基于模糊控制的水肥药一体化系统研究_孙宜田

随着我国人口的快速增长和城镇化进程的加速， 溉施肥控制系统，该系统可以自动或人工控制灌溉施 耕地面积减少、水资源匮乏等问题日益严峻。除此以 肥时间和施肥量，实现节水和节肥灌溉［5］。李加念等
外，大水漫灌、过量施肥、滥用农药等现象严重地降低 了水肥药的利用率［1］。近 年来，为提高水资源、肥料
（ 2013 年） 设计了一种基于模糊控制的肥液自动混合 装置，该装置采用粗细 2 级调节的控制策略： 首先，自
定时按比例直接提供给作物，最终实现省水、省肥、省 药、省工和高效的目的［2］。
药一体化系 统，它 由 溉 系 统、注 肥 系 统、注 酸 系 统、施 药系统、混合 系 统 及 控 制 系 统 组 成，每 个 子 系 统 既 可
国外灌溉施肥技术水平较高，与灌溉施肥技术配 独立控制，也可以协同联合作业，即系统可以实现独
套的自动控制系统也较完善和先进，国内的许多学者 立灌溉、灌溉施肥、灌溉施药及水肥药一体化的功能。
在这方面也做了大量研究，且基于模糊控制灌溉施肥 针对系统混肥精度不高的问题，设计了适用于营养液
施药系统成为当前研究的热点。崔天时等（ 2010 年）
混合的模糊控制器； 最后利用 LabVIEW 完成整个系统
当需要灌溉 、施肥 、施 药 同 时 进 行 时 ，系 统 同 时 控 制注水泵、注 肥 泵、注 酸 泵、注 药 泵 的 运 行 状 态，进 行 水肥药一体化控制。当药液对混合液的电解率与 pH 值影响不大时，可将营养液与药液现在一个混合罐中
当系统仅实现灌溉功能时，灌溉水通过灌溉泵进 混合，从而降低成本； 如果药液对混合液的电解率与
和农药的利用率，各级相关部门推广水肥药一体化技 动调节电磁阀 PWM 控制的占空比进行混肥； 然后，采
术，该技术通 过 灌 溉、施 肥、喷 药 的 有 机 结 合，实 现 水 肥药的同步管理和高效利用。
用模糊控制算法进一步细调 PWM 的占空比，使混肥 浓度尽量逼近目标浓度［6］。
水肥药一体化技术的基本思想是： 通过灌溉系统
2015 年 8 月
农机化研究
第8 期
基于模糊控制的水肥药一体化系统研究
何青海，孙宜田，李青龙，孙永佳，沈景新
（ 山东省农业机械科学研究院，济南 250100）
摘 要： 为 了 提 高 目 前 水 肥 药 一 体 化 系 统 的 自 动 化 程 度 ，设 计 了 一 种 智 能 水 肥 药 一 体 化 系 统 ； 针 对 系 统 混 肥 精
肥液浓度控制系统 模糊控制
水肥药一体化系统 控制方案 酸碱量控制系统 逻辑控制
酸碱浓度控制系统 模糊控制 施药控制系统 逻辑控制
控制，执行机构为拖动注肥泵和注酸泵的电动机。 当系统实现灌溉、施药功能时，灌 溉 系 统 和 注 酸
系统启动，运行情况与灌溉施肥相似。由于药液易溶 于水，不会出 现 大 延 迟 的 情 况，所 以 注 药 系 统 采 用 逻 辑控制。
图 3 肥液混合模糊控制器原理图 Fig． 3 Principle of fuzzy controller of liquid fertilizer mixed
本设计中，模糊语言值和论域等级的选取如表 2 所示。
表 2 模糊语言及量化论域表
Table 2 The table of vague language and quantify the domain
图 1 水肥药一体化系统结构图
Fig． 1 Structure of system of irrigation，fertilization and pesticides
1． 2 系统工作原理
入灌溉管道，然 后 依 次 经 过 控 制 阀、流 量 表、压 力 表、
该系统可以工作在多种模式下，并能够实现独立 止回阀、集液器进入混合罐。其中，控制阀、流量表、
V
［－ 6，6］
负大、负小、零、正小、正大（ NB、NS、ZO、PS、BP）
｛ － 2，－ 1，0，1，2｝
K1 = 8 K2 = 4 Ku = 3
选取肥液浓度偏差 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（ BP） ，量化 论域为｛ － 4， － 3， － 2 ． － 1 ，0，1，2，3 ，4｝ ，则偏差 量化因子 K1 = 8； 选取偏差变化率 Δe 的基本论域为 ［－ 1，1］，对应输入变量模糊集 EC 和 E 的模糊集一 样； 输出变量 t 的基本论域为［－ 6，6］，输出变量模糊 集 T 模糊语言选 5 个，分别为负大（ NB） 、负小（ NS） 、零 （ Z） 、正小（ PS） 、正大（ BP） ，量化论域为｛ － 2，－ 1，0， 1，2｝ ，则比例因子 Ku = 4。模糊控制器的输入输出变 量的隶属度函数如图 4 ～ 图 6 所示。 2． 2 模糊控制规划确定
变量
基本论域
模糊语言
量化论域
量化因子
e
［－ 0． 5，0． 5］
负大、负小、零、正小、正大（ NB、NS、ZO、PS、BP） ｛ － 4，－ 3，－ 2，－ 1，0，1，2，3，4｝
Δe
［－ 1，1］
负大、负小、零、正小、正大（ NB、NS、ZO、PS、BP） ｛ － 4，－ 3，－ 2，－ 1，0，1，2，3，4｝
灌溉、灌溉施肥、灌溉施药及水肥药一体化的功能，系 压力表分别通过数据线接入控制箱，并与 DSP 控制器
统工作模式示意图见图 2； 用户可根据实际需求，选用 相连，DSP 控制器通过 CAN 总线与触摸屏相连。触摸
不同的工作方式。由于整个水肥药控制庞大，为了简 屏实时显示灌溉管道中的压力、流量及控制阀的开关
令、监控系统工作及查询系统信息等。
1 系统总体设计
架，实现实时精确灌溉，并可依情况调整设定值，使不 1． 1 系统的组成
收稿日期： 2014 － 08 － 26 基金项目： 山东省现代农业产业技术体系创新团队建设专项（ SDAIT
－ 02 － 022 － 08 ） ； 山 东 省 农 业 重 大 应 用 技 术 创 新 项 目 （ 2013） 作者简介： 何 青 海 （ 1 9 8 6 － ） ，男 ，山 东 东 营 人 ，助 理 工 程 师 ，硕 士 ，（ E － mail） heqinghai1986@ 126． com。 通讯作者： 孙宜 田 （ 1980 － ） ，男，山 东 滕 州 人，工 程 师，硕 士，（ E － mail） sytde@ 163． com。
由于灌溉施肥控制系统复杂，注肥量和注酸量的控制
采用逻辑控制，其执行机构为注肥管道和注酸管道上
的电磁阀，在肥液浓度和酸碱浓度的控制上采用模糊
图 2 系统工作模式 Fig． 2 System working mode
表 1 系统控制方案 Table 1 System control mode
水肥药一体化系统 控制方案 灌溉控制系统 逻辑控制 肥量控制系统 逻辑控制
1． 灌溉管道 2． 压力表 3． 流量表 4． 控制阀 5． 灌溉泵 6． 控制箱 7． 触摸屏 8． DSP 控制器 9． 液位传感器 10． 肥液灌
11． 过滤器 12． 注肥管道 13． 流量表 14． 控制阀 15． 注肥泵 16． 注酸管道 17． 流量表 18． 控制阀 19． 注酸泵 20． 过滤器
工作监控和系统信息查询的功能。
关键词： 设施农业； 水肥药一体化； 模糊控制
中图分类号： S365； TP273
文献标识码： A
文章编号： 1003 － 188X（ 2015） 08 － 0203 － 05
DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.08.046
0 引言
同作物 都 能 获 得 最 佳 生 长 环 境［4］。周 亮 亮 等 （ 2012 年） 介绍一种适合农业温室的基于模糊控制的自动灌
化系统，需要根据各控制系统的特性和实际需要选用 状态，操作员可通过触摸屏设定管内流量及控制阀的
不同的控制方式，模糊控制仅用于肥液和酸液的混合 开关状态，灌溉控制系统控制方式选用逻辑控制。
控制中，而其它子控制系统采用逻辑控制。系统控制
当系统实现灌溉 、施 肥 功 能 时 ，灌 溉 系 统 、注 肥 系
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pH 值影响较大，应另加设单独的水肥药混合罐。
以肥液浓度偏差 e 及偏差变化率 Δe 作为控制器的输
2 模糊控制器设计
入，以注肥泵的拖动电机速度 V 为输出量。输入输出 变量模糊语言词汇的数量一般选择 5 ～ 7 个词汇较为
模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊 合适，语言变量的数量可根据实际情况而定。由于肥
综上所述 ，我国目 前 没 有 一 套 实 用 、科 学 的 产 品 ，
将肥液（ 可溶性固体肥料或液体肥料） 、药液和灌溉水 灌溉、施肥再与施药配合的水肥药一体系统的自动化
均匀、准确地输送到作物的根部土壤，然后把水分、养 程度还很低，灌溉、施肥、施药更没有智能型交互式的
分、药物按照作物全生育周期的需求进行设计，定量、 控制系统。鉴于此，设计了一种基于模糊控制的水肥
水肥药一体化系统由灌溉系统、注 肥 系 统、注 酸 系统、施药系统、混合系统和控制系统等组成，如图 1 所示。灌 溉 系 统 包 括 灌 溉 泵、控 制 阀、流 量 表、压 力 表、灌溉管道及止回阀等； 注肥系统包括液位传感器、 肥液灌、过滤器、注肥泵、控制阀、流量表、注肥管道及 止回阀等； 注 酸 系 统 包 括 液 位 传 感 器、酸 碱 灌、过 滤
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器、注酸泵、控制阀、流量表、注酸管道及止回阀等； 施 药系统包括 液 位 传 感 器、药 液 灌、注 药 泵、控 制 阀、流 量表、注药管道及止回阀等； 混合系统包括电导率传
感器、pH 值传感器、集液器、混合罐、搅拌器、出液管 道及压力表等； 控制系统包括控制箱、触摸屏及 DSP 控制器等。
逻辑推理为基础的一种计算机数字控制，模糊逻辑本 液混合系统延迟大，混合罐中混合方式 （ 如采用搅拌
身提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策 器促进混合） 同样对混合速度产生影响，导致 EC 传感
略的一种系统的推理方法，故能够解决许多复杂并且 无法建立精确的数学模型系统的控制问题［7］。
器检测到值的波动大，因此 e 和 Δe 的模糊语言值和 论域等级不宜过多。
开发一种 基 于 模 糊 控 制 的 温 室 灌 溉 控 制 系 统，采 用 应用软件 的 开 发，可 以 通 过 交 互 式 界 面 输 入 控 制 指
MatLab 工具箱设计模糊控制器，实现了温室灌溉需水 量的模糊决策系统［3］。王智乾等（ 2011 年） 基于 PLC 的模糊控 制 器，构 建 了 一 套 容 温 室 灌 溉 控 制 系 统 框
21． 酸碱灌 22． 液位传感器 23． 注药管道 24． 流量表 25． 控制阀 26． 注药泵 27． 药液灌 28． 液位传感器 29． 电导率传感器
30． PH 值传感器 31． 止回阀 32． 止回阀 33． 止回阀 34 止回阀 35． 集液器 36． 混合罐 37． 搅拌器 38． 出液管道 39． 压力表
2． 1 控制器结构
为了简化模糊控制器结构、降低系统 复 杂 度、提
高控制的稳定性和准确性，肥液浓度（ 电导率） 控制与
酸碱度（ pH 值） 控制分别采用两个双输入单输出的模
糊器分别进行控制。在此，以肥液浓度（ 电导率） 控制
为例说明模糊控制器结构。
在注肥 系 统 中，肥 液 混 合 控 制 采 用 二 维 模 糊 控 制，控制 器 原 理 图 如 图 3 所 示。图 3 中： r 为 目 标 浓 度，e 为浓度偏差，ec 为浓度偏差变化率，y 为实测肥 液浓度，K1 、K2 、Ku 为量化因子。
度 不 高 的 问 题 ，设 计 了 适 用 于 营 养 液 混 合 的 模 糊 控 制 器 ，并 利 用 LabVIEW 完 成 整 个 系 统 应 用 软 件 的 开 发 。 该 系
统 不 但 能 够 实 现 独 立 灌 溉 、灌 溉 施 肥 一 体 化 、灌 溉 施 药 一 体 化 及 水 肥 药 一 体 化 ，而 且 还 具 备 控 制 指 令 输 入 、系 统
方案如表 1 所示。
统和注酸系 统 启 动，与 仅 灌 溉 时 相 似，肥 液 和 酸 液 分
别在注肥泵和注酸泵的作用下进入混合罐，触摸屏实
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时显示，注肥 管 道 和 注 酸 管 道 中 的 流 量、控 制 阀 开 关
状态、肥液灌和酸碱罐液位状态； 操作员也可以通过
触摸屏设 定 各 个 管 道 内 流 量 及 控 制 阀 的 开 关 状 态。