摘要：針對(duì)當(dāng)前農(nóng)用和工用水泵控制系統(tǒng)中存在對(duì)液位的大慣性、非線性以及實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制的問(wèn)題，提出了一套基于模糊PID算法的無(wú)線農(nóng)用水泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和硬件電路組成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)程液位系統(tǒng)的監(jiān)視和控制功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用模糊PID算法較常規(guī)PID控制其響應(yīng)速度快，且較快地達(dá)到穩(wěn)態(tài)，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整和修改液位控制參數(shù)。當(dāng)給系統(tǒng)增加外部干擾時(shí)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性很好，能夠適應(yīng)外界參數(shù)的變化，從而有效實(shí)現(xiàn)和改善系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制性能，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：水泵； 遠(yuǎn)程液位控制； 模糊PID算法； 無(wú)線傳輸

中圖分類號(hào)：TP273+.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）01-0192-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.01.051

傳統(tǒng)的自動(dòng)控制需要使被控對(duì)象建立在準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上[1]，但在實(shí)際生產(chǎn)生活中，由于系統(tǒng)產(chǎn)生的影響因素很復(fù)雜，要建立精確數(shù)學(xué)模型很困難。研究人員[2，3]提出的模糊數(shù)a學(xué)理論在自動(dòng)控制研究領(lǐng)域發(fā)揮了很大作用，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論完成的相關(guān)控制得到了迅速發(fā)展，模糊控制技術(shù)日趨成熟和完善。其中，基于PID算法的控制技術(shù)扮演了十分重要的角色，并將成為研究與應(yīng)用的重點(diǎn)技術(shù)之一，各種模糊控制產(chǎn)品也充滿了日本、西歐和美國(guó)等市場(chǎng)[4]。

無(wú)線水泵控制是農(nóng)戶用水、自來(lái)水廠、化肥廠、鍋爐廠和煉鐵廠中水處理等系統(tǒng)的重要工作，由于存在難以建立準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，以及非線性、耦合、參數(shù)時(shí)變和隨機(jī)干擾等特點(diǎn)，難以采用傳統(tǒng)PID或單一的控制方法實(shí)現(xiàn)水泵現(xiàn)場(chǎng)控制。為實(shí)現(xiàn)無(wú)線農(nóng)用水泵遠(yuǎn)程控制[5]，設(shè)計(jì)了一套基于模糊PID算法、適用于多變的工業(yè)環(huán)境的遠(yuǎn)程無(wú)線水泵控制系統(tǒng)，以期當(dāng)系統(tǒng)受到外部干擾時(shí)，能夠自適應(yīng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程液位系統(tǒng)的監(jiān)視和控制功能。

1 無(wú)線農(nóng)用水泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由兩部分組成，包括下位機(jī)水位檢測(cè)與信號(hào)發(fā)射裝置，以及上位機(jī)自動(dòng)控制水泵的信號(hào)接收與控制裝置。系統(tǒng)采用5 V電池或太陽(yáng)能為整個(gè)水位檢測(cè)與信號(hào)發(fā)射裝置端供電，并將水位傳感器采集的水位信息處理后通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊上傳到遠(yuǎn)程上位機(jī)；無(wú)線接收模塊接收信號(hào)并在譯碼器解碼后讀入液位數(shù)據(jù)，單片機(jī)進(jìn)而針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水位信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和水泵的智能控制，并完成顯示、存儲(chǔ)、過(guò)限報(bào)警等功能。無(wú)線農(nóng)用水泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 無(wú)線農(nóng)用水泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)液位檢測(cè)模塊電路、控制模塊電路、無(wú)線收發(fā)模塊電路以及提供系統(tǒng)工作的電源模塊電路等。系統(tǒng)供電均為5 V直流電壓，因此可通過(guò)整流橋和ZA3020的穩(wěn)壓塊將220 V的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)所需的ZA3020直流電壓。

2.1 液位檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)

液位檢測(cè)模塊電路的主要任務(wù)是檢測(cè)液位值。此處設(shè)計(jì)采用差壓傳感器檢測(cè)不同水位對(duì)應(yīng)輸出不同的電平值，該信號(hào)由單片機(jī)處理后經(jīng)由無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)射到上位機(jī)。其對(duì)應(yīng)硬件電路如圖2所示。

2.2 無(wú)線收發(fā)模塊電路設(shè)計(jì)

無(wú)線收發(fā)模塊主要負(fù)責(zé)發(fā)送采集到的水位數(shù)據(jù)和接收來(lái)自監(jiān)控中心的控制命令。當(dāng)編碼器將水位信息編碼后，將數(shù)據(jù)通過(guò)圖2中的數(shù)據(jù)輸出口Dout傳輸給發(fā)射器的數(shù)據(jù)接收口DATA，通過(guò)外接天線（長(zhǎng)度25 cm）發(fā)射出無(wú)線電信號(hào)。其振蕩電阻R31為1.2 ？贅，該模塊頻率穩(wěn)定性基本與晶振相同，電路工作非常穩(wěn)定，信號(hào)收發(fā)距離遠(yuǎn)，具體電路如圖3所示。

2.3 控制模塊電路設(shè)計(jì)

控制模塊主要用來(lái)控制水泵和電動(dòng)閥。當(dāng)單片機(jī)通過(guò)433 MHz的無(wú)線模塊接收到水位測(cè)量信號(hào)后[6]，通過(guò)單片機(jī)處理計(jì)算出當(dāng)前水位高度，并通過(guò)模糊算法處理水位波動(dòng)高度[7]，經(jīng)由無(wú)線模塊發(fā)射信號(hào)啟停水泵，同時(shí)打開(kāi)或調(diào)整電磁閥門(mén)控制水流量?？刂颇K主要電路如圖4所示。

2.4 電源模塊電路設(shè)計(jì)

使用穩(wěn)壓電源能使電路性能更加穩(wěn)定可靠，電源如果處理不當(dāng)將會(huì)影響整個(gè)電路的工作性能甚至無(wú)法工作。整個(gè)系統(tǒng)采用5 V電壓供電，電源模塊電路設(shè)計(jì)必須考慮到硬件系統(tǒng)對(duì)電源具有穩(wěn)壓和紋波小等要求，當(dāng)然在有效保證電路電壓穩(wěn)定輸入的前提下，低功耗也是現(xiàn)今設(shè)計(jì)非常關(guān)注的。因而針對(duì)系統(tǒng)要求，系統(tǒng)采用ZA3020芯片獲得5 V供電電源。為使電路中5 V輸出電源的紋波較小，在經(jīng)過(guò)ZA3020轉(zhuǎn)換后的電壓輸出端采用了一個(gè)22 μF和0.1 μF的電容，另外芯片的電源輸入端也放置了一個(gè)10 μF和和0.1 μF的濾波電容，從而有效減小輸入端受到的干擾，使信號(hào)穩(wěn)定可靠地輸入。系統(tǒng)輸入電源電壓處理電路如圖5所示。

3 無(wú)線農(nóng)用水泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 模糊PID原理結(jié)構(gòu)

模糊PID算法控制器原理結(jié)構(gòu)如圖6所示。In為設(shè)定值，由水箱本身大小決定；out為當(dāng)前液位值，是控制系統(tǒng)的控制對(duì)象，u是流量控制設(shè)備的改變量（即電動(dòng)閥開(kāi)啟量大小，決定水流量）。PID控制器中的kp、ki、kd 3個(gè)系數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)精度以及超調(diào)量等方面發(fā)揮重要作用。其中比例系數(shù)kp的作用是提高響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)精度，積分系數(shù)ki用來(lái)消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，微分系數(shù)kd為改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計(jì)在保留原有PID算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)模糊推理程序?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的二維輸入變量偏差e和偏差變化率de/dt，同時(shí)將其輸入到模糊控制器中，根據(jù)設(shè)置好的模糊集規(guī)則實(shí)時(shí)調(diào)整kp、ki、kd 3個(gè)參數(shù)。分別經(jīng)過(guò)模糊化、近似推理和清晰化后，把得出的修正量Δki、Δkp和Δkd分別輸入PID控制器中，對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修正，計(jì)算出控制量u和控制流量電動(dòng)閥開(kāi)啟量，實(shí)現(xiàn)液位遠(yuǎn)程控制。

3.2 kp、ki、kd模糊控制策略及流程圖設(shè)計(jì)

模糊控制器的控制策略是依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)以及手動(dòng)控制液位和水泵的實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)確定的，定義模糊控制器的輸入e和ec、輸出kp、ki、kd模糊論域范圍都為{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，同時(shí)分別選取kp、ki、kd、系統(tǒng)偏差e和系統(tǒng)偏差變化率ec的模糊子集={NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB}，在設(shè)置規(guī)則時(shí)，本文首先以人工經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y(cè)為參考選取相應(yīng)的參數(shù)，進(jìn)而再通過(guò)仿真試驗(yàn)對(duì)其優(yōu)化，以液位控制效果最好的一組為最終的控制規(guī)則，建立合適的模糊控制規(guī)則表，得到對(duì)Δkp、Δki和Δkd 3個(gè)參數(shù)的自整定模糊規(guī)則表[8-10]，具體見(jiàn)表1、表2和表3。

根據(jù)以上設(shè)定輸入輸出變量規(guī)則，得出各模糊子集的隸屬度函數(shù)如圖7。

由此根據(jù)各模糊子集的隸屬度函數(shù)和模糊控制規(guī)則，計(jì)算機(jī)通過(guò)模糊合成得到了kp、ki、kd的各自修正參數(shù)Δkp、Δki、Δkd的值，將修正參數(shù)代入下式中即可得到kp、ki、kd的值。

kp（t）=kp（t-1）+△kpki（t）=ki（t-1）+△kikd（t）=kd（t-1）+△kd

系統(tǒng)算法的程序流程如圖8所示：

4 無(wú)線農(nóng)用水泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中為了使上下位機(jī)之間的通訊安全可靠，故進(jìn)行了通訊協(xié)議的設(shè)定，采用115 200 bps的通訊波特率，每幀的格式設(shè)置為1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無(wú)校奇偶校驗(yàn)。

協(xié)議中的命令包括上傳命令和下發(fā)命令，所有數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)均為16進(jìn)制。其中每條命令包括8個(gè)字節(jié)，分別為同步字、命令類型、地址、包長(zhǎng)、數(shù)據(jù)段及校驗(yàn)位。同步字用于發(fā)起本條命令；地址用于表示此命令的作用對(duì)象，其地址設(shè)定為H01；字長(zhǎng)用于表示本次發(fā)送的數(shù)據(jù)包字節(jié)總數(shù)；Byte4～Byte6 的值則可以根據(jù)需要自己設(shè)定，同一命令類型中Byte4～Byte6的值惟一，防止命令沖突；命令數(shù)據(jù)包的最后一位是校驗(yàn)位，為前面7個(gè)字節(jié)之和。通訊開(kāi)始命令數(shù)據(jù)包的格式如表4。

上位機(jī)向下位機(jī)下發(fā)命令后，下位機(jī)應(yīng)作出適當(dāng)返回，即下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。上發(fā)命令的數(shù)據(jù)包格式按順序?yàn)橥阶帧⒚铑愋?、地址、包長(zhǎng)、數(shù)據(jù)段及校驗(yàn)位，具體格式如表5。

5 仿真結(jié)果及分析

為更詳細(xì)地驗(yàn)證模糊PID控制器的動(dòng)態(tài)性能，該系統(tǒng)建立在MATLAB環(huán)境中的Simulink仿真模型如圖9所示，系統(tǒng)依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)以及手動(dòng)控制液位和水泵的實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)，分別輸入相應(yīng)參數(shù)值給Gain和Gain1，得到偏差信號(hào)，然后經(jīng)由模糊邏輯控制器（Fuzzy Logic Controller）處理后，再通過(guò)模糊PID算法輸出控制信號(hào)，子系統(tǒng)Product、Product1和Product2分別輸出當(dāng)前時(shí)刻的參數(shù)值，最后系統(tǒng)將此融合參數(shù)送給傳遞函數(shù)后輸出并反饋給輸入端，完成在線調(diào)整水泵的送水量工作。

根據(jù)上述仿真模型設(shè)定系統(tǒng)的采樣周期為1 ms，采用階躍響應(yīng)的方式來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)性能，在200 ms和650 ms的時(shí)刻分別加入了幅值u（電壓）為1.0 V和幅值為0.7 V的外部擾動(dòng)，得到系統(tǒng)參數(shù)kp、ki、kd自調(diào)整響應(yīng)曲線如圖10所示。

圖11所示是在采用8度階躍信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)下，對(duì)液位高度分別運(yùn)用PID控制和模糊PID控制方法的仿真結(jié)果圖。其中PID的比例參數(shù)取3、積分參數(shù)取1、微分參數(shù)取1，本設(shè)計(jì)中的模糊PID控制器參數(shù)采用試湊法獲得，即通過(guò)對(duì)PID參數(shù)不斷地進(jìn)行調(diào)整，最后確定一組能夠使控制系統(tǒng)的輸出響應(yīng)快速、調(diào)整時(shí)間短以及超調(diào)量盡量小的參數(shù)作為本文所使用的PID參數(shù)，其比例參數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)也分別為kp=6、ki=2、kd=2。

上述仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的模糊PID控制與常規(guī)PID控制相比，具有響應(yīng)快、調(diào)整時(shí)間短、超調(diào)量小等特點(diǎn)，在給系統(tǒng)增加外部干擾時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，抗干擾性強(qiáng)。

6 小結(jié)

針對(duì)基于模糊PID算法在無(wú)線農(nóng)用水泵遠(yuǎn)程控制中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，使得該系統(tǒng)在液位控制技術(shù)方面有了明顯改善。系統(tǒng)將常規(guī)PID和模糊控制有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PID 3個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)在線調(diào)整。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，液位模糊PID控制系統(tǒng)解決了由于系統(tǒng)或外界其他因素造成的系統(tǒng)控制性能差，響應(yīng)時(shí)間短以及抗擾動(dòng)能力低等問(wèn)題，提高了遠(yuǎn)程水泵控制系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能，有效解決了該控制系統(tǒng)存在的滯后性強(qiáng)、超調(diào)量大等問(wèn)題，能夠?yàn)楣まr(nóng)業(yè)上的應(yīng)用提供更加精確的液位監(jiān)測(cè)，生產(chǎn)更高品質(zhì)工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，同時(shí)達(dá)到節(jié)約成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

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