模糊PID控制在水肥一體機(jī)肥料原液混合系統(tǒng)中的應(yīng)用.pdf

2022 年 6 期 科技創(chuàng)新與應(yīng)用 Technology Innovation and Application眾創(chuàng)空間 模糊 PID 控制在水肥一體機(jī)肥料原液混合系統(tǒng)中的應(yīng)用 魏顯文 孫國亮 魏 堃 楊 超 武威職業(yè)學(xué)院 甘肅 武威 733000 常見的水肥一體機(jī)在配制肥料原液時多為手控配 液 機(jī)械配液 即利用單片機(jī) PLC 控制流量閥的開度 進(jìn) 行液體按比例配制 效率低下 PID 控制器有效解決了手 控和機(jī)械配液效率低的問題 配比精度也有所提高 但在 實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場中 灌溉肥水需求的濃度不固定 由于參數(shù) 整定復(fù)雜 常規(guī) PID 控制器往往會出現(xiàn)參數(shù)設(shè)置不佳 控 制精度不高 對實(shí)際生產(chǎn)的適應(yīng)力較差 已經(jīng)難以滿足更 高精度要求 且難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制 基于此 本文將模糊 PID 控制算法應(yīng)用于水肥一體機(jī) 肥料原液混合系統(tǒng)中 旨在有效解決以上問題 且該系統(tǒng)能 有效避免流量閥開度差異過大引起的混合液比例失調(diào) 1 灌溉肥水配制系統(tǒng)的工作原理 肥水的配制以水溶肥 A 水溶肥 B 和水為原料 按照 用戶實(shí)際所需要的比例濃度進(jìn)行攪拌 并實(shí)時檢測混合 液的酸堿度 加入少量的酸液 保證肥水的酸堿度達(dá)到灌 溉用水的標(biāo)準(zhǔn) 為了適應(yīng)不同用戶對于肥水的不同需求 本系統(tǒng)在上位機(jī)設(shè)置可以按照不同品種 不同比例進(jìn)行 配制 在配制過程中 2 種水溶肥用濃度比的方式計(jì)量 若濃度比發(fā)生偏差 則以水溶肥 A 的流量為標(biāo)準(zhǔn) 通過 改變水溶肥 B 的流量來調(diào)節(jié) 2 種成分的濃度比 混液裝置主要由濃度檢測變送單元 比較環(huán)節(jié) 模糊 PID 控制系統(tǒng)和流量閥組成 系統(tǒng)中需要控制的變量為 混合液中成分 A 成分 B 濃度的比值 其控制流程如圖 1 所示 首先由濃度檢測變送單元檢測出 2 種成分的濃度 并轉(zhuǎn)換為濃度比 送入比較環(huán)節(jié) 比較環(huán)節(jié)內(nèi)實(shí)現(xiàn)濃度比 與設(shè)定值比較后求出偏差和變化率 再將二者送入模糊 推理環(huán)節(jié) 經(jīng)模糊推理后實(shí)時整定 PID 參數(shù) PID 控制器 控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)流量閥 B 的開度 使 2 種成分的濃度 比盡快達(dá)到并穩(wěn)定在設(shè)定值 圖 1 肥料原液混合控制系統(tǒng) 摘 要 田間及溫室灌溉施肥一體化系統(tǒng) 簡稱水肥一體機(jī) 通過檢測灌溉溶液營養(yǎng)成分及酸堿度 控制原液混合系統(tǒng)釋 放 2 種水溶肥參與混合攪拌 達(dá)到灌溉肥水標(biāo)準(zhǔn) 然后進(jìn)行指定坐標(biāo)精準(zhǔn)施肥 其中肥料原液的混合尤為重要 而傳統(tǒng)的手工 配液和機(jī)械配液難以達(dá)到精準(zhǔn)精細(xì)化實(shí)時控制的目的 文章提出了基于模糊 PID 控制的肥料原液混合系統(tǒng)的研究應(yīng)用 能夠 有效提高配比精度 節(jié)省原液 顯著提高水肥一體機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益 關(guān)鍵詞 模糊 PID 控制 混合 過程控制 控制器調(diào)節(jié) 經(jīng)濟(jì) 中圖分類號 S224 2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號 2095 2945 2022 06 0036 03 Abstract The integrated system of irrigation and fertilization in field and greenhouse referred to as the integrated machine of water and fertilizer controls the original liquid mixing system to release two kinds of water soluble fertilizer to participate in mixing by detecting the nutritional composition and pH of irrigation solution so as to reach the standard of irrigation fertilizer and water Then carry on the specified coordinate accurate fertilization Among them the mixing of fertilizer solution is particularly important but the traditional manual and mechanical liquid blending is difficult to achieve the purpose of precise and precise real time control This paper puts forward the research and application of fertilizer raw liquid mixing system based on fuzzy PID control which can effectively improve the proportioning accuracy save the raw liquid and significantly improve the economic benefit of the integrated water and fertilizer machine Keywords fuzzy PID control mixing process control controller regulation economy 基金項(xiàng)目 2020 年武威市市列科技計(jì)劃項(xiàng)目 WW202003 2021 年武威職業(yè)學(xué)院橫向課題 wwochxkt202101 作者簡介 魏顯文 1982 男 碩士研究生 副教授 研究方向?yàn)橹悄芸刂?通信作者 孫國亮 1992 男 本科 助教 研究方向?yàn)殡姎夤こ膛c自動化 DOI 10 19981 j CN23 1581 G3 2022 06 010 36 2022 年 6 期 科技創(chuàng)新與應(yīng)用 Technology Innovation and Application 眾創(chuàng)空間 常規(guī) PID 離散控制算法 式中 K p K i K d 分別為比例增益 積分增益 微分增益 加 入模糊推理環(huán)節(jié)后 3 個值將不再固定 而是能夠根據(jù) 濃度比的變化和變化率實(shí)時自動調(diào)整 即 3 個值變?yōu)?K p K p K i K i K d K d 2 肥水配制模糊 PID 控制過程 首先濃度檢測變送單元會檢測到 2 種成分的濃度 比 經(jīng)過比較環(huán)節(jié)得到與設(shè)定的濃度比的偏差 e 以及當(dāng) 前偏差和上一時刻偏差的變化 e c 即偏差變化率 例如設(shè) 定成分 A 與成分 B 的濃度比為 2 1 此時檢測到濃度比 為 2 2 1 而上一時刻濃度比為 2 3 1 則 e 為 0 2 e c 為 2 3 2 2 0 1 2 1 變量模糊化 以 e 為例 檢測到的濃度比是有范圍的 即濃度比與 設(shè)定值偏差在一個區(qū)間內(nèi) 設(shè)該系統(tǒng)中濃度偏差范圍 為 0 6 因此將偏差 e 量化于 0 6 0 6 區(qū)域內(nèi) 允許的 濃度偏差變化率范圍為 0 15 將其量化于 0 15 0 15 區(qū)域內(nèi) 將二者變換至模糊集論域 3 2 1 0 1 2 3 根據(jù)需要將其一一對應(yīng)為 負(fù)大 NB 負(fù)中 NM 負(fù) 小 NS 零 ZO 正小 PS 正中 PM 正大 PB 7 個等級 對應(yīng)的模糊控制規(guī)則見表 1 表 1 模糊控制規(guī)則表 2 2 確定控制規(guī)則 根據(jù)表 1 可以歸納出 49 條控制邏輯規(guī)則 均由生 產(chǎn)及工程技術(shù)人員總結(jié)和實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)得出 如 IF e is NB and e c is NM then K p is PB K i is NB K d is NS 其含義為如果偏差為負(fù)大 偏差變化率為負(fù)中 為盡快消除負(fù)偏差 比例增益變化應(yīng)取正大 積分增益變 化應(yīng)取負(fù)大 同時 因偏差變化呈負(fù)增長趨勢 微分增益 變化應(yīng)適當(dāng)取負(fù)小 防止偏差變化過快導(dǎo)致正向偏差 最 終能到到新的增益分別為 K p K p K i K i K d K d 又如 IF e is ZO and e c is PB then K p is NM K i is PM K d is ZO 其含義為如果偏差和偏差變 化率分別為零 正大 則對應(yīng)的 K p K i K d 分別為正 大 正中 零 其余 47 條規(guī)則不再一一闡述 2 3 解模糊化 以上 PID 參數(shù)的修正值是通過模糊推理得到的 即 K p K i K d 仍為對應(yīng)的等級 必須將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量 才能與原有增益相加得到新的增益 該過程就為解模糊 化過程 本系統(tǒng)中采用工業(yè)控制中廣泛應(yīng)用的加權(quán)平均 法 根據(jù)上述方法 利用 Simulink 仿真得到 K p K i K d 的模糊查詢表 通過查表得到 K p K i K d 的數(shù)字量就 可以對 K p K i K d 進(jìn)行修正 該過程是 1 個動態(tài)過程 調(diào)節(jié) 過程中若偏差和偏差變化率發(fā)生新的變化 3 項(xiàng)增益也 會實(shí)時調(diào)整 達(dá)到最優(yōu)控制效果 3 Simulink 仿真與結(jié)論 為了簡化整個仿真過程 我們將水溶肥 A 對應(yīng)的流 量閥 A 設(shè)定為 1 通過改變調(diào)節(jié)閥 B 的開度 來控制 2 種 水溶肥的流量 從而改變混合液中 2 種成分的濃度 水溶 肥 B 的流量與流量閥 B 開度有關(guān) 其開度不同 流速不 同 溶液中成分 A B 濃度就不同 本系統(tǒng)中將流量閥 B 等效為一階慣性環(huán)節(jié) 其傳遞函數(shù)為 其中 K 為流量閥 B 增量 T 為流量閥 B 的時間常量 若 考慮到該系統(tǒng)存在滯后 設(shè)其滯后時間為 此時傳遞函 數(shù)變?yōu)?該仿真模型中取 K 2 T 2 3 s 其輸入為 2 種成分的 濃度比 通過模糊 PID 控制 調(diào)節(jié)流量閥 B 的開度 輸出 為 2 種成分的實(shí)際濃度比 經(jīng)反饋環(huán)節(jié)與設(shè)定值比較 通 過模糊控制實(shí)時調(diào)整 PID 控制環(huán)節(jié)的參數(shù) 使實(shí)際濃度 比快速達(dá)到設(shè)定值 在仿真模型中加入 Uniform Ran dom Number 模塊 模擬實(shí)際生產(chǎn)中存在的雜質(zhì)影響 檢 測誤差等系統(tǒng)干擾 假設(shè)當(dāng)前輸入為 2 0 兩種方式控制效果如圖 2 所 示 可明顯看出 采用模糊 PID 控制 超調(diào)量為 5 左右 而常規(guī) PID 控制的超調(diào)量為 35 且存在明顯振蕩 采 用模糊 PID 控制 其調(diào)節(jié)時間為 3 s 比常規(guī) PID 控制快 了接近 3 s 在 10 s 時間內(nèi) 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)最終達(dá) 到的流量比約為 1 98 未能達(dá)到設(shè)定值 2 0 假如改變濃度比的設(shè)定值為 1 5 和 2 5 再次進(jìn)行仿 真 模糊 PID 的控制效果對比如圖 3 所示 可以看出 隨 著濃度比設(shè)定值的增大 仿真結(jié)果超調(diào)量也變大 調(diào)節(jié)時 間也變長 但不管哪一種濃度比 模糊 PID 控制總能達(dá)到 控制要求且系統(tǒng)穩(wěn)定性良好 綜上所述 在水肥一體機(jī)中使用模糊 PID 控制 能夠 使肥水達(dá)到精確的濃度比 且配制時間短 配置過程中濃 c1 1 c2c3c4 u t K e k K e i K e k e knull null null null null null null 1 G s K Tsnull null 1 s G s K Ts e nullnull null null null c1 e null nullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnull null 37 2022 年 6 期 科技創(chuàng)新與應(yīng)用 Technology Innovation and Application眾創(chuàng)空間 參考文獻(xiàn) 1 田金平 娜孜古麗 托合塔爾 葛國慶 玉米膜下滴灌水肥一體化水 溶肥篩選試驗(yàn)探究 J 世界熱帶農(nóng)業(yè)信息 2021 10 21 22 2 徐翔 石榮玲 胡萬佳 等 智能水肥一體化的施肥裝置設(shè)計(jì) J 科學(xué) 技術(shù)創(chuàng)新 2021 25 153 154 3 牛珂平 水肥一體化 技術(shù)在馬鈴薯栽培中的運(yùn)用研究 J 新農(nóng)業(yè) 2021 17 16 18 4 李海峰 郭麗娟 于宏 等 智能滴灌水肥一體化在林業(yè)應(yīng)用中存在 的問題及推廣建議 J 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技 2021 16 150 152 5 白佳 水肥一體化技術(shù)應(yīng)用不可忽視的幾個問題 J 西北園藝 果 樹 2021 4 5 6 6 齊振宇 蔡溧聰 胡衛(wèi)珍 等 水肥一體化模式中化肥減施與不同基 追肥比例對大蒜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響 J 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報 2021 33 8 1409 1415 7 邴兆珍 滴灌水肥一體化技術(shù)在果樹上的應(yīng)用探究 J 農(nóng)業(yè)開發(fā)與 裝備 2021 7 207 208 8 高艷紅 段軍 金昌市紫花苜蓿淺埋式滴灌水肥一體化生產(chǎn)技術(shù) J 甘肅農(nóng)業(yè)科技 2021 52 7 97 98 9 朱亮 曾值 水肥一體化農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)研究 J 南方農(nóng)機(jī) 2021 52 14 53 54 10 梁嘉敏 楊虎晨 張立丹 等 我國水溶性肥料及水肥一體化的研 究進(jìn)展 J 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué) 2021 48 5 64 75 11 阮漢鋮 智能型水肥一體化控制裝置研究 D 楊凌 西北農(nóng)林科技 大學(xué) 2021 度不會出現(xiàn)大幅跳變 此外 需要配制不同濃度的肥水 時 常規(guī) PID 控制除改變濃度比設(shè)定值外 為達(dá)到好的控 制效果 還需要重新整定參數(shù) 比較繁瑣 而模糊 PID 控 制只需要改變設(shè)定值 相關(guān)參數(shù)經(jīng)模糊推理過程會自行 達(dá)到最佳 比較簡潔 因此 模糊 PID 控制在水肥一體機(jī) 肥水配制中具有較強(qiáng)的應(yīng)用價值 圖 2 模糊 PID 和常規(guī) PID 控制效果對比 圖 3 不同濃度比設(shè)定值下的仿真效果對比 3 結(jié)論 本文通過 SW 和 ANSYS 軟件 建立了簡化的鋼平面 閘門模型 利用理論推導(dǎo)和有限元計(jì)算 分析了門槽在不 同安裝精度下的受力情況及磨損大小 根據(jù)計(jì)算得到 在 不同安裝誤差時 閘門啟閉 1 000 次門槽預(yù)埋件最大的 磨損量 本文的計(jì)算結(jié)果可以為閘門施工提供一定的理 論依據(jù) 參考文獻(xiàn) 1 唐繼洲 二灘水電站尾水管閘門及啟閉機(jī)的安裝 J 四川水力發(fā)電 2004 23 1 48 49 51 2 金懷鋒 烏東德水電站右岸導(dǎo)流隧洞閘門門槽快速施工技術(shù) J 中 國水能及電氣化 2016 12 6 10 3 白潤波 曹平周 曹茂森 大型鋼閘門軌道與混凝土基礎(chǔ)接觸問題 分析 J 水利水運(yùn)工程學(xué)報 2009 1 10 16 4 韓君格 滑桿折疊式閘門的試驗(yàn)研究與優(yōu)化設(shè)計(jì) D 泰安 山東農(nóng)業(yè) 大學(xué) 2011 5 Ong K C G Hao J B Paramasivam P A strut and tie model for ultimate loads of precast concrete joints with loop connections in tension J Construction and Building Materials 2006 20 3 169 176 6 白潤波 曹平周 邱麗清 水工鋼閘門軌道橫截面彎曲應(yīng)力分析 J 長江科學(xué)院院報 2009 26 8 68 72 7 盧新杰 郝楠楠 胡葆文 新型平面閘門門槽埋件支承裝置及安裝 方法 J 科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2019 30 126 127 8 曹洋 水工閘門門槽混凝土與埋件一次施工技術(shù)研究與應(yīng)用 J 水 利建設(shè)與管理 2019 39 3 65 68 9 吳維明 王雪飛 糯扎渡水電站 3 導(dǎo)流隧洞封堵閘門門槽的安裝 J 水利水電技術(shù) 2010 41 5 23 24 10 李聰波 何嬌 杜彥斌 等 基于 Archard 模型的機(jī)床導(dǎo)軌磨損模型 及有限元分析 J 機(jī)械工程學(xué)報 2016 52 15 106 113 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 上接 35 頁 38