王新東,徐艷蕾,2,張 奇,孟笑天,何 潤(rùn)

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)春 130118;2.吉林大學(xué) 工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130022)

0 引言

變量噴藥技術(shù)是根據(jù)田間信息(包含土壤、氣候、作物生長(zhǎng)情況等),利用先進(jìn)的智能化農(nóng)業(yè)機(jī)具自動(dòng)調(diào)節(jié)噴藥量,它源于精確農(nóng)業(yè)思想,是精確農(nóng)業(yè)中非常重要的一項(xiàng)研究?jī)?nèi)容[1]。變量噴藥技術(shù)不僅提高了噴藥性能,而且減少了農(nóng)藥殘留對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的負(fù)面影響 ,因而對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展有著重大的推動(dòng)意義。

變量噴藥技術(shù)的核心是根據(jù)農(nóng)田環(huán)境的變化實(shí)時(shí)調(diào)整噴藥量,目前常用的變量噴藥技術(shù)主要是壓力式[2-3]和PWM式[4-5]:壓力式控制系統(tǒng)由于壓力的頻繁變動(dòng),噴霧效果會(huì)減低;PWM式對(duì)系統(tǒng)的頻率要求較為苛刻,過(guò)高會(huì)影響電磁閥壽命,降低系統(tǒng)響應(yīng)速度,過(guò)低則降低噴藥性能。PID控制式是根據(jù)傳感器返回的實(shí)際流量和目標(biāo)噴藥量得出噴藥量差值作為輸入量,通過(guò)比例、積分、微分環(huán)節(jié)計(jì)算處理后控制電動(dòng)比例閥的閥門開度,從而實(shí)現(xiàn)變量噴藥控制。但是,傳統(tǒng)的PID 控制式經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng),參數(shù)整定復(fù)雜,且系統(tǒng)易出現(xiàn)穩(wěn)定性不足、控制精度低等缺點(diǎn)。灰狼優(yōu)化算法(Grey Wolf Optimizor, GWO) 是一種新型啟發(fā)式算法[6],源于對(duì)灰狼群體追蹤、圍捕、攻擊獵物捕食行為的模擬。GWO算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且具有較強(qiáng)的尋優(yōu)性能,因此在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

為了解決傳統(tǒng)PID控制方式的不足,本文設(shè)計(jì)了一種基于灰狼優(yōu)化PID控制的變量噴藥系統(tǒng),以提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及模型構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

本文設(shè)計(jì)的變量噴藥系統(tǒng)主要由藥箱、電動(dòng)泵、流量傳感器、液位傳感器、微處理器、顯示屏、攝像頭、分配器和噴頭組等部件組成,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.2 工作原理

噴藥作業(yè)前,在藥箱中將農(nóng)藥和相關(guān)的溶劑混合均勻,待系統(tǒng)使用。采用液泵控制系統(tǒng)壓力,當(dāng)管路壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí),管路中藥液通過(guò)溢流閥回流到藥箱中,從而保持系統(tǒng)壓力恒定。攝像頭獲取農(nóng)田信息后,根據(jù)專家決策獲取所需噴藥量,作為設(shè)定量值,傳入微處理器;微處理器根據(jù)流量傳感器反饋的實(shí)際流量值和設(shè)定值的差值以及差值的變化率進(jìn)行模糊PID運(yùn)算,最終輸出控制電壓調(diào)整電動(dòng)閥門的開度,使得實(shí)際噴藥量隨著田間信息的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)。

1.3 變量噴藥系統(tǒng)模型

變量噴藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。本系統(tǒng)是以噴藥量為控制量構(gòu)成閉環(huán)控制,根據(jù)設(shè)定噴藥量Q和系統(tǒng)的實(shí)際噴藥量Q'得到偏差量△Q=Q-Q′,經(jīng)PID計(jì)算[7]輸出電壓控制電動(dòng)閥,調(diào)整閥門的開度大小,實(shí)現(xiàn)變量噴藥。

圖2 變量噴藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電動(dòng)閥作為核心的執(zhí)行部件可看作一階慣性環(huán)節(jié),其傳遞函數(shù)為

(1)

其中,K1為電動(dòng)閥的增益(常數(shù)),T1為時(shí)間常數(shù)。噴頭的傳遞函數(shù)為

(2)

其中,K2為增益常數(shù),T2為延時(shí)系數(shù)(常數(shù))。

PID控制器的傳遞函數(shù)為

(3)

其中,Kp、Ki、Kd為PID控制參數(shù),Kp為比例系數(shù),Ki為積分系數(shù),Kd為微分系數(shù)。

反饋系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

H(S)=1

(4)

所以,變量噴藥系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

(5)

2 硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括核心控制器、信息采集與監(jiān)測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等3部分,如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 核心控制器

本文選用STM32ZET6微處理器作為系統(tǒng)的核心控制器,它是一個(gè)基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的低功耗32位處理器,最高主頻達(dá)到72MHz;內(nèi)部含有256K可反復(fù)擦寫的flash存儲(chǔ)器、3個(gè)12位AD轉(zhuǎn)換器、5個(gè)USART接口、16個(gè)外部中斷及2路12位DA轉(zhuǎn)換器,完全滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2.2 信息采集與監(jiān)測(cè)

本文采用工業(yè)級(jí)攝像頭采集農(nóng)田信息,內(nèi)嵌快速圖像處理算法和專家決策系統(tǒng),根據(jù)采集到的農(nóng)田信息配合專家決策系統(tǒng)得出噴藥量的設(shè)定值,經(jīng)過(guò)RS232串口通信送入STM32微處理器。

監(jiān)測(cè)部分主要是傳感器的反饋。流量傳感器測(cè)得系統(tǒng)的實(shí)際噴藥量并反饋給STM32,進(jìn)行下一步的PID計(jì)算。壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的壓力值,根據(jù)壓力的變化調(diào)整溢流閥使系統(tǒng)維持在試驗(yàn)要求的恒定壓力值。液位傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藥箱的藥量是否充足,一旦低于所需藥量立即觸發(fā)報(bào)警電路。系統(tǒng)的壓力、流量和液位信息實(shí)時(shí)顯示在電容觸摸屏上,方便工作人員的管理。

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

本文選擇PM-02型微型電動(dòng)閥作為變量噴藥控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件。該電動(dòng)閥由24V直流電源供電,輸入信號(hào)為0～10V或4～20mA模擬信號(hào)。由于STM32的IO只能輸出0～3.3V的模擬信號(hào)量,不滿足電動(dòng)閥的輸入信號(hào)范圍,因此選用磁隔離放大器ISOEM-U5-P3-O5將0～3.3V線性放大到0～10V。STM32的輸出信號(hào)經(jīng)放大器放大后控制電動(dòng)閥調(diào)節(jié)閥門的開度,實(shí)現(xiàn)變量噴藥作業(yè)。

3 灰狼優(yōu)化PID控制與系統(tǒng)仿真

3.1 灰狼優(yōu)化算法

灰狼優(yōu)化算法(GWO)是一種模擬自然界中灰狼群體社會(huì)等級(jí)制度和捕食行為而衍生出的新型智能優(yōu)化算法?；依侨后w擁有嚴(yán)格的社會(huì)等級(jí)制度, 可形象描述為金字塔等級(jí)制,如圖4所示。灰狼群體按照等級(jí)高低依次分為α、β、δ、ω4個(gè)等級(jí),高等級(jí)的狼領(lǐng)導(dǎo)低等級(jí)的狼?；依侨后w狩獵時(shí), 主要進(jìn)行包圍、獵捕和攻擊等行為,高效地完成對(duì)獵物的捕獲。

在灰狼優(yōu)化算法尋找最優(yōu)解過(guò)程中,根據(jù)灰狼的適應(yīng)度值和各階層之間關(guān)系,使狼群接近獵物的位置,完成最優(yōu)解的搜索。根據(jù)灰狼獵食的3個(gè)重要步驟,即包圍、獵捕和攻擊,GWO算法建立數(shù)學(xué)模型:狼群中每個(gè)灰狼代表了種群的一個(gè)潛在解。其中,α狼位置是最優(yōu)解,β和δ位置分別為優(yōu)解和次優(yōu)解,ω的位置為其他候選解。

灰狼優(yōu)化算法隨機(jī)初始化灰狼群,每個(gè)灰狼通過(guò)位置X描述。群體通過(guò)迭代過(guò)程找到最優(yōu)解,在迭代過(guò)程中,通過(guò)計(jì)算個(gè)體的適應(yīng)度值,確定最優(yōu)解、優(yōu)解和次優(yōu)解,即得到α、β和δ的位置,則有

D=|CXp(t)-X(t)|

(6)

X(t+1)=Xp(t)-AD

(7)

A=2ar1-a

(8)

C=2r2

(9)

式中Xp(t)—第t代時(shí)獵物的位置向量;

X(t)—第t代時(shí)灰狼個(gè)體的位置向量;

A、C—系數(shù);

a—距離控制參數(shù);

r1、r2—[0,1]之間的隨機(jī)數(shù)。

灰狼種群中剩余的狼ω的位置更新由適應(yīng)度值最高的α、β和δ狼共同決定,即

(10)

(11)

X(t+1)=(X1+X2+X3)/3

(12)

距離控制參數(shù)a的設(shè)置平衡了灰狼個(gè)體的全局搜索能力和局部搜索能力。通常情況下,控制參數(shù)a取值在[0,2]范圍內(nèi),且隨著算法迭代次數(shù)增大而線性遞減。當(dāng)a較大時(shí),算法搜索步長(zhǎng)較大,全局搜索能力較強(qiáng),有利于跳出局部最優(yōu);當(dāng)a較小時(shí),局部搜索能力較強(qiáng),在當(dāng)前解的附近搜索,有利于算法收斂。對(duì)應(yīng)式(8),當(dāng)|A|>1時(shí),狼群就會(huì)分散開追擊獵物,擴(kuò)大搜索范圍,對(duì)應(yīng)于算法的全局搜索;|A|≤1時(shí),意味著狼群的下一個(gè)位置能夠更加接近獵物,進(jìn)行集中攻擊,對(duì)應(yīng)算法的局部搜索。

3.2 灰狼優(yōu)化PID控制算法(GWO-PID)

PID控制算法是根據(jù)輸入和輸出的偏差值構(gòu)成控制偏差量,經(jīng)過(guò)比例積分微分運(yùn)算輸出控制量作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于其具有原理簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)[8]等優(yōu)點(diǎn),因而在變量噴藥領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[9-10]。

但是,傳統(tǒng)的PID控制算法參數(shù)(Kp,Ki,Kd)整定復(fù)雜,且對(duì)于非線性系統(tǒng)適應(yīng)性差,進(jìn)而影響變量噴藥系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度?；谝陨蠁?wèn)題,將灰狼優(yōu)化算法與PID控制結(jié)合,構(gòu)建灰狼優(yōu)化PID控制算法(GWO-PID),應(yīng)用于變量噴藥控制,對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,保證系統(tǒng)工作在較好狀態(tài)下,達(dá)到滿意的控制效果。GWO-PID算法的流程如圖5所示。

3.3 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

在灰狼優(yōu)化PID算法尋優(yōu)過(guò)程中,PID參數(shù)個(gè)體的優(yōu)劣程度由適應(yīng)度函數(shù)決定。首先根據(jù)變量噴藥系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù),即

(13)

式中e(t)—系統(tǒng)誤差;

u(t)—控制器輸出電壓(V);

tu—上升時(shí)間(s);

w1、w2、w3—權(quán)值,取值分別為0.999、0.001和2.0。

圖5 GWO-PID算法流程圖

為了定性地驗(yàn)證灰狼優(yōu)化PID控制算法的有效性和可靠性,基于MatLab軟件平臺(tái),采用式(13)的適應(yīng)度函數(shù),以單位階躍為輸入信號(hào),分別對(duì)傳統(tǒng)PID控制和灰狼優(yōu)化PID控制兩種控制方式進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。灰狼優(yōu)化PID控制算法的初始化參數(shù)設(shè)置為:種群大小為10,最大迭代次數(shù)為50,Kp的范圍為[0,100],Ki的范圍為[0,20],Kd的范圍為[0,5]。仿真實(shí)驗(yàn)得到的系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖6所示;控制系統(tǒng)性能指標(biāo)如表1所示。

由圖6和表1可以看出:常規(guī)的PID控制在系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),仍存在較大的穩(wěn)態(tài)誤差,誤差為3.54%,且系統(tǒng)的超調(diào)量較大;相對(duì)于常規(guī)PID控制,灰狼優(yōu)化PID控制的穩(wěn)態(tài)誤差小,僅為1.32%,且系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快,調(diào)節(jié)時(shí)間為0.203 5s,低于傳統(tǒng)PID控制的0.463 5s,系統(tǒng)的控制效果好。

4 變量噴藥系統(tǒng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證GWO-PID算法的實(shí)際控制效果,在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心WFS-II噴霧性能綜合試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)研究。將本文設(shè)計(jì)的變量噴藥控制系統(tǒng)搭載到試驗(yàn)臺(tái),如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)響應(yīng)曲線

表1 控制系統(tǒng)性能指標(biāo)

圖7 變量噴藥試驗(yàn)臺(tái)

在300kPa的系統(tǒng)壓力下分別采用灰狼優(yōu)化PID控制和傳統(tǒng)PID控制進(jìn)行噴藥試驗(yàn),噴藥設(shè)定值范圍0.75～1.25L/min,增幅為0.15L/min,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。由表2可以看出:在不同的設(shè)定值下,灰狼優(yōu)化PID的響應(yīng)時(shí)間都要快于傳統(tǒng)PID,平均響應(yīng)時(shí)間提高了21.4%,說(shuō)明灰狼優(yōu)化PID控制系統(tǒng)具備更高的響應(yīng)速度。整體而言,灰狼優(yōu)化PID的誤差均低于PID控制系統(tǒng)。隨著設(shè)定值的等幅增大,灰狼優(yōu)化PID的穩(wěn)態(tài)誤差逐漸減小,平均誤差為11.0%,低于傳統(tǒng)PID的16.8%。由試驗(yàn)結(jié)果可知:灰狼優(yōu)化PID控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快,穩(wěn)態(tài)誤差小,改善了傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)的控制效果和穩(wěn)定性。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

1) 在深入研究變量噴藥控制方式的基礎(chǔ)上,針對(duì)傳統(tǒng)PID控制方式的不足,將灰狼優(yōu)化算法與PID控制結(jié)合,形成灰狼優(yōu)化PID控制算法。以電動(dòng)閥為執(zhí)行機(jī)構(gòu),構(gòu)建了變量噴藥系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型。為驗(yàn)證GWO-PID控制的有效性,基于MatLab進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:灰狼優(yōu)化PID控制響應(yīng)速度快,調(diào)節(jié)時(shí)間為0.203 5s,低于傳統(tǒng)PID控制的0.463 5s,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小,僅為1.32%。

2)在WFS-II噴霧性能綜合試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)際的變量噴藥試驗(yàn),結(jié)果表明:相對(duì)于傳統(tǒng)PID控制,灰狼優(yōu)化PID控制具備更快的響應(yīng)速度,平均響應(yīng)時(shí)間提高了21.4%;隨著設(shè)定值的增大,灰狼優(yōu)化PID的穩(wěn)態(tài)誤差逐漸減小,平均誤差為11.0%, 低于傳統(tǒng)PID的16.8%。由該試驗(yàn)結(jié)果看出,本文設(shè)計(jì)的基于灰狼優(yōu)化PID控制的變量噴藥系統(tǒng)響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)誤差小、控制精度高,可為變量噴藥系統(tǒng)的研究提供新的理論基礎(chǔ)和技術(shù)方法。