水肥一體機肥液電導率遠程模糊 PID 控制策略研究

　　摘要：為檢測水肥一體機肥液電導率(EC)，并將其控制在合理范圍內，基于物聯(lián)網(wǎng)技術，設計了遠程水肥灌溉控制系統(tǒng)，將自整定模糊 PID 控制算法引入遠程開發(fā)者設備終端中，通過模糊 PID 控制算法調控本地端變頻水泵的頻率進而精準控制 EC，并對本地端 PID 和遠程端模糊 PID 控制算法進行了對比試驗驗證。結果表明：目標 EC 越大，穩(wěn)態(tài) EC 越精確，但穩(wěn)態(tài)時間和超調量均增大;與傳統(tǒng)本地端 PID 控制相比，該系統(tǒng)響應速度快、EC 波動幅度小、穩(wěn)定，當目標 EC 為 2.5mS/cm 時，穩(wěn)態(tài)時間和超調量分別達到 120s 和 20.8%，混肥時間和實測 EC 均能滿足水肥控制實際需求。該研究實現(xiàn)了 EC 的遠程模糊 PID 控制，以及灌溉施肥系統(tǒng)的計算機、手機、微信多終端灌溉數(shù)據(jù)監(jiān)測和開關量控制。

　　關鍵詞：水肥一體機;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)機械學報2021-12-02

　　0 引言

　　水肥一體化是當今一項高效節(jié)水減肥的農(nóng)業(yè)灌溉新技術，該項技術在提高水資源利用效率，促進農(nóng)業(yè)節(jié)本增效方面意義重大[1-4]。在對作物進行施肥灌溉過程中，施肥濃度控制在最優(yōu)控制范圍內有利于作物根系的發(fā)育及土壤中礦物質的吸收[5]。隨著物聯(lián)網(wǎng)與 5G 技術的發(fā)展應用，數(shù)字技術能極大地提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率[6-7]。按照作物水肥需求進行“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”模式的精準控制是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化的關鍵。水肥灌溉系統(tǒng)濃度調控若存在嚴重非線性、時變性和滯后性等問題將影響智能灌溉系統(tǒng)的整體運行效率[8-9]。目前，國內外主要采用 PID 控制和模糊控制策略來實現(xiàn)作物智能灌溉，取得了較好的控制效果。文獻[10-12]基于 PID、模糊控制對水肥流量等進行控制并仿真。李加念等[13]基于 PWM(Pulse width modulation) 以輸出相應的占空比來控制吸肥電磁閥的開閉，進行灌溉液電導率(EC)的動態(tài)調控。文獻[14-19]設計了基于 FPGA、無線傳感網(wǎng)絡、ZigBee 等和模糊控制決策相結合的自動灌溉系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)具有良好的控制效果。文獻[20-25]根據(jù)傳感器采集的溶液電導率信息或酸堿度信息，采用模糊控制策略控制混肥泵、電磁閥等進行肥液或營養(yǎng)液的本地端在線自動混合，實現(xiàn)了水肥一體化的自動控制。趙景波等[26]針對智能水肥一體機混肥濃度非線性問題，提出了一種變域模糊控算法，但目前只有仿真結果。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注，也取得了部分成果，但主要是針對本地端對作物施肥灌溉進行單一的控制，以模擬仿真為主，對水肥灌溉系統(tǒng)進行遠程智能化濃度控制研究相對較少。本文基于物聯(lián)網(wǎng)設計一個可實現(xiàn)計算機、手機、微信多終端灌溉數(shù)據(jù)監(jiān)測和開關量控制的遠程水肥灌溉系統(tǒng)，以解決水肥灌溉系統(tǒng) EC 調控非線性、時變性和滯后性等問題，實現(xiàn)對水肥一體化裝置 EC 的遠程模糊 PID 控制，通過對注肥泵變頻調速改變吸肥量，動態(tài)調節(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)結構與設計

　　水肥灌溉系統(tǒng)結構如圖 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。肥料罐用來存儲肥液;變頻注肥泵提供動力，注肥泵驅動水流流經(jīng)文丘里喉口，產(chǎn)生負壓，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、控制器。傳感單元用來采集流量、壓力、EC 信息，為系統(tǒng)軟件進行水肥耦合調控提供決策數(shù)據(jù);上位機主要包括本地端觸摸屏和遠程用戶終端設備(手機或計算機);控制器 PLC 主要接收上位機指令，對水肥灌溉系統(tǒng)的開關量、變頻注肥泵轉速進行控制。

　　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、進口流量與變頻注肥泵頻率有關，將其改為與頻率有關的變量，表示為 f(t)qw、f(t)qm，根據(jù)質量守恒定理，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量的微分，右邊表示進水管中肥液質量與文丘里吸收的各個母液的肥液質量之和減去出水管中肥液的質量。由于濃度與 EC 成正比關系[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，控制響應特征為一階線性系統(tǒng)。在實際試驗中，設備工作時出口壓力為 0.35MPa，根據(jù)實測數(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 遠程模糊 PID 控制系統(tǒng)設計

　　2.1 遠程控制系統(tǒng)結構

　　遠程控制系統(tǒng)由本地端、遠程端兩部分組成，組成結構如圖 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)、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 RS-232 有線連接，PLC 通過 RS-485 總線與觸摸屏連接;遠程端主要由云端服務器、用戶終端設備、開發(fā)者服務終端組成。EC 傳感器通過 RS-485 總線與云盒(上海智能科技有限公司)連接，本地端通過云盒與遠程端進行動態(tài)數(shù)據(jù)交換;用戶終端設備主要包括用戶計算機或手機微信小程序，實現(xiàn)遠程對本地端設備進行操作控制;開發(fā)者服務終端通過 API 接口與云端服務器連接，主要是對傳感器數(shù)據(jù)進行存儲、控制算法處理， PLC 的 DA 模塊將遠程控制算法輸出數(shù)據(jù)輸入控制變頻注肥泵變頻調速，改變注入主管的肥液量進而實時控制水肥灌溉系統(tǒng)出口灌溉 EC。

　　2.2 模糊 PID 調控方法設計

　　2.2.1 模糊 PID 控制器設計

　　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)過模糊化和模糊推理后得到 PID 控制器的 3 個控制參數(shù)修正量 p i d ? ? ? k k k 、 、，實現(xiàn) PID 控制器的 3 個參數(shù) p i d ? ? ? k k k 、 、的在線修正，最后實現(xiàn)控制變頻注肥泵頻率以調整灌溉施肥 EC。模糊控制器 PID控制器 控制對象 + - △k p △ki △kd e ec r u 圖 3 模糊自整定 PID 控制器結構 Fig.3 Structure of fuzzy self-tuning PID controller 自整定 PID 3 個參數(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)

　　云端遠程實時采集的 EC 與目標值的誤差 e 和誤差變化率 ec的語言變量模糊子集均取為{NB(負大)， NM(負中)，NS(負小)，ZO(零)，PS(正小)， PM(正中)，PB(正大)}量化為 7 個等級，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，綜合考慮水肥灌溉系統(tǒng)的穩(wěn)定性、超調量及響應速度等因素而建立的關系表。通過分析和仿真調整，針對水肥灌溉控制系統(tǒng)，制定 PID 控制器 3 個參數(shù)調整量的模糊規(guī)則，以 p ?k 為例，其控制規(guī)則如表 1 所示。

　　2.2.4 解模糊的計算

　　在水肥灌溉控制系統(tǒng)中，經(jīng)過模糊邏輯推理后，得到 PID 的 3 個控制參數(shù)的模糊集合，不能直接轉化為精確量輸出，必須經(jīng)過解模糊。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，轉化成相應的量化值，然后將運算結果填入模糊控制查詢表中，儲存在計算機系統(tǒng)中，以 p ?k 的模糊控制查詢?yōu)槔Y果見表 2。系統(tǒng)運行時，通過查詢表格，即可得出確定的輸出量，再乘上相應的比例因子，得到相應的頻率模擬量值，通過 PLC 控制器 D/A 轉換輸出到變頻器，進而控制變頻注肥泵改變文丘里吸肥量，完成其變頻控制。

　　3 試驗驗證

　　試驗裝置如圖 1 所示，在西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院灌溉水力學實驗大廳進行，試驗中通過 變 頻 恒 壓 供 水 系 統(tǒng) ( 量 程 0~0.5MPa ，精度 ±0.005MPa)提供試驗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 傳感器實時檢測灌溉出口 EC，電磁流量計(EMF-5000 型號)檢測主管進口流量，EC 通過云盒上傳至云端進行實時記錄。試驗操作時通過水肥灌溉系統(tǒng)的觸摸屏或用戶終端設備上設置施肥配方、閥門開閉、灌溉策略和目標 EC 等內容。保持主管壓力為 0.35MPa，主管出口流量為 3m³/h，采用遠程模糊 PID 控制算法和本地端 PID 控制算法，采樣周期定為 5s，連續(xù)測量 300s。設定不同 EC，對比試驗結果，如表 3 所示。

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

　　4 結論

　　(1)在文丘里吸肥器的基礎上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術搭建了一個遠程水肥灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)了水肥灌溉系統(tǒng)的計算機、手機、微信多終端灌溉數(shù)據(jù)監(jiān)測和開關量控制，在遠程開發(fā)終端使用控制策略實現(xiàn)對水肥灌溉系統(tǒng)EC的實時變頻調控。

　　(2)在確定的使用環(huán)境下，簡化了水肥裝置混肥的數(shù)學過程，建立了操作性強的一階滯后線性系統(tǒng)模型，為水肥EC調控策略提供理論依據(jù)。

　　(3)根據(jù)水肥EC調控的滯后和不穩(wěn)定性，調控系統(tǒng)采用遠程模糊PID控制策略。通過設定不同目標值與本地端PID控制對比試驗發(fā)現(xiàn)，目標EC越大，穩(wěn)態(tài)EC越精確，但穩(wěn)態(tài)時間和超調量均增大;在同一目標EC時，采用遠程模糊PID控制相較于本地端 PID控制其波動幅度小，響應快，超調量小，能夠滿足實際施肥灌溉需求。