亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        基于PSO優(yōu)化Fuzzy-PID精量灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計

        2019-03-21 02:49:00周建平
        節(jié)水灌溉 2019年3期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)化

        李 嵩,周建平,許 燕

        (新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,烏魯木齊 830047)

        我國是一個農(nóng)業(yè)大國,絕大部分水資源用于農(nóng)業(yè)灌溉,傳統(tǒng)的粗放管理方式導(dǎo)致水資源大量浪費(fèi);同時,我國也是世界上第一化肥消費(fèi)大國,由于施肥方式不恰當(dāng),導(dǎo)致國內(nèi)化肥的平均利用率為30%左右[1]。為了提高水肥的利用率,急需一種智能化精量水肥灌溉系統(tǒng),通過智能算法來提高水肥控制精度。

        精量水肥灌溉技術(shù)是將灌溉和施肥一起進(jìn)行,徹底顛覆傳統(tǒng)的灌溉和施肥方式,選擇可溶性或液體肥料,通過水肥配比機(jī)配兌成作物生長所需的肥液,然后隨水一起通過管道系統(tǒng)輸送到作物根系,可以有效的節(jié)水、節(jié)肥,提高水肥利用率,實(shí)現(xiàn)作物增質(zhì)增產(chǎn)[2]。由于大棚灌溉環(huán)境存在非線性、時變性和滯后性等問題,精確數(shù)學(xué)模型難以建立,并且傳統(tǒng)PID控制精度達(dá)不到要求;而模糊控制是一種非線性控制,根據(jù)專家知識和操作人員經(jīng)驗(yàn)可以制定有效的控制策略,但其抗干擾能力欠佳,并且控制誤差較大[3]?;趥鹘y(tǒng)控制方法和模糊控制方法的優(yōu)點(diǎn),進(jìn)行PSO優(yōu)化Fuzzy-PID控制,通過對Ke、Kec(量化因子)和Kp、Ki、Kd(比例因子)尋優(yōu),可以有效解決傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制的不足,并在SIMULINK圖形仿真環(huán)境下進(jìn)行仿真試驗(yàn),證明其具有更優(yōu)越的動態(tài)響應(yīng)性能和控制效果。

        1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

        精量水肥灌溉控制系統(tǒng)能夠根據(jù)作物生長所需求的營養(yǎng)水分,實(shí)現(xiàn)按量灌溉、定時灌溉、手動和自動灌溉以及遠(yuǎn)程控制等功能,實(shí)現(xiàn)用最少的水肥量獲得最大的純收益,真正意義上實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變。系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框架

        系統(tǒng)包括:STM32F103單片機(jī)核心控制板;觸摸顯示屏采用廣州大彩組態(tài)串口屏;A/D采樣模塊和D/A輸出模塊;傳感器;電磁閥等。

        2 精量水肥灌溉機(jī)

        針對大棚環(huán)境所搭建精量水肥灌溉機(jī),能夠通過手動和自動控制實(shí)現(xiàn)水肥的定時、定量灌溉,并成功應(yīng)用于新疆西山大棚和塔城額敏縣農(nóng)場。該精量水肥灌溉機(jī)結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖如圖2所示。

        圖2 精量水肥灌溉機(jī)結(jié)構(gòu)圖

        其工作原理:針對大棚灌溉環(huán)境,由土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器以及EC、pH傳感器來獲取農(nóng)作物水肥狀態(tài),通過首部控制器對水肥需求情況下達(dá)指令,打開電磁閥門進(jìn)行灌溉[4]。該灌溉機(jī)根據(jù)專家知識系統(tǒng)配兌農(nóng)作物所需營養(yǎng)液濃度,從而實(shí)現(xiàn)精量灌溉。

        3 精量配比灌溉控制策略

        3.1 PID控制

        PID控制器是一種線性控制器[5],其原理框圖見圖3。

        圖3 PID控制原理框圖

        其控制偏差e(t)由給定值yd(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成:

        e(t)=yd(t)-y(t)

        (1)

        PID的控制規(guī)律為:

        (2)

        式中:Kp為比例系數(shù);Ki為積分系數(shù);Kd為微分系數(shù)。

        針對一個非線性、時變性和滯后性的大棚灌溉系統(tǒng),雖然傳統(tǒng)PID控制結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠,但Kp、Ki、Kd三個參數(shù)難以整定,不能滿足控制系統(tǒng)的需求[5]。

        3.2 Fuzzy-PID控制

        Fuzzy-PID控制器由模糊控制器和PID控制器兩大部分組成,其基本原理框圖如圖4所示。該Fuzzy-PID控制器的輸入量誤差e和誤差變換率ec經(jīng)過模糊化和模糊推理后得出模糊控制器的輸出值,PID控制器會對參數(shù)Kp、Ki、Kd進(jìn)行調(diào)節(jié),最終實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制[6]。

        圖4 Fuzzy-PID基本原理框圖

        其中,PID控制器的Kp、Ki、Kd、e和ec5個參數(shù)的關(guān)系如下[7]:

        (1)當(dāng)|e|較大時,為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)精度,且避免系統(tǒng)產(chǎn)生過大的超調(diào)量,應(yīng)適當(dāng)加大Kp,同時減小Ki、Kd,常取Ki=0。

        (2)當(dāng)|e|處于中等大小時,適當(dāng)減小Kp來減小系統(tǒng)的超調(diào)量,同時為了提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度和消除穩(wěn)態(tài)誤差,應(yīng)適當(dāng)增大Ki。

        (3)當(dāng)|e|較小時,選取較大的Kp和Ki,使系統(tǒng)保持穩(wěn)定;同時選取適當(dāng)?shù)腒d對偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報,抑制偏差向任何方向變化,使系統(tǒng)不會在平衡點(diǎn)出現(xiàn)振蕩。

        根據(jù)控制系統(tǒng)的精度要求,對偏差和偏差率的量化等級采用7段式模糊論域,記作{-3、-2、-1、0、1、2、3}。對于大棚控制對象,把水肥流量的誤差e和誤差變化率ec作為輸入量,修正參數(shù)ΔKp、ΔKi、ΔKd作為輸出量。其中, 5個參數(shù)的模糊集定義為{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大},表示為{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB},論域的范圍定義為{-3,3},隸屬度函數(shù)采用形狀簡單、計算方便、靈敏度較強(qiáng)的三角形隸屬度函數(shù)曲線,e、ec的隸屬度函數(shù)如圖5、圖6所示。根據(jù)專家知識和操作人員經(jīng)驗(yàn),得出輸出參數(shù)Kp、Ki、Kd整定的模糊控制表,如表1~3所示。

        根據(jù)PID參數(shù)整定規(guī)則,得到自調(diào)整PID三個參數(shù)的修正公式:

        Kp=Kp0+ΔKp,Ki=Ki0+ΔKi,Kd=Kd0+ΔKd

        式中:Kp0、Ki0、Kd0為整定前參數(shù);Kp、Ki、Kd為整定后參數(shù)。

        Fuzzy-PID控制是一種非線性控制方式,不需要建立精確數(shù)學(xué)模型,根據(jù)專家知識或操作人員經(jīng)驗(yàn)制定合適的控制策略,響應(yīng)速度快,但控制誤差大。

        圖5 誤差e的隸屬度函數(shù)

        圖6 誤差變化率ec的隸屬度函數(shù)

        表1 ΔKp模糊控制規(guī)則

        表2 ΔKi模糊控制規(guī)則

        表3 ΔKd模糊控制規(guī)則

        3.3 PSO優(yōu)化Fuzzy-PID

        3.3.1 基本粒子群優(yōu)化算法

        粒子群優(yōu)化(PSO)算法是一種經(jīng)典的群智能算法,由初始化、適應(yīng)度計算、極值更新、位置和速度更新4部分構(gòu)成,該算法是受生物界鳥群覓食原理啟發(fā)而提出的優(yōu)化算法,即最優(yōu)解的一種方法[8]。

        假設(shè)在一個N維空間區(qū)域中搜索,其中種群中每個粒子的位置可表示為xi=(xi1,xi2,…,xin),(i=1,2,…,n),即優(yōu)化問題的一個可能的解;其速度表示為vi=(vi1,vi2,…,vin)(i=1,2,…,n)。種群中的每個粒子可以根據(jù)以下公式來更新速度和位置:

        (3)

        (4)

        式中:ω、k為慣性權(quán)重和迭代次數(shù);c1、c2為局部加速常數(shù)和全局加速常數(shù);r1、r2為[0,1]區(qū)間內(nèi)均勻分布隨機(jī)數(shù);Pij為粒子i個體最優(yōu)位置;Pgj為整個粒子群全局最優(yōu)位置,j=1,2,…,N。

        3.3.2 PSO優(yōu)化Fuzzy-PID控制

        Fuzzy-PID控制是根據(jù)專家知識或操作人員的經(jīng)驗(yàn)制定合適的控制策略,這樣會因?yàn)檫^于依賴專家知識和操作人員經(jīng)驗(yàn)無法滿足特殊條件下的抗干擾能力,同時控制誤差較大,降低了其自適應(yīng)能力,為了彌補(bǔ)模糊控制算法存在的不足,本文提出了一種基于PSO優(yōu)化Fuzzy-PID控制算法,其原理圖如圖7所示。

        圖7 PSO優(yōu)化模糊PID控制器原理框圖

        通過粒子群算法對模糊控制器的Ke、Kec(量化因子)和Kp、Ki、Kd(比例因子)尋優(yōu),以積分性能指標(biāo)(ITAE)作為尋優(yōu)目標(biāo)[9]。其中,采用ITAE指標(biāo)可以保證系統(tǒng)的快速響應(yīng)性、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間以及穩(wěn)態(tài)誤差等[10]。ITAE是時間乘以誤差絕對值積分的性能指標(biāo),即:

        該P(yáng)SO優(yōu)化Fuzzy-PID控制流程圖如圖8所示。

        圖8 PSO優(yōu)化Fuzzy-PID控制流程圖

        4 實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證

        4.1 仿真分析

        文中的粒子群算法仿真是通過MATLAB中的M函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。將粒子群算法應(yīng)用到Fuzzy-PID控制器參數(shù)優(yōu)化中要將算法的M函數(shù)轉(zhuǎn)化為S函數(shù),并將其封裝為以e、ec為輸入,Kp、Ki、Kd為輸出的子系統(tǒng),如圖9所示。

        圖9 粒子群算法S-Function

        為了驗(yàn)證PSO優(yōu)化Fuzzy-PID控制的優(yōu)越性,對其在SIMULINK圖形仿真環(huán)境下進(jìn)行仿真試驗(yàn),建立常規(guī)PID和Fuzzy Logic Controller模型,并把建好的模糊邏輯(.fis文件)添加到模型中,同時借助SIMULINK圖形仿真環(huán)境中的模塊庫建立PSO優(yōu)化Fuzzy-PID控制模型,并對模型進(jìn)行封裝。其中,對于大棚水肥灌溉流量的控制,采用階躍輸入信號進(jìn)行PID、Fuzzy-PID和PSO優(yōu)化Fuzzy-PID控制仿真試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

        圖10 MATLAB 仿真曲線圖

        根據(jù)MATLAB仿真曲線圖,對性能進(jìn)行分析,得到控制系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)如表4所示。從仿真曲線圖和性能指標(biāo)得出:PSO優(yōu)化Fuzzy-PID控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)PID控制相比,上升時間減少了4.10 s,超調(diào)量降低了14.57%,調(diào)節(jié)時間減少了27.4 s;相比于Fuzzy-PID控制,上升時間減少了4.30 s,超調(diào)量降低了0.37%,調(diào)節(jié)時間減少了20 s。表明采用PSO優(yōu)化Fuzzy-PID精量灌溉控制系統(tǒng)具有更好的控制效果和魯棒性。

        表4 主要性能指標(biāo)

        4.2 系統(tǒng)驗(yàn)證

        對于搭建的精量水肥灌溉機(jī),加入PSO優(yōu)化Fuzzy-PID控制算法進(jìn)行水肥配比實(shí)驗(yàn)。其中,設(shè)置水路流量為1 000 mL,肥路流量為50 mL,得到的水肥配比效果如圖11所示。

        圖11 水肥配比效果

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:采用PSO優(yōu)化Fuzzy-PID控制使得系統(tǒng)在4 s左右達(dá)到水肥的預(yù)設(shè)配比值,配比精度高,響應(yīng)快。

        5 結(jié) 語

        (1)針對大棚灌溉控制系統(tǒng),搭建了精量水肥灌溉機(jī),并對PSO優(yōu)化Fuzzy-PID控制算法進(jìn)行了研究,結(jié)果表明采用該算法能夠有效解決傳統(tǒng)PID控制不確定性、非線性和滯后性,也解決了Fuzzy-PID控制過于依賴專家知識和操作人員經(jīng)驗(yàn)以及控制誤差較大的問題,驗(yàn)證了該算法具有很好的控制效果和魯棒性。

        (2)該灌溉系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地控制水肥比例,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉,同時完成N、P、K和微量元素的配比灌溉,提高了水肥利用率,具有很好的推廣應(yīng)用價值。

        猜你喜歡
        優(yōu)化
        超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化思考
        PEMFC流道的多目標(biāo)優(yōu)化
        能源工程(2022年1期)2022-03-29 01:06:28
        民用建筑防煙排煙設(shè)計優(yōu)化探討
        關(guān)于優(yōu)化消防安全告知承諾的一些思考
        一道優(yōu)化題的幾何解法
        由“形”啟“數(shù)”優(yōu)化運(yùn)算——以2021年解析幾何高考題為例
        圍繞“地、業(yè)、人”優(yōu)化產(chǎn)業(yè)扶貧
        事業(yè)單位中固定資產(chǎn)會計處理的優(yōu)化
        4K HDR性能大幅度優(yōu)化 JVC DLA-X8 18 BC
        幾種常見的負(fù)載均衡算法的優(yōu)化
        電子制作(2017年20期)2017-04-26 06:57:45
        韩国精品一区二区三区无码视频| 亚洲精品国产不卡在线观看| 精品国产高清a毛片| 亚洲天堂av路线一免费观看| 日韩午夜理论免费tv影院| 高潮迭起av乳颜射后入| 日本丰满妇人成熟免费中文字幕| 美女被搞在线观看一区二区三区 | 麻豆一区二区99久久久久| 综合色天天久久| 国产黄片一区视频在线观看| 综合亚洲二区三区四区在线| 人妻少妇乱子伦无码视频专区| 熟女体下毛毛黑森林| 久久久久亚洲精品无码网址| 国产白丝网站精品污在线入口| 亚洲黄色一插一抽动态图在线看| 中文字幕乱码亚洲无限码| 亚洲av成人片在线观看| 无码人妻精品丰满熟妇区| 色综合久久无码中文字幕app| 最近中文字幕一区二区三区| 亚洲乱码一区二区三区在线观看| 香蕉视频在线精品视频| 奇米狠狠色| 国产成人激情视频在线观看| 熟妇高潮一区二区三区在线观看| 久久夜色精品国产欧美乱| 亚洲女同成av人片在线观看| 日本av不卡一区二区三区| 天堂网站一区二区三区 | 最新国产日韩AV线| 久久精品中文字幕久久| 日本免费视频一区二区三区| 人妻丰满熟妇无码区免费| 久久久久国产精品熟女影院| 99国产综合精品-久久久久 | 日韩精品中文字幕人妻系列| av日韩一区二区三区四区| 香蕉久久福利院| 亚洲成aⅴ人片在线观看天堂无码|