基于模糊PID控制的节水灌溉智能控制系统设计

刘洪静，李 黎，高金辉

(1.河南师范大学电子与电气工程学院 增材智能制造河南省工程实验室, 河南 新乡 453007；2.新乡水文水资源勘测局, 河南 新乡 453000)

我国是一个农业大国，农业灌溉用水占比较大，传统的灌溉方式导致水资源的严重浪费[1]，不符合我国农业节水灌溉的要求。为了解决这一问题需要发展一种较高水平的灌溉技术，以作物对水分的需求量为依据，适时适量灌溉，使作物生长在最佳状态。

由于农业灌溉对象是一个大惯性、 非线性和纯时延的系统，无法对其建立精确与统一的数学模型[2]，传统的PID控制，理论成熟，参数调整方便[3]，但控制精度达不到要求，存在超调的现象；模糊控制是一种非线性控制，不需要建立精确的数学模型,根据领域专家知识或操作人员的经验就可制定有效的控制策略，但其抗干扰能力欠佳[4]。

本文根据两者的优点设计了一种新的模糊PID控制方法，提高了控制精度和抗干扰能力；采用信电共线新的通讯方式，通过在2根低压供电总线上调制通讯控制信号(满幅电压发送，电流回传接收)，系统无极性接线的方法替代传统供电和通讯分离的多线制电缆，克服了传统RS232、RS485有线通讯方式[5]传输距离有限、通讯线束多、接线复杂的问题。并利用Modbus通信协议、Simulink仿真和滴灌实验验证了其可行性，取得了较好的效果，实现了节水灌溉的智能控制，在可控范围内最大限度地减少灌溉用水的浪费[6]，解决了我国灌溉水资源利用率低、管理水平滞后、劳动强度大、人机交互能力差等弊端。

1 系统总体设计方案

本系统由：模糊PID控制器、MCGS组态系统、信电共线主机模块、从机模块，土壤湿度传感器，水流传感器和电球阀组成。MCGS组态系统用于设定土壤湿度、显示各个分机和传感器状态，并能与主机模块通信，控制相应的从机。主机模块和从机模块之间通过Modbus协议进行通信。从机土壤湿度传感器采集土壤信息，并将信息通过主机模块反馈给模糊PID控制器，经算法运算处理后，将输出量通过组态系统反馈给主机模块，从而控制相应分机的电球阀的开闭，实现节水灌溉的智能控制。水流传感器检测水流流量及反馈电动球阀的开闭状态。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

2 信电共线硬件设计

2.1 主机核心电路设计

主机核心电路如图2所示，系统支持总线电压直流12～48 V，通过电压变化信号向从机发送控制信号。模块EV620通过485总线与MCGS组态屏通信，BRK为总线故障指示引脚。

图2 主机核心电路

当EV620接收到MCGS发来的串口信号，需要向从机发送信号时，通过控制引脚BH使总线输出脚L1的电压值在满足供电的前提下小范围内上下波动，从而使总线上形成规律性变化的电压信号，以供从机识别。

当EV620接收到从机发来的应答信号时，引脚BL检测总线上的电流变化，将电流信号转变为可识别的电压信号，通过串口发送给MCGS并显示。

2.2 从机核心电路设计

从机核心电路如图3所示，控制芯片PB331的PI引脚为信号输入端，检测主站发送来的电压信号，以识别主站发来的指令；PO引脚为信号输出端，通过控制T1的导通控制总线电流，向主机发送应答信号。MCU单片机为带有 flash的增强型8位8051内核微控制器，通过IO口读取传感器数值、电球阀状态，并控制电球阀运行。TR为土壤湿度传感器，SL为水流传感器，Valve为电球阀。

图3 从机核心电路

当PB331的PI引脚检测到主站发来的电压信号后，通过串口发送给MCU执行相关操作。

当PB331接收到MCU发送来的应答信号时，控制PO脚使T1导通或关闭，从而使总线上形成小范围规律性变化的电流信号，以供主机识别。

3 组态系统介绍及信协议设计

3.1 MCGS组态系统介绍

MCGS组态屏是一套以Cortex-A8 CPU为核心的高性能嵌入式一体化触摸屏[7]，利用MCGS人机界面实时显示系统参数，进行系统参数设置和运行控制[8]，其建立的组态系统工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库及运行策略等5个部分构成。本组态系统设有登录界面、主界面、分组界面等若干界面，系统主界面如图4所示。

图4 组态系统主界面

3.2 通信协议设计

为了便于和MCGS组态系统通信，信电共线主、从机均采用Modbus-RTU通信协议[9,10]，通过主机向从机发送请求，从机向主机响应的方式，实现数据交互。

本设计是一台主机对若干台从机进行监控，定义的分机寄存器地址如表1所示，并根据具体情况编写了两个控制指令：主机读取从机状态的命令和主机控制从机电球阀开关的命令。其控制格式如下。

主机检测灌溉状态，读取从机状态的命令格式：从机地址、0x04、0x00、0x04、0x00、0x05、低位CRC、高位CRC。第一个0x04为功能码：单个读；0x00、0x04为读取的第一个数据寄存器的地址， 0x00、0x05为读取的寄存器个数，即从寄存器0x04开始顺序读取5个寄存器的地址；高、低位CRC为校验码。

主机控制相应从机电球阀开关的命令格式：从机地址、0x06、0x00、0x04、0x00、0x01或0x00、低位CRC、高位CRC。0x06为功能码：单个写；0x00、0x04为电球阀状态寄存器地址；0x00、0x01为打开电球阀指令，0x00、0x00为关闭电球阀指令；高位、低位CRC为校验码。

表1 分机寄存器地址分配表

注：电球阀运行状态：开启时为1，关闭时为2，空闲时为0，动作超时为0xff。

4 模糊PID控制器设计

4.1 模糊PID控制器原理介绍

模糊PID 控制器原理[11]如图5所示。

图5 模糊PID 控制器原理图

控制器中，土壤湿度偏差e(k)由k时刻的土壤湿度设定值r(k)与实际检测值y(k)构成：

e(k)=r(k) -y(k)

(1)

偏差变化率ec(k) 由当前时刻误差e(k)与前一个时刻的误差e(k-1)构成：

ec(k)=e(k) -e(k-1)

(2)

输出变量为u(k)，由e(k)、ec(k)及变量Kp、Ki、Kd构成：

(3)

通过偏差和变化率的输入，依据模糊规则得出相应的变化量ΔKp、ΔKi、ΔKd，并和原来设定的PID参数进行相加，得出需要传递给输出的变量Kp、Ki、Kd。

设置湿度偏差e(k)和偏差变化率ec(k)的基本论域分别为[-5，+5]和[-3，+3]，对应的离散论域均为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，则量化因子Ke=3/5=0.8，Kec=3/3=1。设置输出量u基本论域为[0，30]，由于输出量不存在负值，离散论域u设为{0，1，2，3，4，5}，则比例因子Ku=30/5=6。湿度偏差e、湿度变化率ec和变量ΔKp、ΔKi、ΔKd均采用三角隶属度函数，函数曲线见图6。

4.2 模糊PID控制规则

本模糊控制规则建立的原则是在输入偏差e(k)变大的时候向误差减小的方向进行调整，当误差变小的时候要保持系统稳定，尽可能避免出现超调现象，具体规则如下，逻辑控制表见表2。

(1)当偏差e(k)较大时，代表土壤湿度相差较大，应该加快系统调节，加大ΔKp并减小ΔKd使系统快速到达预定的值。为防止系统产生超调，应当取较小的ΔKi值。

(2)当偏差e(k)适中时，代表土壤湿度在向设定湿度值靠近，变化范围不易过大，系统应尽量保持在一个相对稳定的状态下，应当把ΔKp向较小的方向调整，ΔKi、ΔKd取适中值即可。

(3)当偏差e(k)较小时，代表土壤湿度接近设定值，为了增加系统的容错性，应取较大的ΔKp、ΔKi值，为了避免系统发生振荡，ΔKd的取值尤为重要，一般取中等大小。

4.3 simulink仿真

根据所述的模糊PID控制器，运用 Simulink进行仿真，来验证其可行性。由于实际土壤水势曲线为非线性，土壤湿度受多种因素影响，经过查阅文献资料，采用土壤湿度基质变化率的公式来反映变化函数[12]：

Δy= 100 sin (2 πx/400)

(4)

式中：x为经过换算的开阀时间；Δy为土壤湿度变化率。

通过单独 PID 控制器仿真分析，Kp、Ki、Kd的初始值分别为13、0.5、0.1 且Kp取值在[8，18]，Ki取值在[0，1]，Kd取值在[0，0.2]时，系统的控制效果较好。因此输出比例因子ap=18 -13/10=0.5，ai=1 -0.5/10=0.05，ad=0.2 -0.1/10=0.01，变量Kp、Ki、Kd表达式如下：

Kp=0.5ΔKp+13

(5)

Ki=0.05ΔKi+0.5

(6)

Kd=0.01ΔKd+0.1

(7)

表2 模糊PID逻辑控制表

以设定湿度为30%为例，仿真结果如图7所示。发现经过48 s后湿度达到设定值并保持水平，超调量较小，响应时间短，效果优于单一的模糊控制器和PID控制器。

图7 simulink仿真结果

5 系统测试

5.1 系统通讯测试

以组1中关闭的2号从机为例。检测灌溉状态时，发送读取2号从机状态的指令为：

0x02、0x04、0x00、0x04、0x00、0x06、0x31、0xFA。调试工具返回值RX为：

0x02、0x04、0x0C、0x00、0x00、0x00、0x00、0x00、0x01、0x00、0x00、0x00、0x00、0x00、0x1C、0xC7、0xBF。

当土壤湿度值未达到设定值，需要灌溉时，发送开启2号从机电球阀的指令为：

0x02、0x06、0x00、0x04、0x00、0x01、0x09、0xF8。

调试工具返回值RX为：

0x02、0x06、0x00、0x04、0x00、0x01、0x09、0xF8。组态测试效果如图8所示。

图8 系统通讯测试图1

当土壤湿度值达到设定值，需要结束灌溉时，发送闭2号电球阀的指令为：

0x02、0x06、0x00、0x04、0x00、0x00、0xC8、0x38。

调试工具返回值RX为：

0x02、0x06、0x00、0x04、0x00、0x00、0xC8、0x38。组态测试效果如图9所示。

图9 系统通讯测试图2

5.2 节水灌溉测试

根据已搭建好的节水灌溉系统，设定土壤湿度为20%，采用滴灌的方式对某大型盆栽进行实验，土壤湿度传感器插入土壤深度为7 cm，秒表计时100 s，测得数据曲线如图10所示。实验结果表明该节水灌溉系统响应上升时间短，在误差允许范围内超调量较小，具有较强的稳定性和鲁棒性。

图10 土壤湿度测试图

6 结 语

本设计基于模糊PID算法，利用信电共线2线通讯方式和Modbus协议，结合MCGS组态系统，以设定的土壤湿度值作为灌溉的依据，研究并设计了一种节水灌溉智能控制系统。实验证明该系统具有设计合理、安全可靠、性能稳定、操作简单、实用性强等优点。解决了传统灌溉水资源浪费大、安全性差、人机交互能力不强的问题，达到了节水灌溉的目的，在灌溉领域具有一定的实际应用价值。