风送式喷雾风机PLC模糊控制系统的设计与研究

宋清艳

摘要：针对目前我国变量喷雾风机喷雾效果不好且很难控制的特点，本文研究采用无级调速模糊控制来解决该问题，在控制过程中加入了控制算法，通过对算法分析，将模糊PI算法移植到PLC程序中，编写模糊PI控制程序，调试PLC程序，最终达到其控制效果。通过仿真实验发现，该方法能够很好的解决变量喷雾风机喷雾效果。

关键词：喷雾风机 无级调速 模糊控制自整定PID

中图分类号：TP273.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）09-0006-01

研究国外变量喷雾农具的发展，不难看出变量喷雾农具在国外己经相当成熟特别是在欧美国家，目前国内对变量喷雾农具的研究进展缓慢，随着我国农业十三五规划的提出，发展现代精准农业控制为极大的推进农业发展有着极其重要的意义[1]。我国的果园变量喷雾重点加强一下性能：

雾滴初始动能（即穿透力）、作业适应能力、工作参数调整的灵活方便性、喷施精准性能，对环境友好性能[2]。

因此，促使果园变量喷雾技术的进一步发展，需要变量喷雾、自动行走、自动检测和控制三大核心技术的支撑[3]。

1 喷雾风机无级调速系统整体设计思路

本喷雾系统通过微型薄膜泵从储液罐抽取药液，薄膜泵抽取的药液进过阀门进入到雾化系统，同时设置了回流阀来辅助调节系统流量和压力，起到辅助调节和保护系统的作用。

薄膜泵抽取的液体在扇形喷雾喷头的雾化作用下将药液雾化，雾化后的药液经轴流风机对靶喷雾，实现喷雾系统工作整体工作流程。喷雾系统通过涡轮流量计和压力传感器对系统的流量和压力进行监测和控制，实现控制精确化。风机转速通过光电传感器来进行测量，所测得风机转速经过A/D转化反馈给PLC，实现负反馈闭环控制。

2 喷雾风机调速原理

由电机学可知，交流异步电动机转速公式为：

公式一：

其中：——定子供电频率；

p——极对数；

s——转差率。

通过以上变频调速器原理可以看出，改变频率或改变电压都可以实现对喷雾风机转速的调节与控制。当电压与频率比值恒为常数时，可以实现了交流电机平滑调速。

3 模糊控制原理

通过使用Matlab软件中的Simulink工具来进行模糊控制的仿真，从设计出最为适合的PID参数自组织模糊控制器。如量化因子、 的选取、修正因子的取值等，通过模拟软件的模拟与参数的调整修正，得到一个理想的二输入一输出的PID参数自整定的模糊控制控制器。

3.1 确定模糊控制器的结构

本系统选用两输入单输出的模糊控制器。控制器的输入为速度偏差E和速度偏差变化率EC，输出为变频器控制量。

3.2 定义输入、输出模糊集合

将速度偏差分为NB、NM、NS、NZ、PZ、PS、PM、PB八个模糊集合；将速度偏差变化率和变频器控制量定义为NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB七个模糊集合。

3.3 定义隶属度函数

通过FIS编辑器，分别对E、EC和U进行定义隶属度函数。E的论域定义为[-4，4]，EC的论域定义为[-3，3]，U的论域定义为[-5，5]。

4 PLC控制

通过模糊串级控制系统设计得到图三控制系统模拟图。经量化因子取EK=5，ECK=320，UK=1/3.5（因子可在仿真过程中调整），在Simulink平台下建立整个模糊串级控制仿真框图。由于常规模糊控制器具有Fuzzy比例微分作用，缺少积分环节，因此必然不可避免地产生稳态误差，为提高风速控制系统对稳态精度要求，因此图中引入PI控制策略，构成Fuzzy-PI复合控制器。将仿真好的Fuzzy-PI控制器植入到PLC，通过PLC程序调试得到实验结果如下：

实验结果为：PID控制超调量为20%，调节时间为5s；采用主调节器为Fuzzy-PI调节器真结果为：PID控制超调量为5.1%，调节时间为1.5s；因此串级控制系统具有较强的抗干扰能力，调节品质良好。

5 结语

从以上试验仿真结果可以看出，利用Matlab来构建变量喷雾无级变频调速风机模糊控制器系统响应速度快，误差精度高，操作方便，从建模到最终的试验仿真结果来看，用户除了简单的操作外，大量的PLC程序，PC机程序，各种驱动模块已经响应的程序，液晶显示程序和驱动等都不需要用户自己去实现。需要指出的是，目前控制方法很多，如何科学合理的选择模糊控制、多模模糊控制、模糊PI控制、隶属度可变模糊控制、自调整整模糊控制、模糊PID控制等。该模糊PI控制器虽然在整体控制效果上令人满意，但仍然存在超调量不易及时消除等问题。如何利用Matlab中simulink工具箱及时高效的设计出更加合理科学、性能更优良的模糊控制器，需要进一步的研究。

参考文献

[1]张国良，曾静，邓方林.模糊控制及其MATLAB应用[J].西安交通大学出版社，2002，11（4）：98-103.

[2]刘秀娟，周宏平，正加强.农药雾滴漂移控制技术研究进展[J].农业工程学报，2005，21（1）：186-189.

[3]何雄奎，曾爱军，何娟.果园喷雾机风速对雾滴的沉积分布影响研究[J].农业工程学报，2002，18（4）：75-77.