supplies low dc power to several irrigation slaves through two-line, and makes two-way communication detection and control;Comparing and judging the actual soil moisture and the set values, the fuzzy PID controller outputs the control quantity, the intelligent control of irrigation is realized by controlling slave machine and opening or closing ball valve. The experimental results show that the response time of the water-saving irrigation system is short, the overshoot is small, and the system has strong stability and robustness. Key words： Intelligent Irrigation； Fuzzy PID； Telecom Common Line； Moudbus Communication Protocol； MCGS Configuration system 0 引 言 我 国是一个农业大国，农业灌溉用水占比较大，传统的灌溉方式导致水资源的严重浪费 1，不符合我国农业节基金项目 ： 教育部产学合作协同育人项目（ 201701077018，） 资助。 作 者 简介： 刘洪静（ 1993-），男 ， 硕士，主要研究方向：电子信息系统电路设计 。 E-mail： 984916834qq.com。 通信作者： 高金辉 （ 1962-） ，男 ， 河南 南阳， 教授 ，主要研究方向 ：电子技术设计 、 传感器技术应用 。 E-mail： gaojinhui282sina.com。 水灌溉的要求。为 了 解决这一问题需要发展一种较高水平的灌溉技术，以作物对水分的需求量为依据，适时适量灌溉，使作物生长在最佳状态。 由于农业 灌溉对象是一个大惯性、 非线性和纯时延的系统 ， 无法对其建立精确与统一的数学模型 2，传统的 PID控制，理论成熟，参数调整方便 3，但控制精度达不到要求，存在超调的现象；模糊控制是一种非线性控制， 不需要建立精确 的 数学模型 ,根据领域专家知识或操作人员的经验就可制定有效的控制策略 ，但其抗干扰能力欠佳 4。 本文根据两者的优点设计了一种新的模糊 PID 控制方法，提高了控制精度和抗干扰能力；采用信电共线新的通网络首发时间：2020-02-10 15:24:41网络首发地址：http:/kns.cnki.net/kcms/detail/42.1420.TV.20200210.1446.008.html从机 1 ModBus 协议 从机 2 电球阀1 水流传感器1 水流传感器2 水流传感器3 电球阀2 电球阀3 土壤湿度传感器3 土壤湿度传感器2 土壤湿度传感器1 主机模块 L2 DC24V L1 设定土壤湿度 MCGS 组态 系统 从机 3 模糊 PID控制器 讯方式， 通过在 2 根 低压供电 总线 上调制通讯控制信号 （满幅电压发送，电流回传接收） ，系统 无极性接线的方法 替代传 统供电和通讯分离的多线制电缆，克服了传统 RS232、RS485 有线通讯方式 5传输距离有限、通讯线束多、接线复杂的问题。并利用 Modbus 通讯协议、 Simulink 仿真和滴灌实验验证了其可行性，取得了较好的效果，实现了节水灌溉的智能控制， 在可控范围内最大程度地减少灌溉用水的浪 费 6，解决了我国灌溉水资源利用率低、管理水平滞后、劳动强度大、人机交互能力差等弊端。 1 系统总体设计方案 本系统由：模糊 PID 控制器、 MCGS 组态系统、信电共线主机模块、从机模块，土壤湿度传感器，水流传感器和电球阀组成。 MCGS 组态系统用于设定土壤湿度、显示各个分机和传感器状态，并能与主机模块通信，控制相应的从机。主机模块和从机模块之间通过 MudBus 协议进行通信。从机土壤湿度传感器采集土壤信息，并将信息通过主机模块反馈给模糊 PID 控制器，经算法运算处理后，将输出量通过组态系统反馈给主机模块，从而控 制相应分机的电球阀的开闭，实现节水灌溉的智能控制。水流传感器检测水流流量及反馈电动球阀的开闭状态。系统总体结构如图 1 所示。 图 1 系统总体结构图 2 信电共线硬件设计 2.1 主机核心电路设计 主机核心 电路如图 2 所示， 系统 支持总线电压直流12V-48V，通过电压变化信号向从机发送控制信号。 模块EV620 通过 485 总线与 MCGS 组态屏通信， BRK 为总线故障指示引脚。 当 EV620 接收到 MCGS 发来的串口信号，需要向从机发送信号时，通过控制引脚 BH 使总线输出脚 L1 的电压值在满足供电的前提下小范围内上下波动 ，从而使总线上形成规律性变化的电压信号，以供从机识别。 当 EV620 接收到从机发来的应答信号时，引脚 BL 检测总线上的电流变化，将电流信号转变为可识别的电压信号，通过串口发送给 MCGS 并显示。 图 2 主机核心电路 2.2 从机核心电路设计 从机核心 电路如图 3 所示， 控制芯片 PB331 的 PI 引脚为信号输入端，检测主站发送来的电压信号，以识别主站发来的指令； PO 引脚为信号输出端，通过控制 T1 的导通控制总线电流，向主机发送应答信号。 MCU 单片机 为带有 flash 的增强型 8 位 8051 内核微控制器 ，通过 IO 口读取传感 器数值、电球阀状态，并控制电球阀运行。 TR 为土壤湿度传感器， SL 为水流传感器， Valve 为电球阀。 当 PB331 的 PI 引脚检测到主站发来的电压信号后，通过串口发送给 MCU 执行相关操作。 当 PB331 接收到 MCU 发送来的应答信号时，控制 PO脚使 T1 导通或关闭，从而使总线上形成小范围规律性变化的电流信号，以供主机识别。 图 3 从机核心电路 3 组态系统介绍及通讯协议设计 3.1 MCGS 组态系统介绍 MCGS 组态屏 是一套以 Cortex-A8 CPU 为核心的高性能嵌入式一体化触摸屏 7，利用 MCGS 人机界面实时显示系统参数，进行系统参数设置和运行控制 8，其建立的组态系统工程 由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库及运行策略等五个部分构成 。本组态系统设有登录界面、主界面、分组界面等若干界面，系统主界面如图 4 所示。 图 4 组态系统主界面 3.2 通讯协议设计 为了便于 和 MCGS 组态 系统 通信， 信电共线主、从机均采用 Modbus RTU 通讯协议 9,10， 通过主机向从机发送请求，从机向主机响应的方式，实现数据交互。 本设计是一台主机对若干台从机进行监控，定义的分机寄存器地址如表 1 所示，并根据具体情况编 写了两个控制指令：主机读取从机状态的命令和主机控制从机电球阀开关的命令。其控制格式如下： 主机检测灌溉状态，读取从机状态的命令格式：从机地址、 0x04、 0x00、 0x04、 0x00、 0x05、低位 CRC、高位CRC。第一个 0x04 为功能码：单个读； 0x00、 0x04 为读取的第一个数据寄存器的地址， 0x00、 0x05 为读取的寄存器个数，即从寄存器 0x04 开始顺序读取 5 个寄存器的地址；高、低位 CRC 为校验码。 主机控制相应从机电球阀开关的命令格式：从机地址、0x06、 0x00、 0x04、 0x00、 0x01 或 0x00、地位 CRC、高位CRC。 0x06 为功能码：单个写； 0x00、 0x04 为电球阀状态寄存器地址； 0x00、 0x01 为打开电球阀指令， 0x00、 0x00为关闭电球阀指令；高位、低位 CRC 为校验码 。 表 1 分机寄存器地址分配表 寄存器地址 名称 属性 类型 0x04 电球阀状态 读 /写 Bool 0x05 电球阀开检测 读 Bool 0x06 电球阀关检测 读 Bool 0x07 水流检测 读 /写 Bool 0x08 电球阀运行状态 读 /写 Int 0x09 实际土壤湿度值 读 Int 注：电 球阀运行状态：开启时为 1，关闭时为 2，空闲时为0，动作超时为 0xff。 4 模糊 PID 控制 器设计 4.1 模糊 PID 控制器 原理介绍 模糊 PID 控制器原理 11如图 5 所示： 图 5 模糊 PID 控制器原理图 控制器中，土壤湿度偏差 e(k)由 k 时刻的土壤湿度设定值 r(k)与实际检测值 y(k)构成： e(k)=r(k) - y(k) (1) 偏差变化率 ec(k) 由当前时刻误差 e(k)与前一个时刻的误差 e(k-1)构成： ec(k)=e(k) - e(k-1) (2) 输出变量为 u(k)， 由 e(k)、 ec(k)及变量 k、 k、 kd 构成： (3) 通过偏差和变化率的输入，依据模糊规则得出相应的变化量 k、 k、 kd， 并和原来设定的 PID 参数进行相加 ， 得出需要传递给输出的变量 k、 k、 kd。 设置湿度偏差 e(k)和偏差变化率 ec(k)的基本论域分别为 -5， +5和 -3， +3，对应的离散论域均为 -3， -2， -1， 0，1， 2， 3，则量化因子 ke=3/5=0.8， kec=3/3=l。设置输出量u 基本论域为 0， 30，由于输出量不存在负值，离散论域 u设为 0， 1， 2， 3， 4， 5，则比例因子 ku=30/5=6。湿度偏差 e、 湿度变化率 ec 和变量 k、 k、 kd 均采用三角隶属度函数，函数曲线见图 6。 图 6 三角隶属度函数图 4.2 模糊 PID 控制规则 本模糊控制规则建立的原则是在输入偏差 e(K)变大的时候向误差减小的方向进行调整，当误差变小的时候要保持系统稳定，尽可能避免出现超调现象，具体规则如下，逻辑控制表见表 2。 （ 1）当偏差 e(K)较大时，代表土壤湿度相差较大，应该加快系统调节，加大 Kp 并减 小 Kd 使系统快速到达预定的值。为防止系统产生超调，应当取较小的 Ki 值。 （ 2）当偏差 e(K)适中时，代表土壤湿度在向设定湿度值靠近，变化范围不易过大，系统应尽量保持在一个相对稳定的状态下，应当把 Kp 向较小的方向调整， Ki、 Kd取适中值即可。 （ 3）当偏差 e(K)较小时，代表土壤湿度接近设定值，为了增加系统的容错性，应取较大的 Kp、 Ki 值，为了避免系统发生振荡， Kd 的取值尤为重要，一般取中等大小。 表 2 模糊 PID 逻辑控制表 Kp/ Ki/ Kd Ec NB NM NS ZO PS PM PB e NB PB/NB/NB PM/ZO/PS PB/PB/NM PM/NM/NB PB/PB/NM NB/PB/NB PB/NB/NB NM PB/NB/NB NM/ZO/ZO PB/PB/ZO PS/NS/NM PB/PB/ZO PM/ZO/PB PB/NB/NB NS PB/NB/NB PM/NS/NS PB/PB/PM ZO/NS/ZO PB/ PB/PM NS/PS/NS PB/NB/NB ZO PB/NB/NB PS/NB/NS PB/PB/ZO ZO/ZO/NS PB/ PB/ZO NS/PS/NS PB/NB/NB PS PB/NB/NB PS/NS/ZO PB/PB/PM NM/ZO/ZO PB/ PB/PM NM/PM/ZO PB/NB/NB PM PB/NB/NB NM/ZO/PB PB/PB/ZO ZO/PS/ZO PB/ PB/NB NM/ZO/ZO PB/NB/NB PB PB/NB/NB ZO/ZO/PM PB/PB/NB NS/PS/PM PB/ PB/NB NB/PB/PB PB/NB/NB 4.3 simulink 仿真 根据 所述的模糊 PID 控制器，运用 Simulink 进行仿真，来验证其可行性。由于实际土壤水势曲线为非线性，土壤湿度受多种因素影响，经过查阅文献资料，采用土壤湿度基质变化率的公式来反映变化函数 12： y = 100sin (2 x/400 ) (4) 其中 x 为经过换算的开阀时间， y 为土壤湿度变化率。 通过单独 PID 控制器仿真分析， Kp、 Ki、 Kd 的初始值分别为 13、 0.5、 0.1 且 Kp 取值在 8， 18， Ki 取值在 0， 1， Kd 取值在 0， 0.2时，系统的控制 效果较好。因此输出比例因子 ap 18 -13/10 0.5， ai 1 -0.5/10 0.05，ad 0.2 -0.1/10 0.01，变量 Kp、 Ki、 Kd 表达式如下： Kp 0.5Kp 13 (5) Ki 0.05Ki 0.5 (6) Kd 0.01Kd 0.1 (7) 以设定湿度为 30 度为例，仿真结果如图 7 所示。发现经过 48 秒后湿度达到设定值并保持水平，超调量较小，响应时间短，效果优于单一的模糊控制器和 PID 控制器。 图 7 simulink 仿真结果 5 系统测试 5.1 系统通讯测试 以组 1 中关闭的 2 号从机为例。检测灌溉状态时，发送读取 2 号从机状态的指令为： 0x02、 0x04、 0x00、 0x04、 0x00、 0x06、 0x31、 0xFA。调试工具返回值 RX 为： 0x02、 0x04、 0x0C、 0x00、 0x00、 0x00、 0x00、 0x00、0x01、 0x00、 0x00、 0x00、 0x00、 0x00、 0x1C、 0xC7、 0xBF。 当土壤湿度值未达到设定值，需要灌溉时，发送开启 2号从机电球阀的指令为： 0x02、 0x06、 0x00、 0x04、 0x00、 0x01、 0x09、 0xF8。 调试工具返回值 RX 为： 0x02、 0x06、 0x00、 0x04、 0x00、 0x01、 0x09、 0xF8。组态测试效果如图 8 所示。 当土壤湿度值达到设定值，需要结束灌溉时，发送闭 2号电球阀的指令为： 0x02、 0x06、 0x00、 0x04、 0x00、 0x00、 0xC8、 0x38。 调试工具返回值 RX 为： 0x02、 0x06、 0x00、 0x04、 0x00、 0x00、 0xC8、 0x38。组态测试效果如图 9 所示。 图 8 系统通讯测试图 1 图 9 系统通讯测试图 2 5.2 节水灌溉测试 根据已搭建好的节水灌溉系统，设定土壤湿度为 20度，采用滴灌的方式对某大型盆栽进行实验，土壤湿度传感器插入土壤深度为 7cm，秒表计时 100s，测得数据曲线如图 10 所示。实验结果表明该节水灌溉系统响应上升时间短，在误差允许范围内超调量较小，具有较强的稳定性和鲁棒性。 图 10 土壤湿度测试图 6 结论 本设计基于 模糊 PID 算法，利用信电共线 2 线通讯方式和 MudBus 协议 ，结合 MCGS 组态系统 ， 以 设定的 土壤湿度值作为灌溉的依据， 研究并设计了一种 节水灌溉 智能控制 系 统。实验证明该系统具有设计合理 、安全可靠 、 性能稳定 、 操作 简单 、实用性强等 优点 。 解决了传统灌溉水资源浪费大、 安全 性差 、人机交互能力不强 的问题， 达到了节水灌溉的目的，在灌溉 领域具 有 一定 的实际应用价值 。 参考文献 1 李嵩，周建平，许燕基于 PSO优化 Fuzzy-PID精量灌溉控制系统设计 J节水灌溉， 2019，（ 3）： 90-93. 2 张育斌，魏正英，马胜利，等灰色预测模糊 PID灌溉控制技术开发 J中国农村水利水电， 2016，（ 2）： 5-8. 3 邵鹏飞，曹江涛，桑红，等 Fuzzy-PID复合控制在温室节水灌溉中的应用 J传感器与微系统， 2016， 35（ 8）： 144-147. 4 於沈刚，马明舟，岳雪峰，等模糊 PID智能灌溉控制器的设计及MATLAB仿真 J节水灌溉， 2018，（ 5）： 86-89. 5 卢超，梁烁，严帅，等基于 485总线的高精度数据采集系统设计J电子器件， 2018， 41(6) ： 1572-1576 6 许平灌溉技术的发展在我国农耕制度演进中的作用 J河南师范大学学报（自然科学版）， 2009， (3) ： 141-143 7 丁静， 陶晔，孙进基于 PLC与 MCGS组态技术的温湿度控制系统设计 J中国农机化学报， 2017， (8) ： 87-90+124 8 Fan-wen M, Yu-xiang Z, Dong-kai Y. 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