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        基于模糊控制的智能滴灌控制系統(tǒng)設(shè)計

        2017-03-21 02:02:47田思慶鄭家風(fēng)張炳權(quán)
        節(jié)水灌溉 2017年6期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        田思慶,曹 宇,魏 強,鄭家風(fēng),張炳權(quán)

        (1. 佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154007;2. 佳木斯大學(xué)機械工程學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154007;3. 南京樂金化學(xué)新能源汽車電池有限公司,南京 210038 )

        0 引 言

        智能滴灌控制系統(tǒng)通過對作物生長土壤及光照環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時檢測,并將檢測數(shù)據(jù)反饋給控制器,控制器將對數(shù)據(jù)進行處理,并根據(jù)實際情況對執(zhí)行元件進行實時控制,實現(xiàn)對作物的適時、適量的精確滴灌。根據(jù)各個大棚內(nèi)土壤濕度的不均衡性,以及難以建立精確的數(shù)學(xué)模型等特點。灌水器部分,即灌水系統(tǒng)采用模糊控制策略,同時為了保證滴灌水壓的恒定,根據(jù)3條支路比例電磁閥的開度,制定出模糊控制規(guī)則,以改變變頻器頻率,控制水泵轉(zhuǎn)速保持恒壓供水。本系統(tǒng)經(jīng)過仿真和實地運行驗證,具有超調(diào)量小、動態(tài)時間短和穩(wěn)健性好等特點。

        1 滴灌控制系統(tǒng)

        為滿足溫室大棚內(nèi)作物生長的需求,而設(shè)計的溫室滴灌控制系統(tǒng),不但節(jié)約了能源,降低了成本,更提高了作物灌溉的自動化水平[1]。滴灌控制系統(tǒng)工藝流程圖如圖1所示。

        圖1 智能滴灌控制工藝流程圖

        按照功能劃分滴灌控制系統(tǒng)主要由3個部分組成,如圖1中3個虛線框。其中第一部分為儲水控制部分即水源供給部分,以保證系統(tǒng)具有充足的水源;第二部分為主干路供水部分,以保證系統(tǒng)的恒壓運行供水;第三部分為灌水器控制部分,以實現(xiàn)灌水器管網(wǎng)的滴灌控制,保證土壤濕度的精確滴灌。

        2 灌水器模糊控制設(shè)計

        2.1 滴灌系統(tǒng)分析

        本系統(tǒng)中灌水器滴灌系統(tǒng)本身是一個較為復(fù)雜的被控對象,用二階純滯后模型近似描述,如式(1)所示。式(1)中K為放大系數(shù),τd為純滯后時間。

        (1)

        灌水器滴灌系統(tǒng)傳遞函數(shù)用式(2)近似描述:

        (2)

        2.2 灌水器模糊控制設(shè)計

        本系統(tǒng)采用的模糊控制器為雙輸入單輸出的多變量二維常規(guī)模糊控制器,該控制器的兩個輸入變量分別為:土壤濕度值humidity和光照強度值light;輸出量設(shè)定為比例電磁閥的開度u。在模糊控制器中設(shè)其輸入模糊語言變量分別對應(yīng)為HE,LE,輸出語言變量為U[2]。二維模糊控制器簡單示意圖如圖2所示。

        圖2 二維模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

        將土壤濕度偏差HE分為5個模糊集:{NB(negative big),NS(negative small),ZO(zero),PS(positive small),PB(positive big)},對應(yīng)的物理狀態(tài)分別為{濕度采樣值遠低于設(shè)定范圍下限,濕度采樣值微低于設(shè)定范圍下限,濕度采樣值在設(shè)定值范圍內(nèi),濕度采樣值微高于設(shè)定范圍上限,濕度采樣值遠高于設(shè)定上限}。同時將濕度H的論域定義為{-2,-1,0,1,2}。得到土壤濕度變化模糊規(guī)則表,如表1所示。

        表1 土壤濕度偏差HE隸屬度表

        將光照強度偏差LE同樣分為5個模糊集:{NB,NS,ZO,PS,PB},其對應(yīng)的物理狀態(tài)分別為{光照度采樣值遠低于設(shè)定范圍下限,光照度采樣值微低于設(shè)定范圍下限,光照度采樣值在設(shè)定值范圍內(nèi),光照度采樣值微高于設(shè)定范圍上限,光照度采樣值遠高于設(shè)定上限}。光照強度LE的論域為{-2,-1,0,1,2}。得到土壤濕度偏差變化率模糊規(guī)則表,如表2所示。

        將輸出即比例電磁閥的開度U分為5個模糊集:{OF(open full),OB(open big),OM(open middle),OS(open small),CL(close)}[3],對應(yīng)的物理狀態(tài)分別為{比例電磁閥全開,比例電磁閥大開,比例電磁閥半開,比例電磁閥微開,比例電磁閥關(guān)閉},比例電磁閥的開度U的論域為{0,0.5,1,1.5,2}。得到輸出比例電磁閥開度U的模糊表,如表3所示。

        表2 光照強度偏差LE隸屬度表

        表3 輸出比例電磁閥開度U隸屬度表

        本設(shè)計采用工程上常用的三角型隸屬度函數(shù)作為模糊控制系統(tǒng)子集的隸屬度函數(shù),三角形隸屬度函數(shù)如式(3)所示。

        (3)

        根據(jù)現(xiàn)場實際操作經(jīng)驗制定模糊控制規(guī)則,制定控制規(guī)則如表4所示,共25條規(guī)則,例如:

        (1)當濕度采樣值遠小于設(shè)定范圍下限,且光照度遠小于設(shè)定范圍下限,將比例電磁閥閥門大開;

        (2) 當濕度采樣值遠小于設(shè)定范圍下限,且光照度處于設(shè)定范圍內(nèi),將比例電磁閥閥門全開;

        (3)當濕度采樣值稍小于設(shè)定范圍下限,且光照度處于設(shè)定范圍內(nèi),將比例電磁閥開至半開;

        (4)當濕度采樣值稍大于設(shè)定上限,且光照強度稍大于設(shè)定范圍上限,將比例電磁閥開至微開;

        (5)當濕度采樣值遠大于設(shè)定上限,且光照強度稍大于設(shè)定范圍上限,將比例電磁閥關(guān)閉。

        表4 智能滴灌控制系統(tǒng)模糊控制規(guī)則表

        對模糊推理得到的模糊集合,采用最大隸屬度法對其進行反模糊化[4]。

        3 灌水器滴灌系統(tǒng)模糊控制仿真設(shè)計

        在MATLAB軟件中,對灌水器模糊控制器進行SUMILINK仿真研究,建立一個多變量二維模糊控制器,輸入為HE、LE,輸出為U。如圖3所示。

        圖3 智能滴灌控制系統(tǒng)二維模糊控制器

        進入隸屬度函數(shù)編輯器(Membership Function Editor) 修改輸入語言變量的論域為(-2,2),輸出語言變量的論域(0,2),并將輸入輸出隸屬度函數(shù)選擇為三角形隸屬度函數(shù)[5]。土壤濕度偏差HE隸屬度函數(shù)、光照強度偏差LE隸屬度函數(shù)、比例電磁閥開度U隸屬度函數(shù),如圖4,5,6所示。

        圖4 土壤濕度偏差HE隸屬度函數(shù)

        圖5 光照強度LE隸屬度函數(shù)

        圖6 輸出比例電磁閥開度U隸屬度函數(shù)

        建立了輸入輸出模糊變量子集后,根據(jù)表4,對智能模糊滴灌控制系統(tǒng)制定模糊控制表。在SIMULINK模糊控制器Rule Editor中添加模糊控制規(guī)則,共25條規(guī)則。在Rule Editor編寫的規(guī)則列表如圖7所示。

        圖7 智能滴灌模糊控制系統(tǒng)模糊控制規(guī)則

        模糊規(guī)則制定完成后,在SIMULINK環(huán)境下建立滴灌控制系統(tǒng)模糊控制仿真結(jié)構(gòu)圖,并對其系統(tǒng)進行仿真實驗。仿真結(jié)構(gòu)如圖8所示,仿真曲線如圖9所示。

        圖8 滴灌系統(tǒng)模糊控制仿真結(jié)構(gòu)圖

        圖9 滴灌系統(tǒng)模糊控制仿真曲線

        針對滴灌系統(tǒng),為了對比模糊控制與PID控制的控制效果,特對滴灌系統(tǒng)做了PID控制仿真。其中,PID控制仿真結(jié)構(gòu)如圖10所示,PID控制仿真曲線如圖11所示。

        圖10 滴灌系統(tǒng)PID仿真結(jié)構(gòu)圖

        圖11 滴灌系統(tǒng)PID控制仿真曲線圖

        對比圖9和圖11仿真曲線可以看出,模糊控制比PID控制具有響應(yīng)速度快,超調(diào)量小,控制精度高和穩(wěn)健性強等特點。

        4 結(jié) 論

        本論文分析了滴灌控制系統(tǒng)的組成,設(shè)計了基于模糊控制算法的智能滴灌控制系統(tǒng)。針對灌水器滴灌系統(tǒng),制定了模糊控制規(guī)則,并在SIMULINK環(huán)境下建立了模糊控制和PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,通過兩個系統(tǒng)的仿真曲線比較,模糊控制系統(tǒng)具有控制響應(yīng)速度快,超調(diào)量小,穩(wěn)健性強等特點。

        [1] 姜 源,鄭玉麗.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能大棚控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,(11).

        [2] 李書巳.模糊控制基本原理與實現(xiàn)方法研究[J].數(shù)字技術(shù)與用,2015,(5):7.

        [3] 賴真華,芮延年.隨機出水系統(tǒng)的水位模糊控制與仿真研究[J].裝備制造技術(shù),2014,(12):28-29,32.

        [4] 張 濤.鍋爐水位實驗系統(tǒng)PCI總線改進及模糊控制組態(tài)仿真[J].電氣自動化,2015,(2):90-92.

        [5] 陳慕君,張劍鋒. 溫室大棚溫濕度檢測系統(tǒng)的模糊控制器設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力,2012,(9):101-103.

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