基于模糊控制的溫室灌溉施肥控制系統(tǒng)

周亮亮，柯建宏

(昆明理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

近年來，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，促進了溫室農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展。溫室是在充分利用自然環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，改善或創(chuàng)造更佳的環(huán)境小氣候，為植物生長提供良好的環(huán)境條件。溫室栽培能更高效、均衡地生產(chǎn)各種蔬菜、花卉等。云南省處于我國的西南部，具有優(yōu)越的氣候條件，溫室技術(shù)得到了迅速發(fā)展，目前全省2 000 hm2溫室，絕大多數(shù)用于花卉栽培，鮮花產(chǎn)量已連續(xù)多年居全國第一［1］。溫室中影響植物生長的環(huán)境因子主要有溫度、光照度、CO2濃度、土壤肥力等，溫室通過控制這些因子來獲得作物最佳生長條件。土壤肥力是溫室栽培中影響著植物生長的重要因素，發(fā)展灌溉施肥技術(shù)就是為了在保證作物生長需求的情況下節(jié)約用水用肥，節(jié)省勞動力，提高產(chǎn)量。目前微噴灌技術(shù)的發(fā)展促進了水肥技術(shù)的發(fā)展。水肥技術(shù)就是將作物所需的養(yǎng)分溶于水，形成高濃度的營養(yǎng)液母液，在作物需要施肥時，將營養(yǎng)液母液與水混合成一定濃度的營養(yǎng)液，通過微灌系統(tǒng)提供給作物［2］。

國外由于灌溉施肥技術(shù)發(fā)展時間長，電子技術(shù)水平較高，人工成本高，所以與灌溉施肥技術(shù)配套的自動控制系統(tǒng)也較完善和先進，從微灌設(shè)備的應(yīng)用轉(zhuǎn)向微灌施肥一體化，并在設(shè)備選型、灌溉制度、施肥配比、栽培管理及自動化控制等方面進行綜合研究利用、成效顯著［3］。而這一節(jié)水節(jié)肥高效的先進栽培技術(shù)在我國還屬于起步階段。國內(nèi)在這方面還沒有一套實用及科學(xué)的產(chǎn)品，灌溉及施肥系統(tǒng)的自動化程度還很低，更沒有智能型的自動灌溉施肥系統(tǒng)。目前我國溫室中采用的微灌設(shè)備幾乎都是從農(nóng)業(yè)園林設(shè)施發(fā)達的歐美國家引進。而國外成套引進的系統(tǒng)成本較高［4］。因此。國內(nèi)急需價格低廉、自動化程度較高的灌溉及施肥控制系統(tǒng)。

作者介紹一套上位機用 PC和下位機用 PLC，在溫室條件下實現(xiàn)自動灌溉施肥及營養(yǎng)液濃度自動控制的微灌系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠按植物所需營養(yǎng)液濃度進行自動混合。并且可以通過用戶界面輸入控制指令、監(jiān)控系統(tǒng)工作、查詢系統(tǒng)信息等。

1 系統(tǒng)的組成及原理

現(xiàn)代化溫室微灌系統(tǒng)中的農(nóng)作物所需養(yǎng)分絕大部分從營養(yǎng)液中獲取，所以在灌溉施肥過程中要將適合作物生長的一定濃度的營養(yǎng)液通過灌溉水提供給作物。

營養(yǎng)液與水的混合是在灌溉過程中進行的。因此，肥料和水的在線混合、混合罐中濃度的檢測和反饋控制是一個實時控制系統(tǒng)。灌溉施肥系統(tǒng)的組成如圖1所示。系統(tǒng)由控制箱 (PC作上位機與PLC作下位機)、灌溉管路、肥液混合灌、文丘里管、過濾器、pH值/EC值傳感器、液位控制閥、各種電磁閥 (根據(jù)施加肥料種類的不同可有多個，圖中僅示出2個)等幾部分組成。

當水泵運行時，水流由進水口進入主管道，主管道中的水在穩(wěn)壓閥的作用下以恒定壓力流動。水流經(jīng)液位控制閥流進肥液混合罐，同時，由于水在文丘里管里流動，在電磁閥1處產(chǎn)生負壓，若開啟電池閥，就可以吸取肥料和吸酸堿液了，開啟時間的長短由模糊控制輸出的輸出量傳給PLC從而控制電池閥的開閉。肥液由文丘里管流進混合罐與主管道中的水在混合罐中在線混合，當混合罐中的液

圖1 灌溉施肥系統(tǒng)組成

位達到設(shè)定的高度時，此時關(guān)閉主管道的液位控制閥，從而主管道的水就停止流入混合罐了。當肥料濃度控制在給定的范圍之內(nèi)時，開啟電磁閥2，通過加壓泵輸送到分區(qū)管道，水肥流向灌水器 (如微噴頭、滴灌器等)完成作物的灌溉施肥。在每個灌溉施肥支路上裝有一個電磁閥，當作物需要灌溉施肥時，則打開該支路上的控制電磁閥從而達到高效灌溉施肥。

2 模糊控制器設(shè)計

系統(tǒng)主要是實施對施肥濃度的控制。肥料由水作載體提供給植物，同時又給作物提供了水分。施肥控制包括施肥量控制及營養(yǎng)液濃度控制。施肥量控制采用時序控制，由用戶輸入施肥時間及周期，或直接手動控制施肥。營養(yǎng)液混合采用模糊控制，按作物所需營養(yǎng)液濃度，自動進行營養(yǎng)液的混合。

由于營養(yǎng)液的混合是在混合罐中在線進行，即營養(yǎng)液混合系統(tǒng)是一個實時的、大延遲的、有不確定因素的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)的滯后和慣性都很大，傳遞函數(shù)很難確定。又因為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)是只有2種工作狀態(tài)的開關(guān)電磁閥，用傳統(tǒng)控制方法不易得到較好的控制結(jié)果，因此系統(tǒng)選用模糊邏輯控制方法［5］。

模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，一個模糊控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，主要取決于模糊控制器的結(jié)構(gòu)、所采用的模糊規(guī)則、合成推理算法，以及模糊決策的方法等因素。

圖2 模糊控制器的組成

模糊控制器的組成如圖2所示，模糊控制器與常用的負反饋閉環(huán)系統(tǒng)相似，不同的是控制裝置由模糊控制器來實現(xiàn)。模糊邏輯控制由輸入模糊化、模糊控制規(guī)則、模糊決策、模糊判決等部分組成。首先，決定每個模糊變量，包括若干語言變量的模糊語言集、等級劃分及相應(yīng)的論域。輸入變量模糊化后即對應(yīng)于一定等級的一定隸屬度。然后根據(jù)操作人員的經(jīng)驗制定輸入變量、輸出控制變量論域中不同等級對應(yīng)模糊集中各個語言變量的隸屬度。模糊控制規(guī)則是根據(jù)控制系統(tǒng)的操作人員的經(jīng)驗總結(jié)出來的。它的形式為語言變量表示的模糊條件語句。經(jīng)過以模糊規(guī)則為基礎(chǔ)的模糊決策，可得到控制作用的模糊集。然后用模糊判決方法得到輸出控制變量論域中的等級數(shù)，再經(jīng)過輸出精確化，即可輸出控制指令。經(jīng)過模糊決策及模糊判決得到模糊控制表，采用的方法是查表離線計算法，具體就是根據(jù)人為經(jīng)驗事先離線計算出一個模糊控制表，并通過實際試驗對模糊控制表進行優(yōu)化，把優(yōu)化后的模糊控制表存在PLC中，在實際控制過程中通過讀取表中的數(shù)據(jù)進行一定程度的變換，就可以實現(xiàn)預(yù)期的控制目的。

系統(tǒng)在線營養(yǎng)液混合控制系統(tǒng)中采用二維模糊控制器，模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。以濃度偏差e和偏差變化率de/dt作為控制器的輸入，以控制電磁閥開啟的控制時間t為輸出量。輸入輸出變量模糊語言詞匯的數(shù)量要根據(jù)實際情況而定，描述詞匯用得多，可以使制定的控制規(guī)則更全面，但是控制規(guī)則相應(yīng)變得復(fù)雜。一般情況下，選擇5個或7個詞匯比較合適，語言變量個數(shù)可根據(jù)實際需要而定。因系統(tǒng)延遲很大，并且由于混合罐中水流的旋轉(zhuǎn)混合方式使檢測到的pH值、EC值的波動大，e和de/dt的模糊語言值和論域等級不宜過多，所以選取e的基本論域為 ［-0.5，0.5］，對應(yīng)的模糊集E選擇5個語言變量，分別為負大 (NB)、負小 (NS)、零 (Z)、正小 (PS)、正大 (PB)，量化論域為 {-4， -3， -2， -1，0，1，2，3，4}，則濃度偏差的量化因子k1=8。濃度偏差變化率的基本論域 ［-1，1］，對應(yīng)的輸入變量模糊集EC選擇5個語言變量和E模糊集一樣，量化論域為 {-4， -3， -2， -1，0，1，2，3，4}，則濃度偏差變化率的量化因子k2=4。輸出變量 t的基本論域為 ［0，12］，輸出變量模糊集 T分為4個模糊詞集，分別為零 (Z)、短時 (DS)、中時(ZS)、長時 (CS)，量化論域為 {0，1，2，3}，輸出控制量的比例因子ku=12/3=4。

模糊控制器的輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)如圖4-6。

圖3 灌溉施肥模糊控制器的詳細結(jié)構(gòu)

圖4 濃度偏差變量模糊集E的隸屬度函數(shù)

圖5 輸入變量模糊集EC的隸屬度函數(shù)

圖6 輸出變量模糊集T的隸屬度函數(shù)

模糊控制規(guī)則。根據(jù)系統(tǒng)特性、操作人員經(jīng)驗及Mamdani極大極小模糊推理與重心法模糊判決，離線計算，并在實際實驗中不斷優(yōu)化，得到模糊控制表1。強地走向比設(shè)定濃度更低的趨勢，這時輸出為CS，就是長時的意思。

表1 輸出模糊變量T的模糊控制規(guī)則

圖7為Matlab中模糊控制模塊的Mamdani型輸出特性的曲面。在實際的應(yīng)用中，根據(jù)現(xiàn)場的不同情況對控制規(guī)則進行相應(yīng)調(diào)整，逐漸形成最優(yōu)控制方案。模糊控制系統(tǒng)輸出的是輸出量的量化等級，不是直接控制電磁閥開啟的精確時間?？刂谱罱K結(jié)果的量化等級要乘以比例因子ku，這才得到電磁閥開啟的時間。如圖6中EC取3，E取3，輸出T為2，乘以比例因子得到電磁閥開啟時間為8 min。

表1說明，當E的真值集為NB和NS時輸出EC都為ZE，即吸肥管道中的電磁閥不動作，因為主管道的水是事先流進混合罐的，吸肥管道的電磁閥是通過模糊控制器的輸出給PLC信號來控制電磁閥的間隔的通斷，在這個過程中，肥液的濃度不會超過給定濃度的，此時不管誤差變化方向如何，輸出量變化皆為0等級，故電磁閥是不會動作的。只有當偏差為正小 (PS)時、正大 (PB)時，才有相應(yīng)的輸出。最后將模糊控制表固存在PLC中。

系統(tǒng)采用雙輸入單輸出模糊控制器，其控制規(guī)則可寫成“if-and-then”條件語句，選取其中2條語句加以解釋。

if E=PB and EC=NB then T=DS。E=PB意思是當EC傳感器測得的營養(yǎng)液的電導(dǎo)率比設(shè)定值低得多的時候，e才會出現(xiàn)正大值，而EC為NB，就是營養(yǎng)液的濃度有很快地走向設(shè)定濃度的趨勢，這時輸出為DS，就是短時的意思。

if E=PS and EC=PB then T=CS。E=PS意思是當EC傳感器測得的營養(yǎng)液的電導(dǎo)率比設(shè)定值稍微低的時候，而EC=PB意思是營養(yǎng)液的濃度有很

圖7 輸出T特性的曲面

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)控制軟件包括3個部分，即 PLC控制程序、PC機控制程序和PC與PLC之間的通信程序［6］。PLC作為整個控制系統(tǒng)的下位機，主要控制電磁閥的通斷時長，該程序的編制是利用三菱公司的梯形圖編程軟件——GX Developer。PC作為上位機，采用組態(tài)軟件“組態(tài)王”進行設(shè)計，編制的界面要符合操作人員的人機界面習(xí)慣，組態(tài)技術(shù)是計算機控制技術(shù)的關(guān)鍵，應(yīng)用組態(tài)技術(shù)可以開發(fā)出工業(yè)控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控軟件，從而保證控制系統(tǒng)的可靠性和控制質(zhì)量。當系統(tǒng)啟動后，首先由操作者輸入灌溉時間、施加營養(yǎng)液的時間、營養(yǎng)液濃度等設(shè)定值，鍵下開始工作指令后，控制程序開始運行。運行過程中，可實時監(jiān)控并報警，系統(tǒng)數(shù)據(jù)可查閱。

4 小結(jié)

自動灌溉施肥系統(tǒng)在我國還處于初級嘗試的應(yīng)用階段，自動化程度還比較低，這方面的控制器應(yīng)用還比較少。本文介紹了模糊控制思想，并建立了模糊控制模型，它不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型。EC傳感器所測得的混合罐中的營養(yǎng)液導(dǎo)電率的變化情況，傳入PLC控制程序中，與離線設(shè)計好并嵌入的模糊控制表作比較，不斷查詢PLC中模糊控制表，而后由PLC控制吸肥管路的電磁閥的通斷時長來獲得植物所要灌溉的營養(yǎng)液濃度，控制精度和實時性較好。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)工作可靠，控制精度能夠滿足農(nóng)藝要求。

［1］ 陳剛，柯建宏.云南連棟玻璃溫室的溫度影響因子及調(diào)控措施 ［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008(10):113-125.

［2］ 張承林，郭彥彪.灌溉施肥技術(shù) ［M］.北京:化工工業(yè)出版社，2006.

［3］ 李久生，滴灌施肥灌溉原理與應(yīng)用 ［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2003(1):2-25.

［4］ 顧寄南，毛罕平.國內(nèi)外設(shè)施栽培綜合環(huán)境控制技術(shù)及其發(fā)展 ［J］.農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，1999，20(3):184-186.

［5］ 李銳，袁軍，谷海穎，等.單片機實現(xiàn)自動灌溉施肥系統(tǒng)［J］.計算機應(yīng)用，2001(1):219-221.

［6］ 謝克明，夏路易.可編程控制器原理與程序設(shè)計 ［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.