基于模糊控制的温室灌溉施肥控制系统

周亮亮，柯建宏

(昆明理工大学 机电工程学院，云南 昆明 650093)

近年来，科学技术的不断发展，促进了温室农业的高速发展。温室是在充分利用自然环境条件的基础上，改善或创造更佳的环境小气候，为植物生长提供良好的环境条件。温室栽培能更高效、均衡地生产各种蔬菜、花卉等。云南省处于我国的西南部，具有优越的气候条件，温室技术得到了迅速发展，目前全省2 000 hm2温室，绝大多数用于花卉栽培，鲜花产量已连续多年居全国第一［1］。温室中影响植物生长的环境因子主要有温度、光照度、CO2浓度、土壤肥力等，温室通过控制这些因子来获得作物最佳生长条件。土壤肥力是温室栽培中影响着植物生长的重要因素，发展灌溉施肥技术就是为了在保证作物生长需求的情况下节约用水用肥，节省劳动力，提高产量。目前微喷灌技术的发展促进了水肥技术的发展。水肥技术就是将作物所需的养分溶于水，形成高浓度的营养液母液，在作物需要施肥时，将营养液母液与水混合成一定浓度的营养液，通过微灌系统提供给作物［2］。

国外由于灌溉施肥技术发展时间长，电子技术水平较高，人工成本高，所以与灌溉施肥技术配套的自动控制系统也较完善和先进，从微灌设备的应用转向微灌施肥一体化，并在设备选型、灌溉制度、施肥配比、栽培管理及自动化控制等方面进行综合研究利用、成效显著［3］。而这一节水节肥高效的先进栽培技术在我国还属于起步阶段。国内在这方面还没有一套实用及科学的产品，灌溉及施肥系统的自动化程度还很低，更没有智能型的自动灌溉施肥系统。目前我国温室中采用的微灌设备几乎都是从农业园林设施发达的欧美国家引进。而国外成套引进的系统成本较高［4］。因此。国内急需价格低廉、自动化程度较高的灌溉及施肥控制系统。

作者介绍一套上位机用 PC和下位机用 PLC，在温室条件下实现自动灌溉施肥及营养液浓度自动控制的微灌系统，该系统能够按植物所需营养液浓度进行自动混合。并且可以通过用户界面输入控制指令、监控系统工作、查询系统信息等。

1 系统的组成及原理

现代化温室微灌系统中的农作物所需养分绝大部分从营养液中获取，所以在灌溉施肥过程中要将适合作物生长的一定浓度的营养液通过灌溉水提供给作物。

营养液与水的混合是在灌溉过程中进行的。因此，肥料和水的在线混合、混合罐中浓度的检测和反馈控制是一个实时控制系统。灌溉施肥系统的组成如图1所示。系统由控制箱 (PC作上位机与PLC作下位机)、灌溉管路、肥液混合灌、文丘里管、过滤器、pH值/EC值传感器、液位控制阀、各种电磁阀 (根据施加肥料种类的不同可有多个，图中仅示出2个)等几部分组成。

当水泵运行时，水流由进水口进入主管道，主管道中的水在稳压阀的作用下以恒定压力流动。水流经液位控制阀流进肥液混合罐，同时，由于水在文丘里管里流动，在电磁阀1处产生负压，若开启电池阀，就可以吸取肥料和吸酸碱液了，开启时间的长短由模糊控制输出的输出量传给PLC从而控制电池阀的开闭。肥液由文丘里管流进混合罐与主管道中的水在混合罐中在线混合，当混合罐中的液

图1 灌溉施肥系统组成

位达到设定的高度时，此时关闭主管道的液位控制阀，从而主管道的水就停止流入混合罐了。当肥料浓度控制在给定的范围之内时，开启电磁阀2，通过加压泵输送到分区管道，水肥流向灌水器 (如微喷头、滴灌器等)完成作物的灌溉施肥。在每个灌溉施肥支路上装有一个电磁阀，当作物需要灌溉施肥时，则打开该支路上的控制电磁阀从而达到高效灌溉施肥。

2 模糊控制器设计

系统主要是实施对施肥浓度的控制。肥料由水作载体提供给植物，同时又给作物提供了水分。施肥控制包括施肥量控制及营养液浓度控制。施肥量控制采用时序控制，由用户输入施肥时间及周期，或直接手动控制施肥。营养液混合采用模糊控制，按作物所需营养液浓度，自动进行营养液的混合。

由于营养液的混合是在混合罐中在线进行，即营养液混合系统是一个实时的、大延迟的、有不确定因素的复杂系统，系统的滞后和惯性都很大，传递函数很难确定。又因为控制系统的执行机构是只有2种工作状态的开关电磁阀，用传统控制方法不易得到较好的控制结果，因此系统选用模糊逻辑控制方法［5］。

模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊控制系统的性能优劣，主要取决于模糊控制器的结构、所采用的模糊规则、合成推理算法，以及模糊决策的方法等因素。

图2 模糊控制器的组成

模糊控制器的组成如图2所示，模糊控制器与常用的负反馈闭环系统相似，不同的是控制装置由模糊控制器来实现。模糊逻辑控制由输入模糊化、模糊控制规则、模糊决策、模糊判决等部分组成。首先，决定每个模糊变量，包括若干语言变量的模糊语言集、等级划分及相应的论域。输入变量模糊化后即对应于一定等级的一定隶属度。然后根据操作人员的经验制定输入变量、输出控制变量论域中不同等级对应模糊集中各个语言变量的隶属度。模糊控制规则是根据控制系统的操作人员的经验总结出来的。它的形式为语言变量表示的模糊条件语句。经过以模糊规则为基础的模糊决策，可得到控制作用的模糊集。然后用模糊判决方法得到输出控制变量论域中的等级数，再经过输出精确化，即可输出控制指令。经过模糊决策及模糊判决得到模糊控制表，采用的方法是查表离线计算法，具体就是根据人为经验事先离线计算出一个模糊控制表，并通过实际试验对模糊控制表进行优化，把优化后的模糊控制表存在PLC中，在实际控制过程中通过读取表中的数据进行一定程度的变换，就可以实现预期的控制目的。

系统在线营养液混合控制系统中采用二维模糊控制器，模糊控制系统结构如图3所示。以浓度偏差e和偏差变化率de/dt作为控制器的输入，以控制电磁阀开启的控制时间t为输出量。输入输出变量模糊语言词汇的数量要根据实际情况而定，描述词汇用得多，可以使制定的控制规则更全面，但是控制规则相应变得复杂。一般情况下，选择5个或7个词汇比较合适，语言变量个数可根据实际需要而定。因系统延迟很大，并且由于混合罐中水流的旋转混合方式使检测到的pH值、EC值的波动大，e和de/dt的模糊语言值和论域等级不宜过多，所以选取e的基本论域为 ［-0.5，0.5］，对应的模糊集E选择5个语言变量，分别为负大 (NB)、负小 (NS)、零 (Z)、正小 (PS)、正大 (PB)，量化论域为 {-4， -3， -2， -1，0，1，2，3，4}，则浓度偏差的量化因子k1=8。浓度偏差变化率的基本论域 ［-1，1］，对应的输入变量模糊集EC选择5个语言变量和E模糊集一样，量化论域为 {-4， -3， -2， -1，0，1，2，3，4}，则浓度偏差变化率的量化因子k2=4。输出变量 t的基本论域为 ［0，12］，输出变量模糊集 T分为4个模糊词集，分别为零 (Z)、短时 (DS)、中时(ZS)、长时 (CS)，量化论域为 {0，1，2，3}，输出控制量的比例因子ku=12/3=4。

模糊控制器的输入输出变量的隶属度函数如图4-6。

图3 灌溉施肥模糊控制器的详细结构

图4 浓度偏差变量模糊集E的隶属度函数

图5 输入变量模糊集EC的隶属度函数

图6 输出变量模糊集T的隶属度函数

模糊控制规则。根据系统特性、操作人员经验及Mamdani极大极小模糊推理与重心法模糊判决，离线计算，并在实际实验中不断优化，得到模糊控制表1。强地走向比设定浓度更低的趋势，这时输出为CS，就是长时的意思。

表1 输出模糊变量T的模糊控制规则

图7为Matlab中模糊控制模块的Mamdani型输出特性的曲面。在实际的应用中，根据现场的不同情况对控制规则进行相应调整，逐渐形成最优控制方案。模糊控制系统输出的是输出量的量化等级，不是直接控制电磁阀开启的精确时间。控制最终结果的量化等级要乘以比例因子ku，这才得到电磁阀开启的时间。如图6中EC取3，E取3，输出T为2，乘以比例因子得到电磁阀开启时间为8 min。

表1说明，当E的真值集为NB和NS时输出EC都为ZE，即吸肥管道中的电磁阀不动作，因为主管道的水是事先流进混合罐的，吸肥管道的电磁阀是通过模糊控制器的输出给PLC信号来控制电磁阀的间隔的通断，在这个过程中，肥液的浓度不会超过给定浓度的，此时不管误差变化方向如何，输出量变化皆为0等级，故电磁阀是不会动作的。只有当偏差为正小 (PS)时、正大 (PB)时，才有相应的输出。最后将模糊控制表固存在PLC中。

系统采用双输入单输出模糊控制器，其控制规则可写成“if-and-then”条件语句，选取其中2条语句加以解释。

if E=PB and EC=NB then T=DS。E=PB意思是当EC传感器测得的营养液的电导率比设定值低得多的时候，e才会出现正大值，而EC为NB，就是营养液的浓度有很快地走向设定浓度的趋势，这时输出为DS，就是短时的意思。

if E=PS and EC=PB then T=CS。E=PS意思是当EC传感器测得的营养液的电导率比设定值稍微低的时候，而EC=PB意思是营养液的浓度有很

图7 输出T特性的曲面

3 系统软件设计

本系统控制软件包括3个部分，即 PLC控制程序、PC机控制程序和PC与PLC之间的通信程序［6］。PLC作为整个控制系统的下位机，主要控制电磁阀的通断时长，该程序的编制是利用三菱公司的梯形图编程软件——GX Developer。PC作为上位机，采用组态软件“组态王”进行设计，编制的界面要符合操作人员的人机界面习惯，组态技术是计算机控制技术的关键，应用组态技术可以开发出工业控制系统的实时监控软件，从而保证控制系统的可靠性和控制质量。当系统启动后，首先由操作者输入灌溉时间、施加营养液的时间、营养液浓度等设定值，键下开始工作指令后，控制程序开始运行。运行过程中，可实时监控并报警，系统数据可查阅。

4 小结

自动灌溉施肥系统在我国还处于初级尝试的应用阶段，自动化程度还比较低，这方面的控制器应用还比较少。本文介绍了模糊控制思想，并建立了模糊控制模型，它不依赖于精确的数学模型。EC传感器所测得的混合罐中的营养液导电率的变化情况，传入PLC控制程序中，与离线设计好并嵌入的模糊控制表作比较，不断查询PLC中模糊控制表，而后由PLC控制吸肥管路的电磁阀的通断时长来获得植物所要灌溉的营养液浓度，控制精度和实时性较好。实验结果表明，本系统工作可靠，控制精度能够满足农艺要求。

［1］ 陈刚，柯建宏.云南连栋玻璃温室的温度影响因子及调控措施 ［J］.广东农业科学，2008(10):113-125.

［2］ 张承林，郭彦彪.灌溉施肥技术 ［M］.北京:化工工业出版社，2006.

［3］ 李久生，滴灌施肥灌溉原理与应用 ［M］.北京:中国农业科学技术出版社，2003(1):2-25.

［4］ 顾寄南，毛罕平.国内外设施栽培综合环境控制技术及其发展 ［J］.农业现代化研究，1999，20(3):184-186.

［5］ 李锐，袁军，谷海颖，等.单片机实现自动灌溉施肥系统［J］.计算机应用，2001(1):219-221.

［6］ 谢克明，夏路易.可编程控制器原理与程序设计 ［M］.北京:电子工业出版社，2002.