基于Matlab溫室模糊控制的自動(dòng)施肥策略研究*

周亮亮, 張國(guó)青, 程立艷, 汪甜甜

(池州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，安徽 池州 247000)

0 引 言

傳統(tǒng)的溫室種植基本上以人力為主、管理粗放、自動(dòng)化程度不高，對(duì)水和肥的利用率較低[1,2]。造成了水資源浪費(fèi)和環(huán)境的污染，黨的十九大報(bào)告明確提出了對(duì)環(huán)境保護(hù)的具體綱領(lǐng)和規(guī)劃路線，對(duì)未來(lái)的社會(huì)發(fā)展指明了方向。提高水和肥的利用效率最有效直接的方式就是采用自動(dòng)精準(zhǔn)灌溉和施肥技術(shù)，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家如以色列、荷蘭等國(guó)，由于水資源的嚴(yán)重缺乏，他們很早就投入這方面的研究，現(xiàn)已形成溫室配套裝備齊全和柔性生產(chǎn)自動(dòng)控制一體化的產(chǎn)業(yè)模式[3,4]。隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)也開(kāi)始在溫室中逐漸采用自動(dòng)生產(chǎn)控制技術(shù)，由于基礎(chǔ)環(huán)節(jié)薄弱，加上外界技術(shù)的封鎖，我國(guó)的溫室灌溉施肥技術(shù)和生產(chǎn)管理目前還是處于小規(guī)模的生產(chǎn)試驗(yàn)當(dāng)中[5]。基于以上原因，設(shè)計(jì)了一套以模糊控制策略思想的溫室灌溉施肥系統(tǒng)。

1 灌溉施肥結(jié)構(gòu)及工作原理

灌溉施肥機(jī)結(jié)構(gòu)組成圖如圖1所示，主要由供水模塊，供肥模塊，肥液在線混合模塊，灌溉施肥回路模塊，控制模塊等部分組成。

①供水模塊

供水模塊由蓄水箱，水泵，過(guò)濾器，水表，壓力傳感器，浮球水動(dòng)閥等組成。當(dāng)溫室作物需要灌溉或施肥時(shí)PLC控制水泵啟動(dòng)，水流經(jīng)過(guò)過(guò)濾器、水表、壓力傳感器、浮動(dòng)開(kāi)關(guān)到達(dá)混肥罐，當(dāng)混肥罐中水位上升到一定高度時(shí)，浮球水動(dòng)閥動(dòng)作開(kāi)啟，供水模塊中水壓超過(guò)設(shè)定值，PLC控制水泵停止運(yùn)行，供水結(jié)束。

②供肥模塊

供肥模塊由肥料ABC，酸堿罐，過(guò)濾器，電磁閥，文丘里施肥器等組成，當(dāng)灌溉回路中電導(dǎo)率EC值和酸堿度PH值未達(dá)到設(shè)定值，PLC控制電磁閥10動(dòng)作開(kāi)啟，肥料液和酸堿液通過(guò)文丘里施肥器吸入混合罐17中，肥料ABC提供農(nóng)作物的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)成分，酸堿液調(diào)配混合罐中的酸堿度，使農(nóng)作物達(dá)到最佳生長(zhǎng)狀態(tài)。其中文丘里施肥器的工作原理：當(dāng)文丘里管中有水流流過(guò)，由于喉部細(xì)兩頭粗，根據(jù)流體力學(xué)原理，喉部會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，從而無(wú)需提供動(dòng)力就可以吸取肥料[6]。

③肥液在線混合模塊

供水模塊的水與供肥回路的肥料在混合罐中在線混合，當(dāng)混合罐中水位超過(guò)一定高度時(shí)，通過(guò)PLC控制電機(jī)帶動(dòng)葉片輪使肥料、酸堿度和水充分混合，增加葉片輪的目的是提高肥液混合效率，以減少EC/PH傳感器檢測(cè)誤差和系統(tǒng)的延遲性，提高系統(tǒng)的控制精度。

圖1 灌溉施肥控制系統(tǒng)構(gòu)成

1.蓄水箱 2.水泵 3/9/18.過(guò)濾器 4.水表 5.壓力傳感器

6.浮球水動(dòng)閥 8.酸堿罐 10.電磁閥 11.文丘里施肥器

12.EC/PH傳感器 13.壓力表 14.穩(wěn)壓閥15.施肥泵

16.葉片輪 17.肥料混合罐 19.電磁閥 20.PC/PlC控制器

21.滴灌支管 22.農(nóng)作物 23.滴頭

④灌溉施肥回路模塊

灌溉施肥回路模塊由施肥泵，穩(wěn)壓閥，壓力表，EC/PH傳感器，電磁閥，滴灌支管、滴頭等組成。PLC控制施肥泵向管網(wǎng)中提供肥液，只要管網(wǎng)中的壓力值超過(guò)設(shè)定值，穩(wěn)壓閥自動(dòng)溢流到混合罐中，保證了灌溉施肥管網(wǎng)中恒定的壓力，使滴頭處在最佳工作狀態(tài)。本系統(tǒng)也可以只灌溉不施肥，只需把肥料回路中的電磁閥關(guān)閉即可。

⑤控制模塊

控制模塊由下位機(jī)PLC和上位機(jī)PC組成，PLC接受壓力傳感器、EC/PH傳感器等信號(hào)通過(guò)模糊控制算法輸出控制施肥電磁閥開(kāi)閉時(shí)間，以達(dá)到系統(tǒng)施肥平衡。通過(guò)組態(tài)王設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可以通過(guò)PC界面直觀監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

2 水肥混合的模糊控制器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制量為供肥模塊的電磁閥開(kāi)啟時(shí)間，因本系統(tǒng)中進(jìn)水流量，進(jìn)肥量、水肥混合效率以及出水流量和壓力值都是不確定的，尤其進(jìn)肥流量是取決于管道中的壓力值，而管道中的壓力值是隨時(shí)變化的，加上采集的電導(dǎo)率和酸堿度存在延時(shí)，從而無(wú)法建立起電磁閥開(kāi)啟時(shí)間和灌溉回路中電導(dǎo)率的傳遞函數(shù)，系統(tǒng)又存在滯后和慣性大的特點(diǎn)[7]，所以本系統(tǒng)采用模糊控制。 本文采用典型的Mamdani型二輸入一輸出模糊控制[8]。原理如圖2所示，以溫室番茄種植為例，選取混合罐中的電導(dǎo)率Ec值作為被控對(duì)象，與系統(tǒng)設(shè)定的番茄適宜生長(zhǎng)濃度比較，計(jì)算誤差E值和誤差變化Ec值，作為模糊控制器的輸入，經(jīng)過(guò)模糊決策輸出控制量U值，后換算為電磁閥開(kāi)啟時(shí)間以吸取母液罐的肥料，從而控制混合罐中的電導(dǎo)率值。

圖2 模糊控制原理

圖3 E的隸屬度函數(shù)

2.1 確定輸入和輸出量的論域離散點(diǎn)以及量化因子和比例因子

本算法控制器的輸入分別為電導(dǎo)率誤差和電導(dǎo)率誤差的變化。電導(dǎo)率誤差，其中s為溫室番茄適宜的生長(zhǎng)電導(dǎo)率值，為期望輸出值。電導(dǎo)率誤差變化為，輸出量為電磁閥開(kāi)啟時(shí)間，它們的變化范圍根據(jù)實(shí)際情況確定如下：

電導(dǎo)率誤差E的確定：

溫室番茄理想的適宜生長(zhǎng)電導(dǎo)率值為2100us/cm，也就是2.1ms/cm，根據(jù)實(shí)際的檢測(cè)電導(dǎo)率在1.7 ms/cm～2.5 ms/cm之間，我們制定其電導(dǎo)率控制范圍為[2.1-0.4,2.1+0.4]，設(shè)2.1為混合罐電導(dǎo)率給定值，取其論域?yàn)椋簕-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}；離散點(diǎn)數(shù)為9，則其量化因子可定位k1=4/0.4=10，因此實(shí)際誤差與離散點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

誤差(ms/cm)：{-0.4 -0.3 -0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4}

對(duì)應(yīng)的離散點(diǎn)： { -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4}

電導(dǎo)率誤差Ec的確定：

根據(jù)簡(jiǎn)易模型的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確定在一個(gè)采樣周期內(nèi)的誤差變化范圍為[-0.2,0.2],其論域也取為{-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}，即量化為9個(gè)等級(jí)，其量化因子為k2=4/0.2=20

實(shí)際的誤差變化與離散點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

誤差變化(ms/cm)：{-0.2 -0.15 -0.1 0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2}

對(duì)應(yīng)的離散點(diǎn)： { -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4}

表1 輸入和輸出變量的模糊子集參數(shù)設(shè)定值

輸出控制量U的確定：

經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，PLC用以控制電磁閥開(kāi)啟的時(shí)間，輸出范圍為[0 40s]，其論域也取為{-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}，比例因子為ku=4/20=0.2

電磁閥開(kāi)啟時(shí)間(s)：{0 5 10 15 20 25 30 35 40}

對(duì)應(yīng)的離散點(diǎn)： {-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4}

2.2 模糊子集的選取與模糊賦值

對(duì)于電導(dǎo)率誤差及誤差變化，在它們的論域上定義模糊子集為NB(負(fù)大)、NS(負(fù)小)、ZE(零)、PS(正小)、PB(正大)。

控制輸出量的模糊子集為zero time(零時(shí))、short time(短時(shí))、middle time(中時(shí))

Medium long time(較長(zhǎng)時(shí))、long time(長(zhǎng)時(shí))。

常用的隸屬度函數(shù)有三角型、高斯型、鐘型等[9]，本模糊控制輸入選擇高斯型隸屬度函數(shù)，輸出選擇三角型隸屬度函數(shù)。輸入輸出隸屬度函數(shù)參數(shù)設(shè)定如表1所示：

2.3 建立控制規(guī)則

根據(jù)理論分析及實(shí)際操作人員的經(jīng)驗(yàn)，并經(jīng)過(guò)一定的試驗(yàn)，分析總結(jié)得出如表2所以的規(guī)則集。

表2 電導(dǎo)率模糊控制規(guī)則

對(duì)于表中所示的模糊規(guī)則，可以寫成一系列的if-then語(yǔ)句，由于e、ec各有5個(gè)語(yǔ)言輸入值，故共有5x5=25條if-then語(yǔ)句。

如規(guī)則If e=NB and ec=NB then u=long time；

假定某一時(shí)刻檢測(cè)到電導(dǎo)率值為1.8，與設(shè)定值2.1差值為-0.3，乘以比例因子10為-3，與理想設(shè)定值差得很多，大概率為NB，若誤差還是很快速率向更低值變化，誤差變化大概率為NB，意思此時(shí)與理想值差的很多，而且還會(huì)繼續(xù)很快變小，所以模糊控制決策告訴PLC要長(zhǎng)時(shí)間打開(kāi)電磁閥吸取肥料。

3 Matlab模糊控制器實(shí)現(xiàn)

進(jìn)入Matlab主界面后輸入fuzzy即可出現(xiàn)模糊控制(FIS)編輯器，打開(kāi)FIS編輯器后，選擇Edit(編輯)選項(xiàng)下的Add Variable(增加變量)，系統(tǒng)默認(rèn)的是mamdani控制類型，

圖4 U的隸屬度函數(shù)

圖5 模糊控制規(guī)則

圖6 mamdani型FIS文件

圖7 模糊控制的輸入和輸出圖

雙擊輸入變量，出現(xiàn)輸入變量的對(duì)話框，增加5個(gè)語(yǔ)言變量，選擇gaussmf(高斯型)隸屬度函數(shù)，根據(jù)表1中參數(shù)修改輸入變量e和ec的隸屬度函數(shù)，Ec和E的參數(shù)一致，E的隸屬度函數(shù)如圖3所示。同樣道理修改輸出u的隸屬度函數(shù)，選擇trimf(三角型)隸屬度函數(shù)，如圖4所示。接著制定模糊控制規(guī)則，雙擊中間的白色圖案，出現(xiàn)模糊控制規(guī)則編輯器，根據(jù)表2建立的模糊控制規(guī)則如圖5所示。這樣就建立起了二輸入單輸出的mamdani型FIS文件，如圖6所示。

表3 電導(dǎo)率模糊控制表

去模糊化方法選擇centroid(重心法)，借助matlab規(guī)則計(jì)算，四舍五入后得到電導(dǎo)率的模糊控制表3，把模糊控制表中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到PLC中。

圖8 電導(dǎo)率仿真波形

圖9 simulink環(huán)境下的電導(dǎo)率模糊控制模型

如此設(shè)計(jì)的模糊控制器的輸入和輸出的關(guān)系曲面如圖7所示，從圖中可以看出控制曲面都成非線性，對(duì)于非線性控制問(wèn)題，很難建立起輸入輸出之間的傳遞關(guān)系，采用模糊控制將很好地模擬人的控制習(xí)慣，解決溫室自動(dòng)灌溉施肥問(wèn)題。

4 Matlab下Simulink仿真實(shí)現(xiàn)

對(duì)于前面建立的模糊控制規(guī)則，將搭建仿真測(cè)試輸入輸出平臺(tái)驗(yàn)證其有效性，我們用Matlab下的Simulink對(duì)其進(jìn)行仿真，simulink中有專門的“Fuzzy Logic Toolbox”控制模塊，從中選擇Fuzzy Logic Controller模塊，修改其與存入workspace的FIS文件名稱相同。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)，得出階躍響應(yīng)曲線，根據(jù)切線法得出傳遞函數(shù)為：，把其他需要的模塊移至模型編輯器中，搭建的simulink模型如圖9所示，設(shè)定好模型的仿真時(shí)間和步長(zhǎng)等參數(shù)后，仿真結(jié)果如圖8所示，從圖中可以看出70s左右系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，控制比較平穩(wěn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)的一套溫室灌溉施肥系統(tǒng)，采用水和肥在混合罐充分混合，同時(shí)利用施肥泵輸送到灌溉管網(wǎng)供溫室作物生長(zhǎng)吸收。由于無(wú)法建立起作物吸收養(yǎng)分的電導(dǎo)率指標(biāo)和電磁閥開(kāi)啟時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，本文采用了模糊控制規(guī)則，利用Matlab模糊控制器模塊，建立起模糊控制規(guī)則，計(jì)算出電導(dǎo)率模糊控制規(guī)則表，最后利用Simulik對(duì)其模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，控制平穩(wěn)，滿足溫室灌溉施肥控制要求。