摘要:為了加快黑龍江墾區(qū)水稻浸種催芽的智能化、規(guī)范化管理,提高水稻浸種催芽的出芽率,以三菱FX2N系列PLC為控制器,針對(duì)水稻浸種催芽過程中對(duì)溫度的控制要求,提出模糊控制的設(shè)計(jì)方法。實(shí)現(xiàn)在浸種催芽過程中對(duì)水稻芽種進(jìn)行升溫、降溫、控溫、保溫等智能化控制,滿足浸種催芽工藝的要求。控制器對(duì)浸種催芽溫度采用模糊控制時(shí),增強(qiáng)系統(tǒng)的控制精度,縮短溫度調(diào)節(jié)時(shí)間,降低系統(tǒng)能耗,為后續(xù)育秧質(zhì)量提供可靠保障。
關(guān)鍵詞:PLC;模糊控制;水稻;浸種催芽
中圖分類號(hào):S233.71;TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):0439-8114(2016)13-3465-03
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.13.050
水稻的生產(chǎn)主要包括浸種催芽、育秧和本田種植三個(gè)階段[1]。通過研究水稻浸種催芽工藝要求中的溫度控制方法,對(duì)提高芽種的出芽率和育秧質(zhì)量,保證水稻取得高產(chǎn)具有實(shí)際意義[2]?,F(xiàn)有研究主要從水浸式浸種催芽的機(jī)理和浸種催芽設(shè)備的構(gòu)造與工藝控制流程方面研究了浸種催芽對(duì)溫度的控制要求和工藝特點(diǎn)。同時(shí),也有以單片機(jī)為控制核心采用傳統(tǒng)的PID控制方法,通過電加熱器進(jìn)行溫度調(diào)節(jié),雖然成本較低,但可靠性和穩(wěn)定性較差,并且不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展[3]。為此,本研究提出以PLC為核心的模糊控制,可有效改善溫度控制的精度,克服控制系統(tǒng)的非線性缺陷,不用建立精確的數(shù)學(xué)模型,從而增強(qiáng)系統(tǒng)的智能化程度。針對(duì)浸種催芽工藝中的溫度控制要求,建立模糊控制規(guī)則,通過PLC對(duì)電加熱器進(jìn)行功率調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)水稻在浸種催芽作業(yè)中各個(gè)工作期的催芽溫度達(dá)到工藝的要求,保障浸種催芽安全可靠。
1 溫控系統(tǒng)組成及其功能
在浸種催芽過程中,最核心的任務(wù)是對(duì)浸種、破胸和催芽3個(gè)階段內(nèi)的溫度和時(shí)間長(zhǎng)短進(jìn)行控制[4,5]。溫度的控制通過調(diào)節(jié)電加熱器的加熱功率完成[6],浸種催芽模糊控制系統(tǒng)是基于PLC為核心的智能化、自動(dòng)化的控制系統(tǒng),上位機(jī)采用華研的工控機(jī),以無線通信方式與下位機(jī)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,通過對(duì)溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集和分析處理作為模糊控制的反饋值,通過控制器實(shí)現(xiàn)模糊輸出,調(diào)節(jié)電加熱器實(shí)時(shí)完成溫度控制功能,從而滿足浸種催芽的溫控工藝要求。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2 PLC的模糊控制算法設(shè)計(jì)
2.1 模糊控制原理
模糊控制作為智能控制理論中的主要方法之一,主要用來解決那些傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制功能[7]。它所研究的對(duì)象具有下列特點(diǎn)。
1)模型不確定性。常見控制系統(tǒng)都是基于固定模型的控制系統(tǒng),類似于浸種催芽對(duì)溫度的要求,以往都靠人為經(jīng)驗(yàn)來判斷溫度要求,這樣的控制方式使控制對(duì)象具有較強(qiáng)的不確定性。采用傳統(tǒng)方式無法找到數(shù)學(xué)模型,這恰好可以利用模糊控制來解決問題。
2)非線性。在傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中,要求系統(tǒng)均為線性,對(duì)于非線性的控制對(duì)象,例如溫度控制具有時(shí)滯性大、非線性,且數(shù)學(xué)模型建立困難,使得傳統(tǒng)的PID閉環(huán)溫度控制效果較差[8]。而模糊控制則無需考慮控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和復(fù)雜情況,僅根據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)就能完成控制規(guī)則的制定,同時(shí)控制規(guī)則也不精確。
3)智能系統(tǒng)的要求。對(duì)應(yīng)智能控制系統(tǒng)主要都是面對(duì)復(fù)雜控制對(duì)象,要求控制系統(tǒng)具有自行的判定規(guī)則和決策能力,同時(shí)對(duì)被控量不但能夠?qū)崿F(xiàn)定值調(diào)節(jié),而且整個(gè)控制系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)診斷和緊急處理等功能。
對(duì)于浸種催芽溫度控制系統(tǒng),恰好具備上述模糊控制的特點(diǎn),對(duì)該系統(tǒng)而言,以往浸種催芽溫度控制主要都靠人工經(jīng)驗(yàn)去調(diào)節(jié),勞動(dòng)強(qiáng)度較大,且工藝要求比較復(fù)雜,各個(gè)環(huán)節(jié)之間的相互配合較多,操作繁瑣,常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器無法達(dá)到控制效果。因此將各作業(yè)期內(nèi)的溫度控制采用模糊的控制方法,可以提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
2.2 模糊控制算法
PLC的模糊控制其核心是利用模糊集合理論,通過實(shí)時(shí)檢測(cè)被控對(duì)象的反饋值且和給定值相比較得到輸入的偏差量,把輸入偏差的精確量轉(zhuǎn)換為模糊量,即模糊化過程,并利用二者間的模糊關(guān)系進(jìn)行模糊推理從而得到一個(gè)模糊的控制結(jié)論,最后將它轉(zhuǎn)換成精確量,即解模糊過程,由此完成整個(gè)PLC的模糊控制。
在浸種催芽溫度控制系統(tǒng)中,每個(gè)工作期所需的溫度作為溫度控制的臨界點(diǎn),通過FX2N-4AD實(shí)時(shí)采集浸種催芽溫度,選擇偏差e和偏差變化率ec作為控制器的輸入變量,控制變量u作為控制期的輸出變量,通過FX2N-4AD模擬量輸出模塊輸出,控制調(diào)功電路完成對(duì)加熱器的功率調(diào)節(jié)。其中,偏差e的模糊控制的判斷依據(jù)劃分為PB(正大)、PS(正小)、PZ(正零)、NZ(負(fù)零)、NS(負(fù)?。?、NB(負(fù)大),選擇e的量化論域?yàn)椋?3,3);而偏差變化率ec和輸出量u均采用5個(gè)模糊狀態(tài),即PB、PS、Z(零)、NS、NB,它們的量化論域分別為(-3,3)和(-4,4)。根據(jù)浸種催芽控制工業(yè)要求,當(dāng)水溫偏差較大時(shí),應(yīng)采用緩慢消除誤差;當(dāng)誤差較小時(shí),應(yīng)以提高控制精度為主,避免超調(diào)的發(fā)生,且以操作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和工藝要求制定模糊規(guī)則,控制器中的模糊規(guī)則采用“IF…AND…THEN…”的結(jié)構(gòu)模式。因此得到模糊推理規(guī)則如表1所示。
設(shè)偏差的實(shí)際變化范圍為(-2,2),偏差變化率的實(shí)際變化范圍為(-1,1),當(dāng)超出范圍后則采用全功率加熱和停止加熱,其中偏差e的量化因子為Ke=1.5,偏差變化率ec的量化因子為Kec=3,對(duì)應(yīng)于采樣的溫度值,乘以量化因子后,就能得到u的模糊離散值,如表2所示。
對(duì)于輸出量u的信號(hào)為模擬量信號(hào)4~20 mA, 從而得出控制量u的量化因子Ku=16/9,采用加權(quán)平均法進(jìn)行解模糊,從而得出模糊控制的輸出量u的精確值,最后通過FX2N-4AD輸出給調(diào)功電路,完成加熱器功率調(diào)節(jié),達(dá)到浸種催芽溫度控制的工藝要求。
2.3 PLC的模糊控制實(shí)現(xiàn)
根據(jù)控制器的模糊算法,F(xiàn)X2N系列PLC的程序流程如圖2所示。通過FX2N-4AD模擬量采集模塊將4路浸種催芽溫度進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,并保存在指定的寄存器中,將設(shè)定值與采樣值進(jìn)行比較后得出偏差量和偏差變化率。通過判定采樣值是否超限來直接決定加熱器是否全功率啟停,而不需要進(jìn)行模糊化,以此大大提高系統(tǒng)響應(yīng)速度,如果在模糊控制的范圍內(nèi),則將輸入量模糊化,根據(jù)模糊規(guī)則得出模糊輸出量的離散值,最后將模糊輸出量轉(zhuǎn)換為實(shí)際輸出量完成解模糊過程,通過FX2N-4AD輸出模擬量信號(hào),控制調(diào)功電路完成加熱器的功率調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)浸種催芽作業(yè)過程中溫度的模糊控制功能。
2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,控制器采用模糊控制算法對(duì)于浸種催芽過程中的溫度調(diào)節(jié)功能較比以往采用的PID控制和開關(guān)量溫度控制都有較大的改善,溫度控制效果如圖3所示。從圖3可知,模糊控制系統(tǒng)的靜差量大幅度減小,約為0.5 ℃左右且沒有負(fù)的偏差,當(dāng)浸種催芽溫度發(fā)生微小變化時(shí),控制器均能進(jìn)行控制與調(diào)節(jié),系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制性能好,精度較高,使整個(gè)溫度調(diào)節(jié)過程中的溫度波動(dòng)范圍滿足控制工藝的要求。同時(shí),加熱器的功率消耗比傳統(tǒng)的開關(guān)量控制大約降低30%,因此采用模糊溫度控制對(duì)于改善水浸式浸種催芽過程中溫度有熱容量大、容積系數(shù)較高、系統(tǒng)控制滯后時(shí)間長(zhǎng)等缺陷,對(duì)提高系統(tǒng)的控制精度具有明顯的效果,滿足浸種催芽作業(yè)的工藝要求。
3 小結(jié)
以三菱FX2N系列PLC作為水稻的浸種催芽溫度模糊控制器核心,實(shí)現(xiàn)了對(duì)浸種催芽中各個(gè)階段的溫度控制,利用控制器輸出量對(duì)調(diào)功電路中晶閘管的通斷進(jìn)行控制,有效地提高了加熱器的工作效率和系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。通過在墾區(qū)農(nóng)場(chǎng)一年多的實(shí)際運(yùn)行,該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、人機(jī)界面友好、運(yùn)行維護(hù)方便、系統(tǒng)便于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn),能夠高效完成浸種催芽,提高了水稻的出芽率,為提高水稻產(chǎn)量和質(zhì)量提供了可靠的保障,更有利于墾區(qū)農(nóng)場(chǎng)對(duì)水稻生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)進(jìn)行管理,滿足生產(chǎn)所需的控制精度,具有廣闊的應(yīng)用前景。
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