基于模糊控制的水肥一体化pH值控制策略研究
发布时间：2021-08-27 17:40
近年来,各级部门大力推广水肥一体化技术,提高水肥的利用率,节约水肥资源。目前国内的水肥一体化系统还存在智能化水平低、混肥精度不高和pH调控不精准的问题,针对水肥一体机调节水肥pH值过程的大滞后、大惯性、数学模型不确定的特点,本论文将模糊控制应用于水肥一体化设备,设计调节水肥pH值的模糊控制系统。用Matlab软件对此系统和传统的PID控制系统进行对比仿真,试验证明该系统能够满足精准施肥过程中对pH值调节的控制要求,并且该系统具有更小的超调量和稳定时间,超调量减少32%,调节时间减少90 s,以及更强的抗干扰能力的特点,恢复时间减少90 s。仿真效果理想,可以将此控制策略应用于水肥一体化控制设备中。
【文章来源】：中国农机化学报. 2019,40(05)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图１水肥一体机结构Ｆｉｇ．１Ｗａｔｅｒａｎｄｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｍａｃｈｉｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
数学模型不确定的特点［１３］，而模糊控制对被控对象不要求有精确数学模型，具有很强的鲁棒性，易于解决大滞后大惯性系统，因此本系统采用模糊控制的方法实现水肥一体化系统的精准配肥。２．１ｐＨ值模糊控制系统结构ｐＨ值的模糊控制系统如图２所示，主要由模糊控制器、传感器、电磁阀、ｐＨ值等组成［１４－１５］，模糊控制器是系统的核心，决定着系统的性能，而模糊控制器的控制效果取决于控制器的结构、变量的隶属度函数和控制规则的好坏。图２ｐＨ值模糊控制系统结构Ｆｉｇ．２ＦｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｐＨｖａｌｕｅ２．２模糊控制器的设计本系统采用二维模糊控制器，性能方面优于一维模糊控制器，由于要控制的变量是水肥ｐＨ值的大小，所以选取ｐＨ值的误差Ｅ和ｐＨ值的误差变化率Ｃ作为两个输入变量，选取控制酸液罐和碱液罐的电磁阀的通断时间Ｕ作为输出变量。Ｅ（ｋｔ）＝Ｔ（ｋｔ）－Ｔ０（１）Ｃ（ｋｔ）＝Ｅ（ｋｔ）－Ｅ（ｋｔ－ｔ）ｔ（２）式中：ｔ———采样周期；Ｔ０———ｐＨ给定值；Ｔ（ｋｔ）———第ｋ个ｐＨ采样值。为提高控制的精确性，本系统的隶属度函数采用常用的三角形，选取ｐＨ值的误差Ｅ和ｐＨ值误差变化率Ｃ的论域分别为：Ｅ＝｛－６，－５，－４，－３，－２，－１，－０，０，１，２，３，４，５，６｝，Ｃ＝｛－６，－５，－４，－３，－２，－１，０，１，２，３，４，５，６｝
１４２中国农机化学报２０１９年图３Ｅ的隶属度函数Ｆｉｇ．３Ｅｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐｆｕｎｃｔｉｏｎ图４Ｃ的隶属度函数Ｆｉｇ．４Ｃｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐｆｕｎｃｔｉｏｎ图５Ｕ的隶属度函数Ｆｉｇ．５Ｕｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐｆｕｎｃｔｉｏｎ图６酸液罐电磁阀模糊规则三维曲面图Ｆｉｇ．６Ａｃｉｄｔａｎｋｓｏｌｅｎｏｉｄｖａｌｖｅｆｕｚｚｙｒｕｌｅｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｕｒｆａｃｅｍａｐ图７碱液罐电磁阀模糊规则三维曲面图Ｆｉｇ．７Ａｌｋａｌｉｎｅｔａｎｋｓｏｌｅｎｏｉｄｖａｌｖｅｆｕｚｚｙｒｕｌｅｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｕｒｆａｃｅｍａｐ３水肥ｐＨ值调节过程通过调节酸液电磁阀和碱液电磁阀的每个控制周期内的开通时间，使混肥罐中水肥的ｐＨ值达到ｐＨ设定值，由于实际调节水肥酸碱度的过程比较复杂，干扰因素较多，因此通过一个简化的动态模型来分析调节水肥酸碱度的过程，大多数的灌溉水和肥料呈碱性，调节水肥ｐＨ值的过程可以看作酸碱中和的过程，假设混合罐内液体体积Ｖ保持不变，水肥和酸碱均匀混合，根据物料守恒原理，系统到达平衡时，可列出式（３）～式（５）。Ｖ（ｔ）ｄＣｓｃ（ｔ＋ｔ０）ｄｔ＝Ｑｓｒ（ｔ）Ｃｓｒ－Ｑｃ（ｔ）Ｃｓｃ（ｔ＋ｔ０）（３）Ｖ（ｔ）ｄＣｊｃ（ｔ＋ｔ０）ｄｔ＝Ｑｊｒ（ｔ）Ｃｊｒ＋Ｑｓ（ｔ）Ｃｓ＋Ｑｆ（ｔ）Ｃｆ－ＱｃＣｊｃ（ｔ＋ｔ０）（４）ｄＶ（ｔ）ｄｔ＝Ｑｆ＋Ｑｓ＋Ｑｓｒ＋Ｑｊｒ－Ｑｃ
【参考文献】：
期刊论文
[1]水肥药精准管理技术研究现状与发展趋势[J]. 赵常,耿爱军,张姬,王玉亮,张智龙,栗晓宇. 中国农机化学报. 2018(11)
[2]肥水一体化滴灌系统中过滤器技术的研究与进展[J]. 邵伟,侯加林,李天华,牛子孺,李玉华. 中国农机化学报. 2018(10)
[3]模糊控制模型在水肥一体化中的应用研究[J]. 吴景来,李家春,陈跃威,王永涛,卢剑锋. 中国农村水利水电. 2018(02)
[4]基于多传感器的精准变量施肥控制系统[J]. 陈满,金诚谦,倪有亮,徐金山,李泽锋. 中国农机化学报. 2018(01)
[5]农业水肥一体化的发展现状与对策分析[J]. 易文裕,程方平,熊昌国,袁志英. 中国农机化学报. 2017(10)
[6]基于云模型推理的施肥机营养液pH值调节过程控制[J]. 牛寅,张侃谕. 农业机械学报. 2016(07)
[7]基于PLC的药液配比系统设计与试验研究[J]. 姚阳阳,马少辉. 中国农机化学报. 2016(06)
[8]轮灌条件下灌溉施肥系统混肥过程变论域模糊控制[J]. 牛寅,张侃谕. 农业机械学报. 2016(03)
[9]基于云模型在废水处理pH控制中的仿真研究[J]. 韩伟,马邕文,万金泉,黄明智. 计算机仿真. 2015(05)
[10]智能化精准灌溉施肥技术研究现状与展望[J]. 刘永华,俞卫东,沈明霞,孙玉文,熊迎军. 江苏农业科学. 2014(08)
博士论文
[1]温室精准灌溉施肥系统关键技术研究[D]. 刘永华.南京农业大学 2015
硕士论文
[1]温室PLC模糊灌溉施肥控制系统研究[D]. 周亮亮.昆明理工大学 2013
本文编号：3366798
【文章来源】：中国农机化学报. 2019,40(05)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图１水肥一体机结构Ｆｉｇ．１Ｗａｔｅｒａｎｄｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｍａｃｈｉｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
数学模型不确定的特点［１３］，而模糊控制对被控对象不要求有精确数学模型，具有很强的鲁棒性，易于解决大滞后大惯性系统，因此本系统采用模糊控制的方法实现水肥一体化系统的精准配肥。２．１ｐＨ值模糊控制系统结构ｐＨ值的模糊控制系统如图２所示，主要由模糊控制器、传感器、电磁阀、ｐＨ值等组成［１４－１５］，模糊控制器是系统的核心，决定着系统的性能，而模糊控制器的控制效果取决于控制器的结构、变量的隶属度函数和控制规则的好坏。图２ｐＨ值模糊控制系统结构Ｆｉｇ．２ＦｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｐＨｖａｌｕｅ２．２模糊控制器的设计本系统采用二维模糊控制器，性能方面优于一维模糊控制器，由于要控制的变量是水肥ｐＨ值的大小，所以选取ｐＨ值的误差Ｅ和ｐＨ值的误差变化率Ｃ作为两个输入变量，选取控制酸液罐和碱液罐的电磁阀的通断时间Ｕ作为输出变量。Ｅ（ｋｔ）＝Ｔ（ｋｔ）－Ｔ０（１）Ｃ（ｋｔ）＝Ｅ（ｋｔ）－Ｅ（ｋｔ－ｔ）ｔ（２）式中：ｔ———采样周期；Ｔ０———ｐＨ给定值；Ｔ（ｋｔ）———第ｋ个ｐＨ采样值。为提高控制的精确性，本系统的隶属度函数采用常用的三角形，选取ｐＨ值的误差Ｅ和ｐＨ值误差变化率Ｃ的论域分别为：Ｅ＝｛－６，－５，－４，－３，－２，－１，－０，０，１，２，３，４，５，６｝，Ｃ＝｛－６，－５，－４，－３，－２，－１，０，１，２，３，４，５，６｝
１４２中国农机化学报２０１９年图３Ｅ的隶属度函数Ｆｉｇ．３Ｅｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐｆｕｎｃｔｉｏｎ图４Ｃ的隶属度函数Ｆｉｇ．４Ｃｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐｆｕｎｃｔｉｏｎ图５Ｕ的隶属度函数Ｆｉｇ．５Ｕｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐｆｕｎｃｔｉｏｎ图６酸液罐电磁阀模糊规则三维曲面图Ｆｉｇ．６Ａｃｉｄｔａｎｋｓｏｌｅｎｏｉｄｖａｌｖｅｆｕｚｚｙｒｕｌｅｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｕｒｆａｃｅｍａｐ图７碱液罐电磁阀模糊规则三维曲面图Ｆｉｇ．７Ａｌｋａｌｉｎｅｔａｎｋｓｏｌｅｎｏｉｄｖａｌｖｅｆｕｚｚｙｒｕｌｅｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｕｒｆａｃｅｍａｐ３水肥ｐＨ值调节过程通过调节酸液电磁阀和碱液电磁阀的每个控制周期内的开通时间，使混肥罐中水肥的ｐＨ值达到ｐＨ设定值，由于实际调节水肥酸碱度的过程比较复杂，干扰因素较多，因此通过一个简化的动态模型来分析调节水肥酸碱度的过程，大多数的灌溉水和肥料呈碱性，调节水肥ｐＨ值的过程可以看作酸碱中和的过程，假设混合罐内液体体积Ｖ保持不变，水肥和酸碱均匀混合，根据物料守恒原理，系统到达平衡时，可列出式（３）～式（５）。Ｖ（ｔ）ｄＣｓｃ（ｔ＋ｔ０）ｄｔ＝Ｑｓｒ（ｔ）Ｃｓｒ－Ｑｃ（ｔ）Ｃｓｃ（ｔ＋ｔ０）（３）Ｖ（ｔ）ｄＣｊｃ（ｔ＋ｔ０）ｄｔ＝Ｑｊｒ（ｔ）Ｃｊｒ＋Ｑｓ（ｔ）Ｃｓ＋Ｑｆ（ｔ）Ｃｆ－ＱｃＣｊｃ（ｔ＋ｔ０）（４）ｄＶ（ｔ）ｄｔ＝Ｑｆ＋Ｑｓ＋Ｑｓｒ＋Ｑｊｒ－Ｑｃ
【参考文献】：
期刊论文
[1]水肥药精准管理技术研究现状与发展趋势[J]. 赵常,耿爱军,张姬,王玉亮,张智龙,栗晓宇. 中国农机化学报. 2018(11)
[2]肥水一体化滴灌系统中过滤器技术的研究与进展[J]. 邵伟,侯加林,李天华,牛子孺,李玉华. 中国农机化学报. 2018(10)
[3]模糊控制模型在水肥一体化中的应用研究[J]. 吴景来,李家春,陈跃威,王永涛,卢剑锋. 中国农村水利水电. 2018(02)
[4]基于多传感器的精准变量施肥控制系统[J]. 陈满,金诚谦,倪有亮,徐金山,李泽锋. 中国农机化学报. 2018(01)
[5]农业水肥一体化的发展现状与对策分析[J]. 易文裕,程方平,熊昌国,袁志英. 中国农机化学报. 2017(10)
[6]基于云模型推理的施肥机营养液pH值调节过程控制[J]. 牛寅,张侃谕. 农业机械学报. 2016(07)
[7]基于PLC的药液配比系统设计与试验研究[J]. 姚阳阳,马少辉. 中国农机化学报. 2016(06)
[8]轮灌条件下灌溉施肥系统混肥过程变论域模糊控制[J]. 牛寅,张侃谕. 农业机械学报. 2016(03)
[9]基于云模型在废水处理pH控制中的仿真研究[J]. 韩伟,马邕文,万金泉,黄明智. 计算机仿真. 2015(05)
[10]智能化精准灌溉施肥技术研究现状与展望[J]. 刘永华,俞卫东,沈明霞,孙玉文,熊迎军. 江苏农业科学. 2014(08)
博士论文
[1]温室精准灌溉施肥系统关键技术研究[D]. 刘永华.南京农业大学 2015
硕士论文
[1]温室PLC模糊灌溉施肥控制系统研究[D]. 周亮亮.昆明理工大学 2013
本文编号：3366798
本文链接：https://www.wllwen.com/nykjlw/nyxlw/3366798.html
