节水控制算法范文

节水控制算法范文（精选4篇）

节水控制算法 第1篇

滴灌是一种现代化的精细高效节水灌溉技术,具有节水、节能和适应性强等特点,相对于地面灌和喷灌而言,其水的利用程度高,约比地面灌节水50%～60%,增产20%～30%,比喷灌节水15%～20%。同时,由于它灌水兼施肥(药),还具有提高肥(药)效和促进作物优质高产的效果[1]。

随着计算机技术和传感器技术的迅猛发展,计算机和传感器的价格日益降低,可靠性日益提高,利用计算机控制滴灌节水灌溉系统不仅是可能的,而且是必要的。利用微机控制滴灌节水灌溉系统可对不同土壤的湿度进行监控,并按作物对土壤湿度的要求进行适时和适量灌水,可提高操作的准确性,有利于灌溉过程的科学管理,降低对操作者本身素质的要求。除了能大大减少劳动量外,更重要的是能准确、定时、定量和高效地给作物自动补充水分,以提高产量和质量,且节水、节能。控制系统的上位机可采用普通PC机,后台软件采用力控ForceControl,下位机采用牛顿7000系列智能模块。针对土壤湿度难以用精确数学模型描述的特点,控制算法采用模糊控制理论,而力控ForceControl中没有模糊控制算法,需自行开发。本文主要介绍采用 VC++ 语言编写ActiveX 控件嵌入到 ForceControl 中进行实时控制,为组态软件开发了模糊控制算法功能。实践证明,该控件在实际控制中有很好的控制品质。

1 模糊控制算法实现

1.1 模糊控制算法

在灌溉中,土壤湿度是决定作物灌溉与否的重要指标,以土壤湿度的误差e及误差变化率ec作为输入变量,系统采用双输入单输出模糊控制,其结构框图如图1所示。

要实现模糊控制算法必须解决以下3个问题:

1) 将通过传感器及A/D转换后的精确数字量予以模糊化;

2) 根据专家的经验制订出模糊控制规则,并进行模糊推理;

3) 将模糊推理得到的模糊输出量解模糊判决,得到精确的数值量以控制执行机构。

考虑到节水灌溉实际条件和控制精度,分别定义模糊化后的误差E、误差变化率EC和控制量的变化U的模糊语言变量,分为7级,即{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},其量化等级为

E={-3,-2,-1,0,1,2,3}

EC={-3,-2,-1,0,1,2,3}

U={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}

若精确量的实际变化范围为[a,b],将[a,b]区间的精确量转换为[-3,3]区间变化的变量Y,采用如下公式

undefined

由上式计算的Y值若不是整数,可以把它归入最接近于Y的整数,从而得到相应的等级值E和EC的模糊量,从而把精确量转化为模糊量。

根据农业部门长期对节水灌溉实践的总结,建立合适的隶属度及模糊规则表,计算可得模糊控制表,如表1所示。

1.2 ActiveX控件开发

ActivX控件是一个软件组件,可以把它插入许多不同的程序,并把它当作程序自身的一部分来使用。ActivX技术建立在微软的COM技术上,使用COM的接口和交互模型使ActivX控件进行无缝的集成[3]。ActivX控件具有可移植性、扩展性强和使用广等特点,大多数监控组态软件都支持这一技术。Visual C++6.0 以其功能强大、实时性强及与硬件接口方便等特点脱颖而出,一出现便受到广大软件设计人员的青睐,纷纷将其作为设计开发Windows 应用程序的首选语言。使用VC编制ActiveX 控件,可利用 VC 中的 MFC ActiveX ControlWizard 作为向导。它能完成程序的基本框架,自动生成控件所需的基本代码,设计者只需在框架中编写自定义的代码就能完成工作,大大减少了编程的难度。具体的实现步骤如下:

1) 利用 MFCActiveX ControlWizard 创建一个工程,向导自动为控件建立了一个程序框架。

2) 设计控件的外观。在 Ondraw 函数中可以方便地绘制控件的外观,也可以通过画笔和画刷画出控件外观。

3) 添加属性、方法和事件。在 MFC ClassWizard 的 Automation 中选择控件类,单击Add Property 添加属性,单击 Add Method 添加方法,在 ActiveX Events 中单击 Add Event 添加事件。

4) 编辑属性页。属性页可以允许用户浏览和更改ActiveX 控件的属性值,这是控件与容器之间数据交换的主要界面,如图2所示。

用户使用控件的属性对话框访问这些属性。属性对话框中包含一个或多个属性页,提供给用户一个浏览和编辑控件属性的图形化界面。在工作区的 Resouce View标签中双击 Dialog条目,打开显示属性页的对话框,并在对话框中设计属性页的外观,控制属性名称、类型和初值如表2所示。

自定义 DoDataExchange 函数,其作用是连接属性页中的属性值和控件程序中的属性值。同时,还要在 DoPropExchange 函数中手工添加 PX_functions 来序列化自定义属性,实现属性的持久性,从而保证用户在设计程序时可以使用控件的属性设置。其代码如下:

5) 设置属性页的激活方式。它决定了其在使用控件时打开属性页的方式。在 MFCClassWizard中单击 Message Maps,为属性页类映射 WM_RBUTTONUP(单击右键)消息,并在其OnRButtonUP 函数中添加代码如下:

这样,当右键单击控件时,就会弹出属性页面。

6) 编写控制算法代码。为控件类映射 WM_CREATE消息,并在生成的 OnCreate 函数中添加 SetTimer(1,m_Time,NULL)函数,为控件定义一个定时器(m_Time 为一个定义周期的属性变量值),然后为该类映射一个 WM_TIMER 消息,在生成的 OnTimer 函数中写入算法代码,从而形成了一个以 m_Time 为采样周期的控制算法模块。控制算法的流程图如图3所示。

7) 控件的注册。要使用控件,就必须在系统中进行注册。

2 模糊控制算法在组态中的应用

2.1 ActiveX控制在组态软件中的应用

将前面生成的控件嵌入到力控中,步骤为:选择 Draw 菜单命令“插入控件”,选择已在 windows 中注册的控件,单击“选择”完成。这时,控件已经成为组态软件的一部分,可随时被调用。

控件被嵌入后,在使用时还要与组态软件进行数据链接,使现场数据能传送给控件模块,同时经过控件算法模块计算出的控制量也能传送给现场。

现场数据可以设置成组态软件数据库中的点,控件与现场数据的链接也就是与数据库中点的链接。首先,设计与实际设备一致的组态画面,从特殊功能菜单下的控件连接主对话框,选择“杂项/一般动作”。打开如图4 所示的 ActiveX 事件脚本编辑器,在控件的脚本编辑器中可以查看控件中的属性、方法和变量,并可通过编辑脚本语言来使用。在脚本编辑器中编辑脚本语言,完成数据库中所建的 I/O 点的值与控件数据的交换。

2.2 模糊控制算法的仿真

为了将模糊控制算法应用到生产现场中,必须在仿真环境下对算法进行分析和研究。Matlab是过程控制研究人员常用的一种仿真软件,用该软件进行复杂的设计效率很高[4]。先将算法编写成 S 函数模块,对算法在 Simulink 中进行仿真研究,验证算法的性能。图5中,曲线1为测量值,曲线2为给定值。

3 结束语

模糊控制ActivX控件在实际控制中具有很好的控制品质,具有超调小、调节时间短、稳定性好、响应速度快和鲁棒性好等特点,实现了对对象的实时控制。此技术已在河北省黄骅市南大港农场滴灌节水系统中使用。实践证明, 该技术具有可靠性高、实时性强和成本低等优点,具有很好的应用前景。

摘要：介绍了模糊控制算法生成ActiveX控件的实现方法,并将其嵌入到ForceControl监控组态软件中,为组态软件开发了先进控制算法功能。此技术已在河北省黄骅市南大港农场滴灌节水系统中使用。实践表明,模糊控制ActivX控件在实际控制中具有很好的控制品质具有超调小、调节时间短、稳定性好、响应速度快和鲁棒性好等特点,实现了对对象的实时控制。

关键词：滴灌,模糊控制,ActiveX控件,组态

参考文献

[1]山宝琴,刘亚锋.现代农业科技革命与我国节水农业的发展[J].安徽农业科学,2007(19):92-93.

[2]马国华.监控组态软件及其应用[M].北京:清华大学出版社,2001:120-125.

[3]侯北平,卢佩.自适应模糊PID控制器的设计及基于MATLAB的计算机仿真[J].天津轻工业学院学报,2001(4):32-35.

[4]张化光.智能控制基础理论及应用[M].北京:机械工业出版社,2005:97-99.

节水灌溉自动控制检测系统 第2篇

随着地球可用水资源的日益减少,我国很多地方出现了用水紧张的问题,所以节水成为我们日常生活所关注的话题之一。作为农业大国,我们更加关注农业方面的水资源问题,针对农业用水紧缺且存在严重浪费的现象,我们采取了一系列的措施来解决这一问题,尤其是在日常大棚生产这一领域中,节水灌溉成为了人们倍为青睐的一种缓解水资源紧张这一局面的形式。随着日新月异的高速科技发展,自动化也慢慢融入了人们的生活之中。本设计就对土壤湿度采集、比较实现了对大棚灌溉设备的自动控制和对数据的实时监测分析,这样不仅节省资金、缩短工作时间,而且有益于提高水的利用率从而缓解缺水现状。因此研究节水灌溉自控系统有着非常重要的现实意义。

1 方案设计与论证

通过分析任务,对于设计要求主要有两个,其一节约水,其二实现系统自控。对于节水我们采取的方法是用对土壤即植物根部含水量的测量结果与预先了解的作物需水量相比较来决定灌溉与否,对于自控我们采取的方法是控制器通过光隔实现对继电器的控制,从而实现对灌溉设备的控制。从整体来看,为了达到设计要求,我们将系统分为采集处理部分、主控制器、监测部分、灌溉控制部分和其他部分。具体设计如图1

2 单元电路及分析

对土壤的含水量即湿度,首先我们要进行测量,目前在市场上测量湿度的方法主要有中子衰减法、张力计测湿法、介电法速测法。由于电容式传感器测量精度高、量程宽、响应速度快、容易实现小型化和集成化且适合于在线监测,这里我们就应用电容式传感器即采用介电法速测法对土壤湿度进行采集,即构成了采集处理部分。

我们知道不同农作物会有不同的需水量,为了达到自动化的设计要求,采集成功之后,就是根据采集结果设计程序来控制灌溉与否。传统的设计方案是直接将采集结果与湿度预置值相比较,然后再控制灌溉部分进行相应操作。因为在应用中湿度不能过大或过小,所以我们设计了如图所示的另一种方案。与传统方案相比,此方案更为简洁,将采集结果直接与湿度的上限值和下限值相比较,使得湿度范围相对增宽,从而更有利于下一步的处理。

对于核心部分主控制器,它完成的主要工作即上述的比较过程和自动化的相关程序控制等,这里我们用AT89C51单片机构成主控制器,在程序中既要设定预定值完成比较工作,又要通过通讯接口连接到上位机,由上位机记录并完成数据的相关分析,当然其也要完成其他程序的设计工作。

上述比较结果完成后,接下来就是对灌溉系统的控制。控制部分主要有光电隔离、继电器和电磁阀,光隔的作用主要是通过“电—光—电”的转换,实现单片机对灌溉系统的单向控制操作,继电器作为用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”,这里我们用其与电磁阀设计成浇水设备的开关,从而实现此动作的自动化。

除了以上部分,在设计的同时我们还加入了报警装置和空气中的湿度对单片机主控制器的反馈部分。其中反馈部分主要由空气湿度传感器和A/D转换组成,湿度传感器用来采集空气的湿度,然后此数据通过A/D转换器传递给单片机,单片机结合所采集的土壤湿度对灌溉控制部分进行暂缓灌溉的操作,当然在主控制部分我们亦可以根据作物需水量不同,在程序中根据具体比较结果来设定灌溉时间的长短;报警电路的功能是当在以上自动控制的程序发生故障或浇水设备损坏时,蜂鸣器发出警报,从而警告工作人员进项相关维修工作。

3 结论

节水控制算法 第3篇

城市绿地可以起到净化空气、吸滞粉尘、调节和改善小气候以及美化环境的作用。随着我国城市化进程的加速发展、城市建设的日新月异,城市绿地灌溉的需水量也越来越多。目前,多数城市绿地依然采用自来水进行灌溉,这对日益紧张的城市供水更是雪上加霜,加剧了城市自来水的供需矛盾。因此,采用高效的灌溉方式势在必行。本文提出了一种能够充分利用气象预报信息的绿地智能灌溉控制系统,该控制系统通过无线通信接口接收、识别气象预报信息,再根据天气的未来降雨概率、雨量等气象信息,以及传感器检测到的土壤的湿度等环境因素,通过模糊决策决定灌溉与否及灌溉量,从而达到智能节水灌溉。同时,本控制系统还利用降雨概率、气温、风速等天气预报信息,对控制器进行不定期唤醒,以达到节电的目的。

1 系统设计

1.1 设计原理

城市绿地灌溉模糊控制系统原理框图,如图1所示。

1.2 系统组成

城市绿地灌溉模糊控制系统由硬件和软件两大部分组成,硬件负责数据的采集和电磁阀的控制,软件负责整个系统的正常运行。

1.3 硬件设计

控制器采用MCS51系列单片机89C51为核心,采用西门子公司的T35作为气象预报信息的GSM短信接收模块,与单片机串行口相连;采用南京传滴仪器设备有限公司生产的FJA-10型压电式水势变送器,输出电压0~5V,通过A/D转换后得到土壤水势数字量;控制阀采用PWM方法调节单位时间的灌水量;辅以X25045、键盘、显示等外围芯片构成。控制器硬件构成,如图2所示。

下面重点介绍GSM短信通讯模块的接口电路,其框图如图3所示。T35的瞬间峰值电流可达到2A,因此电源容量要足够,在系统中采用了大容量的电容来满足供电要求。T35数据接口工作在CMOS电平,可直接与单片机串行口连接。T35通过40芯ZIF与单片机、SIM卡相连,ZIF提供控制线、数据线、电源线等接口,ZIF连接器提供6个引脚给SIM卡接口。其中,CCIN用来检测SIM卡是否插好;CCVCC给SIM卡提供电源;CCCLK为时钟脉冲信号;CCIO为数据传输线。系统加电后,为使T35进入工作状态,必须给IGT加一个延时100ms的低脉冲,电平下降时间不超过1ms。启动后,IGT应保持高电平。本控制系统采用当前大多数手机使用的PDU Mode来接收短信息,接收之后通过PDU解码,获取短信内容。

1.4 软件设计

控制器软件主要包括监控程序、定时检测控制程序等部分。其中,监控程序完成系统的参数设置、显示等功能,结构框图如图4所示。

根据气象预报信息计算检测控制程序下一次被执行的时间,完成土壤水势的检测,并将之和气象预报信息的雨量信息进行模糊化处理、模糊推理、解模糊化,输出被控制量(灌溉时间),程序框图如图5所示。

2 结论

本城市绿地模糊灌溉控制系统充分利用了现今比较准确的气象预报信息,将未来的降雨概率、雨量与传感器检测到的湿度等环境因素相结合。同时,采用模糊控制决策来决定灌溉控制系统的灌溉与否及灌溉量,并利用未来天气的降雨概率、雨量、气温、风速等气象预报信息,采用对模糊控制器不定时唤醒策略。因此,该控制系统节电,且克服了传统灌溉依靠模型计算绿地需水量的缺陷,特别适用于大型公园、高尔夫球场的灌溉,具有良好的应用前景。

参考文献

[1]张兵,袁寿其.作物需水量模糊决策系统的设计与研究[J].农机化研究,2003(4):117-119.

[2]吴晓莉,林哲辉.MATLAB辅助模糊系统设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.

[3]孙庚山,兰西柱.工程模糊控制[M].北京:机械工业出版社,1995.

[4]江明,陈其工,晏行芳.基于模糊控制的精确灌溉系统[J].农业工程学报,2005(10):17-19.

[5]茆智,李远华,李会昌.实时灌溉预报[J].中国工程科学,2002(5):24-32.

[6]Zhang Q,John,Ken T.Application of Fuzzy Logic in an Irrigation Control System[C]//Pr-oceedings of The IEEE International Confere-nce on Industrial Technology,1996.

节水控制算法 第4篇

我国水资源短缺,利用率低,水浪费严重,供需矛盾突出,严重制约我国社会经济的发展。解决水资源短缺问题最根本的出路在节水,建设节水型社会是新农村建设发展节水的根本途径。我国水资源总量并不算少,但是人均水资源量仅是世界平均数的26%,而灌溉用水量偏多是多年存在的一个突出问题。因此要节约用水,合理灌溉,发展节水农业。要做到这些,深入了解作物蓄水规律,掌握合理灌溉的时期、指标和方法,实行科学供水是非常重要的。

近几年来,随着我国设施农业以及温室大棚的蓬勃发展,水的需求量日益增加,加之我国是一个水资源短缺的国家,尤其是西北干旱半干旱地区,节水灌溉工程已成为国民经济可持续发展的一项重要战略任务。发展节水灌溉对于缓解水资源紧缺矛盾、扩大灌溉面积、实现“两个转变”、可持续发展战略、提高农业综合生产能力具有十分重要的意义。节水灌溉的基本原则就是用少量的水取得最大的效果,而合理的灌溉是农作物正常生长发育并获得高产的重要保证,可取得良好的生理效应和生态效应,增产效果显著。国外一些喷灌系统设备结构复杂、成本较高,其安装和维护过程都很复杂,不适合在我国使用。

我国制造的喷灌设备成本相对低廉,但是由于绝大多数采用的是普通继电器控制系统,调试与维护困难,灵敏度不够高,不能实现定时定量喷灌,其产品市场占有率很低[1,2,3,4,5,6,7]。PLC具有体积小、功能强、编程简单、可靠性高和组装灵活等优点,广泛应用于国防、电力和通讯等领域,但在农业领域很少应用。可编程控制器(PLC)应用在节水灌溉控制工程设计中能够简化硬件结构,具有提高可靠性、增加灵活性和适用于各种环境条件下运行等优点,并且在系统硬件组成不变的情况下,通过更改软件设置来适应多种运行方式的需要,是传统继电器控制的理想替代品,尤其在农田水利系统的小型泵站中可实现无人值守或半无人值守,具有广阔的应用前景和使用价值[8,9,10]。

1 系统要求

1.1 技术要求

我国把节水灌溉作为国民经济可持续发展的一项重要措施和战略任务,研制和推广节水灌溉控制新技术是实现农业现代化的需要,同时也是建设和保护干旱、半干旱地区生态环境的一条重要途径。PLC是在传统电气控制的基础上发展而来的,它将继电器、接触器控制系统的优点与计算机控制系统的编程灵活、功能齐全、应用面广和计算功能强大等优点结合起来,并且汇集了超大规模集成电路的众多优点,把它应用在节水灌溉控制系统中,能够简化硬件结构,提高可靠性,增加灵活性,可收到人们常说的“以软(件)代硬(件)”的效果。基于PLC的自动喷灌控制系统是将自动控制与喷灌系统有机地结合起来,使喷灌系统在无人干预的情况下通过控制器按规定的程序自动进行喷灌。为了达到节水的目的,灌溉区域采用分组轮灌,其灌水量的控制要求采用自动灌溉控制系统,按序开关各小区的供水电磁阀,达到既节省人力又使灌溉时间控制准确和提高灌溉质量的目的。

1.2 节水灌溉自动控制系统的功能要求

可编程控制器是以微处理器为基础,综合了计算机、自动控制和通信等技术的一种新型通用工业控制装置,它具有结构简单、编程方便和可靠性高等优点,已广泛应用于工业生产过程和装置的自动控制中,成为工业控制的主要手段和重要的基础控制设备之一。由可编程控制器构成的节水灌溉自动控制系统根据植物生长、研究的特点和要求,系统需要提供以下控制功能。

1)实现喷灌自动化,利用其自带的PID功能指令及其扩展功能模块实现系统对农作物喷灌的自动控制,基本上实现了“无人值守”灌溉,大大节省了人工劳动。

2)自动控制系统对作物进行灌溉时,遇到阴雨天会自动停止灌溉。灌溉不仅受时间控制,而且要求在软件中有湿度、温度控制功能,即温湿度达到某一控制点时改变运行程序,这样与传统的灌溉机械系统相比更为节水。本系统用传感器电路测量湿度和温度。当湿度达到设定值时,自动停止灌溉;当温度低于0℃时,自动停止灌溉,从而减少了水的浪费。

3)手动和自动控制功能。考虑到系统的可靠性和经济性,要求系统有手动和自动控制功能。系统在自动(或手动)工作方式时,能自动(或手动)控制供水水泵的运行与停止。

4)在系统硬件组成不变的情况下,通过更改上位机组态软件设置,来适应多种运行方式以及作物不同生长期的需要,适应不同运行环境的需要(如农田、果林、草场、温室大棚、草坪和沙床苗圃等),并且可以选择不同的灌溉方式(喷灌或者滴灌等)。

5)可编程控制器(PLC)和控制计算机实现通信,通过MCGS和组态王等组态软件开发设计,实现上位机控制界面,足不出户就可以控制整个系统,并且监控整个设备的运行状态。根据作物的需水规律及其整个生命状态实时调整程序的参数进行,以适应作物不同生长期对水和矿物质的需求。

6)对断电、断水等情况加以考虑,使系统具有较高的安全性。采用PLC程序控制,相比继电器控制系统,提高了可靠性,减少了维护工作量。

喷灌工作由系统在无人看守的情况下自动完成,具体要求为:启动后,系统白天喷水,晚上停止。当土壤湿度达到一定值时,自动停止喷水;少于一定值时,自动喷水;雨量超过一定值时,系统会自动停止喷水报警。遇断水情况,为了不使水泵空转,须有断水保护和报警;当系统突然断电,有断电保护功能,来电后系统恢复运行。既可远喷,又可近喷,且系统还具有手动控制功能。另外,要求本系统成本较低,可靠性高,适于野外环境。

2 系统设计

2.1 总体设计

在国内外有许多类似的控制系统设计,但由于采用的是单片机或微型机控制,其接口及程序设计复杂,且抗干扰能力差,而由PLC构成的控制系统具有设计简单、编程方便和系统抗干扰能力强等特点。此控制系统设计可以充分发挥现有的节水设备作用,优化调度,提高效益,通过自动控制技术的应用,更加节水节能,降低灌溉成本,提高灌溉质量,使灌溉更加科学、方便,提高管理水平。

目前,在一些大型的灌区采用一种用组态软件开发出的节水灌溉远程自动控制系统,但其经济因素及适用性和针对性对中小型的温室大棚而言并不适用。本文研究了在节水灌溉自动控制系统中以PLC作为控制核心,通过PLC的RS232口与管理机通信,以实现集中化管理。PC机作为上位机对其进行定期的数据收集、存储以及进行一定程度的监控和数据设定,并且能实现灌溉的定时定量控制和循环控制。PC上位机主要完成系统时间的设定、灌区灌溉时间的设定和实时监视灌区电磁阀的运行状态。基于此,设计选型时采用一般的个人计算机作为上位机。PC机价格适中,操作简单方便,内存大,人机界面友好,且带有标准的RS-232通信接口,易于和外围设备相连。根据本系统所要实现的功能,用一般的个人计算机完全满足要求,控制系统结构图如图1所示。

节水灌溉自动控制系统可以通过调整硬件的配置,来满足中小规模的温室中灌溉的要求或者其他灌溉外部环境的要求。同时,系统能够在出现异常情况时进行报警(比如湿度、温度、土壤当中的营养物质浓度和天气的变化等),并从终端传输到上位机上,显示在仿真控制界面上,以提醒工作人员。上位控制计算机能够根据环境(植物的需求、土壤的性质)的变化对软件程序参数进行实时的调整,从而达到在最大限度节约水资源的同时满足作物生理需求和提高产量的目的。

2.2 系统硬件选型

2.2.1 主机的选择

可编程控制器的种类和型号可以根据系统的大小和稳定性的要求进行调整。三菱、西门子、欧姆龙的小型机一般可以满足要求,但在稳定性要求特别高时,也可以选择施耐德或者A-B可编程控制器。主机的型号根据其具体的输入输出点的多少进行选择。

2.2.2 其他设备的选择

除了主机之外,水泵、电磁阀、传感器等其数量和性能指标都要根据具体的灌溉环境进行选择,使系统的稳定性和可靠性得到保证,如此才能保证在节约水资源的同时,作物一直处于良好的生长环境当中。硬件设备的选择如表1所示。

2.3 下位机软件的设计

2.3.1 PID指令

此系统的软件主要是可编程序控制器(PLC)的系统控制程序,使农作物喷灌系统在PLC的控制下实现自动控制。为了能够实现对农作物喷灌的精确控制,此控制系统的软件程序利用了可编程序控制器(PLC)中的PID控制。因此,在进行软件设计说明之前,先介绍一下PLC的PID控制。

2.3.1. 1 PID控制系统

控制系统结构如图2所示。

该系统主要由PID控制器和被控对象所组成,而PID控制器则由比例(P)、积分(I)、微分(D)等3个环节组成,它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成的偏差信号e(t),并将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制,故称PID控制器。PID控制器的数学模型可以表示为

式中u(t)—控制器的输出;

e(t)—控制器的输入,它是给定值和被控对象输出的差,称偏差信号;

KP—控制器的比例系数;

TI—控制器的积分时间;

TD—控制器的微分时间。

简单来说,PID控制器各校正环节的主要控制作用如下:

1)比例部分。

比例作用的引入是为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号,以最快速度产生控制作用,使偏差向减小的趋势变化。比例部分数学表达式为Kpe(t),比例系数KP的作用在于加快系统的响应速度,提高系统的调节精度。KP越大,系统的响应速度越快,但将产生超调和振荡,甚至导致系统不稳定,因此KP值不能取得过大;如果KP取值较小,则会降低调节精度,使响应速度缓慢,从而延长调节时间,使系统动静态特性变坏。故而比例系数KP的选择必须适当,才能使过渡时间少,静差小而又稳定。

2)积分部分。

积分作用的引入主要是为了保证被控量在稳态时对设定值的无静差跟踪。积分部分数学表达式为由此表达式可以知道,只要存在偏差,则它的控制作用就会不断增加。只有在偏差e(t)=0时,它的积分才会为一个常数,控制作用才是一个不会增大的常数。可见,积分部分的作用可以消除系统的偏差。积分时间常数TI对积分部分的作用影响极大。当TI较大时,积分作用较弱,系统的过渡过程不易产生振荡,但是消除偏差所需的时间较长;当TI较小时,积分作用较强,这时系统过渡过程中有可能会产生振荡,但消除偏差所需的时间较短。

3)微分部分。

微分作用的引入主要是为了改善闭环系统的稳定性和动态响应的速度。微分作用使控制作用于被控量,从而与偏差量未来变化趋势形成近似的比例关系。微分部分的数学表达式为由此表达式可以知道,微分部分的作用强弱由微分时间常数TD决定。TD越大,则它抑制e(t)变化的作用越强;TD越小,则它反抗e(t)变化的作用越弱,它对系统的稳定有很大影响。

在以微处理器为硬件核心的控制系统中,由于是以采样周期对输入和输出状态进行实时采样,故它是离散时间控制系统。在离散控制系统中,PID控制采用差分方程表示,即

式中k—采样序号,k=0,1,2,…;

u(k)—第k次采样时刻的计算机输出值;

e(k)—第k次采样时刻输入的偏差值;

e(k-1)—第(k-1)次采样时刻输入的偏差值;

为了避免在求取控制量u(t)时对偏差求和运算,在实际应用中通常采用增量式,即

△u(k)=Kp△e(k)+KIe(k)+KD[△e(k)-△e(k-1)]

2.3.1. 2 实现PID控制的方法

1)使用PID过程控制模块。

在这种模块中,包含A/D转换器和D/A转换器,PID控制程序是可编程序控制器厂家设计的,并存放在模块中,用户在使用时只需设置一些参数,使用起来非常方便,一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块的价格昂贵,一般在大型控制系统中使用。

2)使用PID功能指令。

现在有很多可编程序控制器都有供PID控制用的功能指令(如三菱、西门子和欧姆龙都有PID指令),实际上是用于PID控制的子程序,与模拟量输入/输出模块一起使用可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果,但是价格要便宜得多。

3)用自编的程序实现PID闭环控制。

有的可编程序控制器没有PID进程控制模块和PID控制用的功能指令,有时虽然可以使用PID控制指令,但是希望采用其他的PID控制方法。在上述情况下,都需要用户自己编制PID控制程序。

如果将反馈信号送给PLC的模拟量输入模块,用PLC实现PID闭环控制,用D/A转换器输出的模拟信号作为变频器的频率给定信号,需增加PLC的模拟量输入模块和模拟量输出模块,将会增加硬件成本。

PID闭环控制要求可编程序控制器具有较强的算术运算功能、较高的指令执行速度和较大的用户程序存储器容量,最好选用像FX2N这种高性能价格比的小型可编程序控制器或大中型可编程序控制器[11,12]。

2.3.1. 3 可编程控制器(PLC)的PID功能指令

在学习PLC的PID功能指令前,应先了解PLC闭环控制系统结构图,如图3所示(注意字母所代表的量,有助于理解指令)。

由图3可知,PID回路运算由给定值SV、当前测量到的反馈值PV和运算结果MV组成。其中,源操作数、目标操作数和控制参数均存放在数据寄存器中。PID指令用于闭环模拟量控制,在PID控制开始之前,应使用MOV指令将参数设定值预先写入数据寄存器中。如果使用有断电保持功能的数据寄存器,还需要重复写入。如果目标操作数[D]有断电保持功能,应使用初始化脉冲的常开触点将它复位。

数据寄存器分别用来存放采样周期TS、动作方向、输入滤波常数α(0%~99%)、比例增益KP、积分时间TI、微分增益KD(0%~100%)和微分时间TD。PID运算的内部处理、输入输出变化量增加、减少的报警设定值和报警输出同样需要数据寄存器。

PID指令可以在定时中断、子程序、步进梯形指令和转移指令中使用,但是在执行PID指令之前必须使用指令将相关数据寄存器清0。在执行PID运算之前,必须将正确的反馈量读入PV中,对模拟量的输入值进行PID运算时,要注意转换时间。在执行PID指令之前,先要设定相关的控制参数,并写入数据寄存器中。控制参数的设定和PID运算中的数据出现错误时,“运算错误”标志为ON,同时将错误代码放入数据寄存器中。

2.3.2 软件程序参数的调整

合理灌溉是农作物正常生长发育并获得高产的重要保证。作物是否需要灌溉以及灌溉量的多少可依据气候特点、土壤墒情、作物的形态、生理形状和指标加以判断,不同作物、不同品种和不同生育期对肥料要求也不同。因此,软件程序当中的设定值应该根据作物对水分和肥料的需求做出及时的调整,以保证作物的正常生长,并实现合理灌溉,合理施肥,从而提高产量。

首先,不同作物对水分的需求量不同,同一作物不同生长期对水分的需求量不同。一是种子萌发到分蘖前期,消耗水最多;二是分蘖末期到抽穗期,消耗水最多;三是抽穗到乳熟末期,消耗水最多,缺水会严重减产;四是乳熟末期到完熟期,消耗水较少,如此时供水过多,反而会使小麦贪青迟熟,籽粒含水量增高,影响品质,作物的水分临界期(植物在生命周期中对水分缺乏最敏感、最易受伤害的时候)不同。

其次,在不同生育期施肥对生长的影响不同,对增产效果有很大的差别。其中,有一个时期施用肥料的营养效果最好,这个时期被称为植物营养最大效率期。一般作物的营养最大效率期是生殖生长时期。施肥的目的是为了满足作物对矿质元素的需要,肥料要施得及时合理。首先,应了解作物需肥规律,方能达到预期效果。不同作物或同一作物的不同品种需肥情况不同,作物不同需肥形态不同,同一作物在不同生育期需肥不同,如表2所示[13]。因此,要针对作物的具体特点,进行合理施肥。作物整个生命周期当中可能会需要很多种矿质元素,但对其起决定作用的就一种或几种,如苦瓜受锌钼影响最大,生姜受限于锌的水平,苹果的品质受限于钙的水平等。

要合理施肥,就要全面掌握土壤肥力和植物营养状况。有了这两方面的资料,方能根据土壤肥力,配施适量基肥,并根据各生长阶段的营养状况及时追肥。土壤营养丰缺指标、作物营养丰缺指标,作物营养丰缺指标又包括形态指标(长相和叶色)和生理指标(体内养分状况、叶绿素含量、酰胺和淀粉含量及酶活性)。

植物对矿元素的吸收受环境条件的影响,其中以温度、氧气、土壤酸碱度和土壤溶液浓度的影响最为显著,即土壤的水分将影响施肥的效果。合理施肥与合理灌溉是相辅相成的,温度、通气状况、土壤溶液浓度及土壤p H等所有的参数指标都将通过传感器测量之后传送到控制计算机,经过处理之后自动调整软件程序当中的相关设定值,并及时报警,提醒工作人员何时施肥、施什么样的肥(有机还是无机)和施哪种肥料(二胺、尿素或碳酸氢铵)。

只有及时根据气候特点、土壤墒情、作物的形态、生理形状和指标在线自动调整设定值,才能实现合理灌溉和合理施肥,如此才能达到最大限度的节约水资源,并且实现增产的目的。

3 系统上位机组态界面的设计

该系统中上位机采用组态王软件,它是新型的工业自动控制系统,具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济和开发周期短等优点,具有便捷的计算、图形、动画、监控和操作能力,有着强大的数据管理能力,而且它能充分利用Windows的图形编辑功能,方便地构成监控画面,并以动画方式显示控制设备的状态,具有报警窗口、实时趋势曲线等,可便利地生成各种报表。同时,它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式以及数据链接功能,便于和PLC连接构成专业化的控制系统。组态技术在节水灌溉控制系统中的应用能够形成可视化人机界面,并能够对灌溉的运行情况进行实时、有效、便捷的监控。同时,组态王软件具有良好的扩展性和设备硬件无关性,能够根据不同的现场控制需要方便快捷的建立动画画面和监控系统以及形成各种数据报表。因此,利用该系统的监控功能,可以合理地指导农民进行科学的灌溉,达到粮食增产的目的。

4 灌溉方式的选择

水是生命的“先天”环境,没有水就没有植物,而植物对水的需求又与其新陈代谢、抗逆性蒸腾作用的强弱有密切的关系。灌溉的基本原则就是用少量的水取得最大的效果。要进一步发挥灌溉的作用,就要掌握作物的需水规律。作物需水量因作物种类、生长发育时期不同而有差异。合理灌溉则要以作物需水量和水分临界期为依据,参照生理指标制定灌溉方案,采用先进的灌溉方法及时地进行灌溉,方能取得良好的生理效应和生态效应,增产效果显著。

漫灌是我国目前应用最为广泛的灌溉方法,其最大缺点是造成水资源的浪费,还会造成土壤冲刷、肥力流失、土地盐碱化等诸多弊端。近些年来,喷滴灌技术的研究应用已遍及全国。所谓喷灌,就是借助动力设备把水喷到空气成水滴降落到植物和土壤上。这种方法既可解除大气干旱和土壤干旱,保持土壤团粒结构,防止土壤盐碱化,又可节约用水。所谓滴灌,是通过埋入地下或设置于地面的塑料管道网络,将水分输送到作物根系周围,水分(也可添加营养物质)从管上的小孔缓慢地滴出,让作物根系经常处于良好的水分、空气和营养状态下。

5 结论

1)该系统实现了农作物喷灌的自动控制,提高了系统的可靠性。

2)本系统能通过对土壤湿度、土壤温度、降雨量以及气候的变化来自动实现对农作物喷灌量和喷灌时间的控制。

3)可编程序控制器(PLC)的PID功能能够实现对系统的精确控制。

4)本系统造价低廉、可靠性高、能耗低,并且调试维护简单、灵敏度较高,可以替代传统的继电器控制系统,具有广阔的应用前景和使用价值。

5)实现了PLC与上位机的通信,上位机组态软件可以采集测量设备所测量到的参数。上位机以此为依据向喷灌区可编程序控制器发出控制指令,对农作物按照控制要求进行喷灌。同时,能自动连续地检测各喷灌区的实际工作情况和控制设备(电磁阀及水泵)的运行状态,并将设备的实际工作情况以信息的形式显示在组态界面上。

6 展望

1)喷灌的原理、喷头和喷灌的角度还需深入研究。当整个控制系统根据具体的环境和土质设计完成之后,灌溉管道的铺设就成为主要工作。灌溉方式的选择将影响整个系统的成本。喷灌还是滴灌要根据具体的灌溉环境而定,而具体如何实现才能最大限度的节省原材料要由灌溉区域的地形和面积的大小计算而定,如喷灌时急需要选定喷灌角、旋转角以及喷头的架设高度。在能满足整个系统要求的前提下,最大程度地节省原材料,从而使整个系统的经济性得到发挥。

2)如果将现代虚拟技术、传感器技术和地理信息技术等引入到灌溉信息自控系统中,进一步提高了灌溉节水效率同时,应用各类算法模型、数据处理方法能为灌溉控制提供预测决策的支持功能,提高政府的宏观决策能力,实现智能灌溉控制。

参考文献

[1]杨培.黑龙江省中西部农业开发旱田项目区灌溉方式探讨[J].黑龙江水利科技,2004(4):26-28.

[2]李林燕,魏霄,王海涛.宁夏引黄灌区节水灌溉的现状及对策[J].市场经济研究,2004(2):81-83.

[3]付君义,白荣鑫.浅谈节水灌溉与沈阳城郊农业的可持续发展[J].吉林水利,2004(6):3-7.

[4]杨晓茹.陕西省农业节水灌溉模式探讨[J].地下水,2004,26(2):33-35.

[5]金萍.南疆发展节水灌溉应注意的几个问题[J].新疆农业科技,2004(4):12-16.

[6]董国华.福建省节水灌溉技术的应用研究及其发展趋势[J].水利科技,2002(1):66-69.

[7]傅林霞.甘肃农垦现代农业高新技术节水灌溉前景浅析[J].甘肃农业,2004(7):14-18.

[8]韩祥波.组态软件和PLC在农田灌溉中的应用[J].安徽农业科学,2007,35(21):6681-6682;6684.

[9]张家源,朱燕琴,张建华.工控MCGS组态软件在农业灌溉信息化管理工程中的应用[J].甘肃农业大学学报,2007,42(5):138-142.

[10]夏洪,林刚勇,朱兆优,等.一种PLC控制的自动灌溉系统[J].机床与液压,2007,35(7):64-65.