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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