張德田 李春花 艾建軍

(保定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071000)

0 研究背景

30多年來，滿城縣有著“中國草莓之鄉(xiāng)”的美稱。該縣草莓種植面積廣，年產(chǎn)量高，居全國領(lǐng)先地位。草莓種植是“農(nóng)民致富的好路子”。采摘期從元旦前至第二年6月份，長達(dá)8個月。滿城草莓雖然基礎(chǔ)很好，但管理比較粗放。當(dāng)年10月下旬扣棚，次年6月結(jié)束，扣棚期長達(dá)8個月。棚內(nèi)澆水多采用大水漫灌，水源得不到充分利用，而且對作物生長不利。改變棚室灌溉方式勢在必行。

1 控制思想

草莓灌溉需遵循“濕而不澇、干而不旱”的原則。草莓一般在果實膨大期至采摘結(jié)束共灌溉3～4次。草莓根系大多分布于地表向下15厘米，滴水宜少量多次，土壤濕度保持在50%～60%。但是土壤水分環(huán)境是一個非線性環(huán)節(jié)，具有大慣性、時滯性、耦合性的特點(diǎn)，難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。因此，將模糊控制理論引入灌溉控制系統(tǒng)，以其強(qiáng)魯棒性滿足系統(tǒng)的控制要求，動態(tài)性能較好。

2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

以土壤水分為研究對象，確定作物需水信息，實現(xiàn)合理灌溉，土壤太干時增大灌溉量，太濕時減少灌溉量，達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。采用閉環(huán)控制的思想，通過紅外線熱電偶采集土壤溫度信息，把檢測的土壤水分含量反饋到控制系統(tǒng)，將實時采集到的土壤水分和原先設(shè)定好的土壤界限值進(jìn)行比較,構(gòu)成一個隨動的閉環(huán)控制系統(tǒng)。以PLC作為現(xiàn)場控制器，編制模糊控制規(guī)則，設(shè)計模糊控制器，通過PLC控制水泵電機(jī)的開啟/停止,通過變頻器控制水泵速度的調(diào)整，以實現(xiàn)溫室灌溉控制系統(tǒng)的自動閉環(huán)控制。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如2-1所示。

圖2-1 控制結(jié)構(gòu)圖

3 控制過程

控制系統(tǒng)采用變頻器、PLC組合模式，如圖3-1所示。利用濕度傳感器自動感測土壤濕度，在可編程控制器內(nèi)預(yù)先設(shè)定50%～60%RH為標(biāo)準(zhǔn)濕度。通過A/D模塊，將傳感器采集的濕度模擬信轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。每隔一定時間，系統(tǒng)采集一次土壤水分?jǐn)?shù)據(jù),并將此信息送人PLC中。PLC將實時采集的土壤信息和設(shè)定土壤濕度進(jìn)行比較,用軟件編程實現(xiàn)模糊控制算法，經(jīng)過模糊控制器的分析之后做出合適的處理命令,控制水源的主水泵和各個電磁閥。通過變頻器調(diào)節(jié)灌溉水量的多與少,來保證溫室作物生長適宜的水分環(huán)境。

圖3-1 控制系統(tǒng)圖

4 模糊控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 輸入量模糊化

模糊控制器的輸入語言變量選為濕度給定值和實際濕度測量值的偏差e=hs-hr及其變化率ec=de/dt，輸出語言變量為FX0N-3A的輸出電流模擬量，對應(yīng)的數(shù)值0～250，將此信號作為變頻器的給定值來改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速。濕度給定值與實際測量值的偏差及其變化率是精確量，其范圍在(-0.3，0.3)，輸出范圍在(0，250)，為真實論域。在模糊控制器的設(shè)計中，首先將這些精確量模糊化。取濕度偏差E的模糊論域為(-3，3)，與之相對應(yīng)的量化因子為

(4-1)

表4-1 將輸入量e轉(zhuǎn)化為離散論域元素

將表中的值都增加偏移量3以便方便建立查詢表，采用同樣的方法對△e進(jìn)行離散論域轉(zhuǎn)化。

4.2 制定模糊控制規(guī)則

將濕度偏差E及濕度偏差變化率EC分為7個模糊子集：負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。隸屬度函數(shù)設(shè)為方波。輸出u范圍在(0，250)，設(shè)定其隸屬度函數(shù)為單點(diǎn)。

a)

b)

模糊控制查詢表為PLC提供實時查詢的依據(jù)，PLC每采樣一次，就更新一次偏差值和偏差率，查表得出新的輸出。

4.3 PLC模糊控制程序

根據(jù)經(jīng)驗，編制表4-2所示模糊控制查詢表，PLC對各個時刻的采樣值進(jìn)行計算，及時更新偏差和偏差變化率，然后查表，即可得輸出控制信號。編寫模糊控制程序，作為整個程序的一個子程序。模糊控制子程序編程過程如下：先將量化因子保存到PLC的保持繼電器中，將輸入量采集到數(shù)據(jù)繼電器中，然后限幅量化處理，根據(jù)它們所對應(yīng)的模糊論域的元素，查模糊控制表，求模糊輸出量，再乘以輸出量的量化因子，就可以得實際輸出量。模糊控制程序流程圖如圖4-3所示。

表4-2 模糊控制查詢表

圖4-3 模糊控制流程圖

5 運(yùn)行記錄及效益分析

據(jù)統(tǒng)計，本控制系統(tǒng)進(jìn)行膜下滴灌比大水漫灌節(jié)水60%左右，還可降低棚內(nèi)濕度，利用提高作物品質(zhì)，減少用藥次數(shù)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。同時，避免了大量施肥引起的農(nóng)藥對環(huán)境的污染，有利用生態(tài)環(huán)境的改善，具有良好社會效益。