基于模糊控制的智能滴灌控制系统设计

2017-03-21 02:02田思庆郑家风张炳权

节水灌溉 2017年6期

田思庆，曹宇，魏强，郑家风，张炳权

(1. 佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江佳木斯 154007；2. 佳木斯大学机械工程学院，黑龙江佳木斯 154007；3. 南京乐金化学新能源汽车电池有限公司，南京 210038 )

0 引言

智能滴灌控制系统通过对作物生长土壤及光照环境数据进行实时检测，并将检测数据反馈给控制器，控制器将对数据进行处理，并根据实际情况对执行元件进行实时控制，实现对作物的适时、适量的精确滴灌。根据各个大棚内土壤湿度的不均衡性，以及难以建立精确的数学模型等特点。灌水器部分，即灌水系统采用模糊控制策略，同时为了保证滴灌水压的恒定，根据3条支路比例电磁阀的开度，制定出模糊控制规则，以改变变频器频率，控制水泵转速保持恒压供水。本系统经过仿真和实地运行验证，具有超调量小、动态时间短和稳健性好等特点。

1 滴灌控制系统

为满足温室大棚内作物生长的需求，而设计的温室滴灌控制系统，不但节约了能源，降低了成本，更提高了作物灌溉的自动化水平[1]。滴灌控制系统工艺流程图如图1所示。

图1 智能滴灌控制工艺流程图

按照功能划分滴灌控制系统主要由3个部分组成，如图1中3个虚线框。其中第一部分为储水控制部分即水源供给部分，以保证系统具有充足的水源；第二部分为主干路供水部分，以保证系统的恒压运行供水；第三部分为灌水器控制部分，以实现灌水器管网的滴灌控制，保证土壤湿度的精确滴灌。

2 灌水器模糊控制设计

2.1 滴灌系统分析

本系统中灌水器滴灌系统本身是一个较为复杂的被控对象，用二阶纯滞后模型近似描述，如式(1)所示。式(1)中K为放大系数，τd为纯滞后时间。

(1)

灌水器滴灌系统传递函数用式(2)近似描述：

(2)

2.2 灌水器模糊控制设计

本系统采用的模糊控制器为双输入单输出的多变量二维常规模糊控制器，该控制器的两个输入变量分别为：土壤湿度值humidity和光照强度值light；输出量设定为比例电磁阀的开度u。在模糊控制器中设其输入模糊语言变量分别对应为HE，LE，输出语言变量为U[2]。二维模糊控制器简单示意图如图2所示。

图2 二维模糊控制器结构图

将土壤湿度偏差HE分为5个模糊集：{NB(negative big)，NS(negative small)，ZO(zero)，PS(positive small)，PB(positive big)}，对应的物理状态分别为{湿度采样值远低于设定范围下限，湿度采样值微低于设定范围下限，湿度采样值在设定值范围内，湿度采样值微高于设定范围上限，湿度采样值远高于设定上限}。同时将湿度H的论域定义为{-2，-1，0，1，2}。得到土壤湿度变化模糊规则表，如表1所示。

表1 土壤湿度偏差HE隶属度表

将光照强度偏差LE同样分为5个模糊集：{NB，NS，ZO，PS，PB}，其对应的物理状态分别为{光照度采样值远低于设定范围下限，光照度采样值微低于设定范围下限，光照度采样值在设定值范围内，光照度采样值微高于设定范围上限，光照度采样值远高于设定上限}。光照强度LE的论域为{-2，-1，0，1，2}。得到土壤湿度偏差变化率模糊规则表，如表2所示。

将输出即比例电磁阀的开度U分为5个模糊集：{OF(open full)，OB(open big)，OM(open middle)，OS(open small)，CL(close)}[3]，对应的物理状态分别为{比例电磁阀全开，比例电磁阀大开，比例电磁阀半开，比例电磁阀微开，比例电磁阀关闭}，比例电磁阀的开度U的论域为{0，0.5，1，1.5，2}。得到输出比例电磁阀开度U的模糊表，如表3所示。

表2 光照强度偏差LE隶属度表

表3 输出比例电磁阀开度U隶属度表

本设计采用工程上常用的三角型隶属度函数作为模糊控制系统子集的隶属度函数，三角形隶属度函数如式(3)所示。

(3)

根据现场实际操作经验制定模糊控制规则，制定控制规则如表4所示，共25条规则，例如：

(1)当湿度采样值远小于设定范围下限，且光照度远小于设定范围下限，将比例电磁阀阀门大开；

(2) 当湿度采样值远小于设定范围下限，且光照度处于设定范围内，将比例电磁阀阀门全开；

(3)当湿度采样值稍小于设定范围下限，且光照度处于设定范围内，将比例电磁阀开至半开；

(4)当湿度采样值稍大于设定上限，且光照强度稍大于设定范围上限，将比例电磁阀开至微开；

(5)当湿度采样值远大于设定上限，且光照强度稍大于设定范围上限，将比例电磁阀关闭。

表4 智能滴灌控制系统模糊控制规则表

对模糊推理得到的模糊集合，采用最大隶属度法对其进行反模糊化[4]。

3 灌水器滴灌系统模糊控制仿真设计

在MATLAB软件中，对灌水器模糊控制器进行SUMILINK仿真研究，建立一个多变量二维模糊控制器，输入为HE、LE，输出为U。如图3所示。

图3 智能滴灌控制系统二维模糊控制器

进入隶属度函数编辑器(Membership Function Editor) 修改输入语言变量的论域为(-2,2)，输出语言变量的论域(0,2)，并将输入输出隶属度函数选择为三角形隶属度函数[5]。土壤湿度偏差HE隶属度函数、光照强度偏差LE隶属度函数、比例电磁阀开度U隶属度函数，如图4，5，6所示。