基于單片機(jī)模糊控制變量施藥控制系統(tǒng)的研究①

野秀玉， 馬立龍

(1.佳木斯市第二十中學(xué)數(shù)學(xué)教研組，黑龍江 佳木斯 154002;2.佳木斯市第八中學(xué)物理教研室，黑龍江 佳木斯 154005)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化及智能化的發(fā)展，農(nóng)作物的種植面積不斷地增大，以及人們對環(huán)境污染、農(nóng)藥殘留等問題的高度重視[1]，常規(guī)施藥已不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，噴藥時的藥滴直徑不能隨作業(yè)環(huán)境的變化而調(diào)整.變量施藥系統(tǒng)是針對病蟲害的多少實(shí)施變量施肥.這樣，不僅提高了藥液利用率，同時，也減少了農(nóng)藥的浪費(fèi)以及多余農(nóng)藥對環(huán)境的不良影響，充分體現(xiàn)出其明顯的經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益.本文依據(jù)變量原理設(shè)計(jì)了一套變量施藥自動控制系統(tǒng)，并利用MATLAB軟件的模糊控制工具箱對控制器進(jìn)行了仿真.仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可操作性好，能夠滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求.

1 系統(tǒng)描述及其功能實(shí)現(xiàn)

為了便于實(shí)現(xiàn)自動控制，本文基于實(shí)時傳感技術(shù)，采用人為輸入施藥量的方法，即設(shè)定一個單位面積施藥量.通過流量傳感器測得流量的當(dāng)前值，把流量當(dāng)前值的偏差及偏差變化率作為控制系統(tǒng)的輸入量，通過隔離放大和模數(shù)轉(zhuǎn)化器處理后送入AT89C52的輸入端，經(jīng)過模糊化、模糊推理和反模糊化等過程輸出控制量U(電壓)去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥，從而改變施藥量，使實(shí)際施藥量與設(shè)定值相等.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)中主控單元采用8位AT89C52單片機(jī)，外圍電路包括:傳感器、隔離放大電路、MAX232串口接口電路、A/D，D/A轉(zhuǎn)換電路、4×4鍵盤電路和顯示電路、報(bào)警電路等，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示:

圖1 變量施藥控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

(1)單片機(jī)的選擇

AT89C52單片機(jī)是美國公司生產(chǎn)的功能強(qiáng)大的適合于許多較為復(fù)雜場合的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8K字節(jié)可重擦寫的閃速只讀程序存儲器和256字節(jié)的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲器，與MCS－51產(chǎn)品指令完全兼容，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)[2]

(2)電動閥的選擇

電動閥是用來控制系統(tǒng)的流量的執(zhí)行器，通過控制電動閥開度角的大小來控制系統(tǒng)流量的大小，本系統(tǒng)選用DC0－10V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號的電動閥，此閥控制精度較高，響應(yīng)速度快，閥門的開度0～100%和得到的控制信號成正比，開度為0時，對應(yīng)0V或4mA;開度為100%時，對應(yīng)10V或20mA.行程時間60s;最大行程25mm;電源電壓24VAC[3].

(3)傳感器的選擇

考慮到機(jī)器實(shí)際作業(yè)環(huán)境，本系統(tǒng)分別選用壓阻式壓力傳感器、渦輪流量計(jì)和霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，此三類傳感器測速范圍寬，抗干擾能力強(qiáng)，溫度適應(yīng)范圍寬，能夠適應(yīng)農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境的要求.

3 模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真

(1)模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模糊控制器的作用就是模仿人腦思維方式的人工控制，對模糊現(xiàn)象進(jìn)行識別和判決，給出精確的控制量，對被控對象進(jìn)行控制.本設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際情況選用二維模糊控制器[3].其工作原理圖如圖2所示:

圖2 變量噴藥模糊控制器原理圖

圖3 模糊控制系統(tǒng)SIMULINK動態(tài)仿真模型

圖4 通過Scope觀察的仿真波形

在變量噴藥模糊控制器里，將單位面積的施藥量設(shè)定為，由流量傳感器測得的流量記為q(t).則偏差e和偏差的變化ec為:

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確定施藥量偏差量和偏差變化率的基本論域都為[－5，5]L/hm2，輸出量為加到電動閥上的電壓.本設(shè)計(jì)設(shè)偏差量和偏差變化量的論域?yàn)閧－5，－4，－3，－2，－l，0，l，2，3，4，5}11個等級，模糊子集分為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}七個等級，即{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}.本系統(tǒng)選用三角函數(shù)、升半梯形函數(shù)與降半梯形函數(shù)作為輸入量語言值的隸屬函數(shù)，用脈沖函數(shù)作為輸出量語言值的隸屬函數(shù)[4].

模糊控制規(guī)則的確定是根據(jù)有經(jīng)驗(yàn)的操作者多次實(shí)踐得出的若干條模糊條件語句，這些模糊語句可用模糊控制規(guī)則表表示，如表1所示.

表1 模糊控制規(guī)則表

當(dāng)施藥量偏差E為較大時且偏差變化EC為正時，控制量應(yīng)以消除偏差為主，U取正大;當(dāng)偏差E為正大而誤差變化EC為負(fù)時，系統(tǒng)具應(yīng)自行消除偏差并使系統(tǒng)不產(chǎn)生超調(diào)，控制量U應(yīng)取較小[5].

(2)模糊控制計(jì)算機(jī)仿真

模糊控制系統(tǒng)模型[5]如圖3所示，該模型經(jīng)過仿真后的波形如圖4所示.

通過Scope觀察系統(tǒng)的仿真輸出結(jié)果可知:模糊控制超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時間短，控制過程比較平穩(wěn)，跟隨性能好.

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)將單片機(jī)技術(shù)和模糊控制應(yīng)用車載噴霧機(jī)變量噴霧控制系統(tǒng)中.經(jīng)仿真證明該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、操作簡單，穩(wěn)定可靠，具有潛在的市場應(yīng)用前景.

[1]楊莉.基于ARM7的自動變量噴藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)及算法研究[D].長春:吉林大學(xué)，2008，6.

[2]Kevin P.Gillis，D.Ken Giles，David C.Slaugh ter，et al.Injection and Fluid Handling Syste for Machine－Vision Controlled Spraying[R].Sancramento，California，USA，ASAE Annual International Meeting，2001:67 －88.

[3]石辛民，郝整清.模糊控制及MATLAB仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社，2008，3.

[4]黃金俠，等.模糊控制在中草藥收獲機(jī)夾持帶速度控制中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010，8.

[5]王俊紅，傅澤田，王秀，等.基于AT89C52單片機(jī)的變量噴霧控制器設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(2).