基于模糊PID的水肥一體化灌溉控制系統設計

湯春球,劉鳳來,余自良

(武漢理工大學 機電工程學院,湖北 武漢 430070)

目前粗放式的灌溉與撒肥造成了水資源和肥料的嚴重浪費,肥料不僅不能最大限度發揮其效力,也會在一定程度上破壞土壤墑情[1]。因此,水肥一體化灌溉系統的設計與應用,對節水、節肥具有重要意義。

由于土壤是一個大慣性、具有滯后性的系統,在灌溉時,濕度傳感器不能及時反映出土壤的真正濕度,當傳感器檢測濕度達到設定值時,關閉灌溉閥門后,管道中剩余的肥液會繼續傳輸到作物根部,致使實際土壤濕度大于設定土壤濕度[2];筆者結合模糊控制與PID(proportion integral differential)控制的優點設計了模糊PID控制算法,基于專家知識與工作人員經驗制定了模糊PID控制規則表,對土壤實際含水量、含肥量與土壤理想情況下需水量、需肥量進行模糊決策,通過控制灌溉閥門開度控制灌溉的快慢,采用模糊PID控制算法灌溉時,在灌溉前期會增大灌溉閥門開度使土壤濕度盡快達到且小于設定濕度值,然后控制系統會隨著檢測的實際濕度值的增大而減小閥門開度,直至最后濕度達到設定值,關閉閥門,避免出現灌溉過量的情況。

1 水肥一體化灌溉系統總體設計

設計的水肥一體化灌溉系統由環境信息采集模塊、水肥一體機模塊、PLC(programmable logic controller)與觸摸屏控制模塊、農業物聯網服務平臺模塊等組成。系統結構如圖1所示。環境信息采集模塊通過CC2350控制傳感器采集環境數據并通過ZigBee無線傳輸模塊傳送到PLC,并接收PLC下發的采集環境信息的指令,進而控制各傳感器工作[3]。水肥一體機模塊由各種電磁閥、混肥罐、管道等組成,電磁閥接收PLC下發的混肥與灌溉指令,需要灌溉時,水肥一體機按照指令配置好一定濃度的水肥溶液,然后通過管道將肥液輸送到作物根部,并通過控制電磁閥的開度來控制灌溉的快慢。PLC與觸摸屏模塊由西門子S7-200PLC和昆侖通態公司開發的10寸TCP7072Gi觸摸顯示屏組成,該模塊是灌溉系統的控制核心。需要灌溉時,PLC將接收的土壤數據傳遞給模糊PID控制器,模糊PID控制器對信息進行分析與處理,PLC會下發指令給水肥一體機模塊進行灌溉,灌溉的同時PLC會實時地發送指令給環境信息采集模塊實時采集土壤濕度數據,若土壤濕度穩定在設定濕度范圍內,則停止灌溉[4]。農業物聯網服務平臺采用B/S架構體系(瀏覽器/服務器),采用可視化開發工具將數據信息進行可視化顯示,同時在服務器安裝了MySQL數據庫以及應用程序,這樣就可以把傳感器采集來的環境數據存儲起來或者進行處理,實現了對水肥的遠程化、智能化灌溉,用戶可以在手機或電腦端進行登錄,對現場作物與水肥一體機灌溉系統進行監測與控制[5-7]。

圖1 水肥一體化灌溉控制系統結構

2 模糊PID控制算法設計

土壤是一個大慣性、非線性和時滯性的系統,無法對其建立精確與統一的數學模型,傳統的PID控制或模糊控制在控制精度和實時性上難以滿足控制要求[8-9]。因此,筆者設計了一種由模糊控制和PID控制相結合的模糊PID控制算法,利用Simulink建模仿真驗證算法的可靠性,經過實際灌溉測試,驗證了灌溉系統的可行性。

2.1 模糊PID控制器設計

模糊PID控制器由模糊控制器和參數可調的PID控制器組成[10],其結構如圖2所示。該模糊PID控制器采用雙輸入單輸出型,通過控制灌溉閥門開度來控制土壤濕度,而土壤中肥料濃度是按之前混肥濃度來最終確定的。

圖2 模糊PID控制器結構

模糊PID控制原理是將輸入PID控制器的土壤濕度偏差e=r-y和土壤濕度偏差變化率ec=de/dt同時輸入到模糊控制器中,模糊控制器分別對比例KP、積分KI、微分KD進行調節,經過模糊化、模糊推理和去模糊化后,得到修正的ΔKP、ΔKI、ΔKD,最終輸入PID控制器的實時參數為KP+ΔKP、KI+ΔKI、KD+ΔKD。

2.2 模糊PID控制器隸屬度函數設計

考慮到灌溉的控制精度和實際條件,定義土壤濕度偏差e和土壤濕度偏差變化率ec的基本論域為[-3,3];定義e和ec的模糊語言值各有7個:{負大,負中,負小,零,正小,正中,正大},簡記為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。定義ΔKP、ΔKI、ΔKD的模糊語言值為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},則其對應的模糊子集論域分別為(-0.3,0.3]、(-0.05,0.05]、(-2,2]。模糊PID控制器的輸出為電磁閥的開度,即{關閉、微開、中開、全開},簡記為{ZO、PS、PM、PB},對應模糊子集為{0,1,2,3}。e和ec的隸屬度函數采用三角形函數,ΔKP、ΔKI、ΔKD的隸屬度函數采用高斯函數,其隸屬度函數如圖3所示。

圖3 隸屬度函數圖

2.3 模糊PID控制器模糊規則設計

模糊控制規則是模糊控制器的核心部分,查閱模糊控制相關文獻及PID參數整定的一般規則[11],以及工作人員的實際種植經驗,制定了49條模糊PID控制邏輯規則,如表1所示。

表1 ΔKP、ΔKI、ΔKD的模糊控制規則表

編寫好模糊PID控制規則后,可以得到規則生成的三維曲面,如圖4所示。

圖4 模糊PID控制規則三維曲面

3 模糊PID控制算法仿真與灌溉測試

3.1 模糊PID控制器的Simulink仿真

根據文獻資料可知,番茄的最佳生長土壤濕度為55%左右,設置初始濕度值為0,終值為55%的階躍響應信號為模型的輸入信號,由于被控對象是一個復雜的系統,具有響應的滯后性,采用二階純滯后模型來近似描述。

為了驗證模糊PID控制算法的有效性,運用Simulink對算法進行仿真,其仿真模型如圖5所示。

圖5 水肥一體化系統灌溉控制算法仿真模型

通過仿真實驗不斷調整PID控制器的參數值,發現當PID參數值為0.07、0.005、0.08時,系統的控制效果最好,其仿真結果如圖6所示。

圖6 設定土壤濕度為55%的仿真曲線

從圖6可知,模糊PID控制比模糊控制具有更快的收斂速度;與PID控制相比,超調量減少了約8.9%,且震蕩明顯減小;可以看出,模糊PID控制在控制精度和控制的實時性上能夠滿足控制要求。

3.2 水肥一體化灌溉系統測試與分析

所設計的水肥一體化灌溉系統于2021年11月在某地溫室大棚內展開實驗測試,如圖7所示。

圖7 現場灌溉測試圖

灌溉測試從11月2日至11月29日,每3天灌溉一次,測試了10組數據。灌溉對象為10畝左右的番茄幼苗,在模糊PID控制策略下完成灌溉,記錄10次灌溉的用水量與用肥量,如圖8和圖9所示。

圖8 灌溉用水量

圖9 灌溉用肥量

水肥灌溉測試完成后,可以看出每次灌溉大約用水14 t、用肥103 kg,根據以往工作人員灌溉經驗以及查閱資料得知,10畝番茄幼苗以傳統粗放式灌溉大約需水20 t、需肥140 kg。

經過測試與分析可知,所設計的基于模糊PID控制的水肥一體化灌溉系統與傳統粗放式的水肥灌溉相比,節水30%,節肥26.5%,大大降低了農業種植成本,系統不僅在環境保護方面效果明顯,而且還節省了人力成本。

4 結論

針對傳統粗放式灌溉水肥利用率低的問題,設計了一套基于模糊PID控制的水肥一體化灌溉系統,通過傳感器實時采集作物信息,反饋給模糊PID控制器,控制器根據采集的信息進行分析與處理并下達灌溉指令。系統中物聯網服務平臺能夠讓工作人員在手機或電腦端進行遠程的監測與控制,為農業的發展提供了方便。系統采用模糊PID控制算法控制水肥的灌溉,并進行建模仿真,結果顯示系統能很好地將土壤濕度控制在目標范圍內,檢測土中肥料壤濃度在作物生長所需范圍內,能夠滿足控制精度與控制實時性要求。經過實際測試,所設計的水肥一體化灌溉系統能夠滿足實際要求,節水、節肥效果顯著,具有一定的推廣價值。