基于模糊控制的流量控制阀仿真

1、第25卷第2期2009年2月农业工程学报TransactionsoftheCSAEVol.25No.2Feb.200983基于模糊控制的流量控制阀仿真刘志壮1,2，洪添胜1，李震1，宋淑然1，岳学军1，樊志平1（1华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室，广州510642；2湖南科技学院电子工程与物理系，永州425100）摘要：采用小型针阀、直流电动机及减速器设计了机电流量控制阀，解决了变量喷雾过程中药液微小流量的控制问题。构建了机电流量控制阀传递函数的数学模型，并为之设计了模糊控制算法。对该流量控制阀进行了模糊控制和PID控制的MATLAB仿真，结果表明：模糊控制在响应

2、速度和超调量方面优于PID控制，稳态误差两者均在±3.0%以内。关键词：流量阀，模糊控制，计算机仿真，PID控制，变量喷雾中图分类号：TP273+.4文献标识码：A文章编号：1002-6819(2009)-2-0083-04刘志壮，洪添胜，李震，等.基于模糊控制的流量控制阀仿真J.农业工程学报，2009，25(2)：83.86LiuZhizhuang,HongTiansheng,LiZhen,etal.SimulationofflowcontrolvalvebasedonfuzzycontrolJ.TransactionsoftheCSAE,2009,25(2)：8386.(inCh

3、inesewithEnglishabstract)0引言随着国内外现代农业装备的发展，植保机械及施药技术有了长足的发展，喷药方法由传统的常量喷雾发展为变量喷雾1,2。然而，微小流量检测与控制的问题还没有得到很好解决，目前国内变量喷雾主要采用预混药式，药液浓度不变，通过改变施药量得以实现3-5。其中，主要手段有改变压力式3,4、脉宽调制（PWM）式等5。以上方式通常使喷雾效果（雾滴大小、飘移性和分布均匀性）受到一定的影响。实时混药变量喷雾也已有研究成果，但农药流量计量和控制问题仍没有得到完全解决。美国专家Ghate等采用了实时混药法进行变量喷雾，但其混药浓度固定或手动调节水和药的配比，不能实时调

4、节混药浓度6-9。目前，流量控制可以采用电磁比例阀和伺服阀来实现，但这两种阀的成本极高，不便于在农用机械上推广使用；此外，比例阀的回程误差较大，控制的稳定速度较慢和稳定性较差10。为此，作者设计了一种差压式流量计11和机电流量控制阀。本文主要对机电流量控制阀进行数学建模、模糊控制算法设计和MATLAB仿真，目的是为变量喷雾控制提供理论依据和指导。灌喷雾机械设备有限公司联合研制的车载式风送喷雾机控制农药的流量而设计，其流量控制范围为0.33mL/s3.3mL/s。流量控制阀由小型针阀、连轴器、电动机及减速器组成，如图1和图2所示。针阀具有一个输入口和一个输出口用于连接输液管，电动机接上一个微控制

5、器，微控制器使用模糊控制算法实现控制功能。通过微控制器来控制电动机正反转，经减速器和连轴器后带动针阀旋转，从而控制阀的开闭，进而控制液体的流量。图1流量控制阀的结构Fig.1Structureofflowcontrolvalve1.1机电流量阀的设计及传递函数模型构建机电流量阀的结构此机电流量阀主要是为华南农业大学和梅州风华喷修订日期：2008-11-13图2流量控制阀结构示意图Fig.2Sketchofflowcontrolvalve收稿日期：2008-07-02基金项目：国家“863”计划重大项目（2006AA10A307）；国家柑橘产业技术体系建设专项（农科教发200714号）；广东省农

6、业机械化科研课题（粤农函2007769号）作者简介：刘志壮（1969），男，湖南蓝山人，教授，博士后，研究方向为计算机检测与控制技术。广州华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室，510642。Email:liuzz168通讯作者：洪添胜（1955），男，广东梅县人，教授，博士生导师，研究方向为农业工程、信息技术应用。广州华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室，510642。Email:tshong1.2机电流量阀的传递函数模型构建直流电动机转轴经减速器与针阀的转轴相连，如图1和图3所示，电动机转速为，减速后的转速为'。不考虑电磁惯性和机械

7、惯性，假设初始状态为零，则由电动机转速=k1Ur,减速输出'=k2,可得10,12'=k1k2Ur（1）式中k1转换系数；k2减速比；Ur电动机的工作电压。84农业工程学报2009年当流量控制阀在一定的液压条件下，流量值只与阀转轴旋转的角度有关，流量与阀的旋转角度成一型曲线10。试验表明，当液压为11.77kPa，流量为0.1ml/s3.5mL/s时，流量与打开角几乎成线性关系：Q0.155，其中为打开角。当流量大于3.5mL/s时，系数小于0.155，调节灵敏度下降，控制响应时间将增长。Fig.3图3控制阀简化模型Simplifiedmodeloftheflowcontrol

8、valve又因为'=d，并令k=k1k2，等式（1）可表达为dtd=kUrdt（2）变量的模糊状态选择如下。E=NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PBEC=NB，NM，NS,Z，PS，PM，PBU=NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB每个模糊变量在其论域内可分成以下若干个等级。E=e=-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，49档，EC=ec=-3，-2，-1，0，1，2，37档，U=u=-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，511档。各变量均选择三角形的隶属函数，如图5所示。由于液体紊流的存在，流量是一个较为不稳定的量，每次检测到的流量值会有一定波动。为了保证流

9、量的基本稳定，在喷雾浓度误差允许的范围内，允许E有极小的偏差，所以设置E的隶属函数中间疏、两端密。为了使偏差较大时快速响应，偏差较小时又要提高响应精度和减小超调量，因此设置输出量U的隶属函数时两头疏，中间较密14。在实际系统中，Ur是一个常量（为12V），对上式积分可得=kUrt-t0（3）式中t0电磁惯性和机械惯性，对式（3）进行拉氏变换可得控制器的传递函数10t-ts+kUkUG(s)=(s)=2r-0=02r（4）sss当Ur=12V时，经测试'=16.6r/min=1.738rad/s，即kUr=1.738；电机起动延时为0.005s至0.01s，这里取t0=0.01s，所以传

10、递函数具体化为-0.01s+1.738G(s)=（5）s22模糊控制算法及在MATLAB模糊控制系统的生成2.1流量控制的模糊控制算法2.1.1模糊控制器的设计本系统以农药的流量为控制对象，针对流量控制的硬件设计如图4所示的模糊控制器13，以目标流量和农药实测流量的误差为偏差e输入量，偏差的变化作为ec输入量，电动机或阀转轴旋转的角度为控制器输出量u。图5E，EC，U的隶属函数Fig.5MembershipfunctionsofE,ECandU2.1.3模糊规则和决策方法根据专家的理论和我们实践经验，采用模糊条件推理ifAandBthenC，得出模糊控制规则表（见表1）。解模糊化采用最大隶属度

11、平均值法。表1模糊控制规则表图4模糊控制器原理Fig.4Principleoffuzzycontroller2.1.2隶属函数的建立e，ec，u对应的模糊变量分别为E，EC和U，3个第2期刘志壮等：基于模糊控制的流量控制阀仿真852.2模糊控制器的生成采用模糊逻辑工具箱提供的常用工具函数，如newfis,addvar,addmf,addrule,evalfis等，用命令方式生成和编辑模糊推理系统（即FIS文件），或采用工具箱中的GUI编14,15辑函数生成FIS文件。编辑过程在此省略。最后得到模糊推理系统的输出曲面观察器如图6所示。控制的性能，对本流量控制阀而言模糊控制的性能优于PID控制。图

12、8模糊控制与PID控制的仿真系统Fig.8Simulationsystemoffuzzycontrolandproportionintegralderivative(PID)controlFig.6图6模糊推理曲面观察器Surfacevieweroffuzzyinferencesystem(FIS)3.1模糊控制仿真及参数调整模糊控制的MATLAB仿真在MATLAB软件的simulink编辑框中，编辑模糊控制仿真系统13-15，如图7a所示。在图7a中的模糊控制模块中（fuzzylogiccontroller）加载2.2节生成的FIS文件。即可进行模糊控制仿真，所得的仿真曲线如图7b所示。从仿

13、真曲线来看，响应时间为0.93s，模糊控制的超调量较小，最大不超过5.0%，稳态误差小，不超过±3.0%。该模糊控制器适用于流量控制阀对流量的控制。图9模糊控制与PID控制的仿真结果比较Fig.9SimulationcurvesoffuzzycontrolandPIDcontrol4结论本论文为变量喷雾设计了机电流量控制阀，并建立了流量控制阀的传递函数模型；为流量阀设计了模糊控制算法，并应用MATLAB软件对阀进行了模糊控制和PID控制的MATLAB仿真。仿真结果表明：采用模糊控制的响应时间为0.93s,最大超调量为5.0%；采用PID控制的响应时间为1.67s，最大超调量为15.0

14、%；模糊控制和PID控制两者的稳态误差均低于±3.0%。比较以上两种算法可知，模糊控制响应速度快、调节时间短、超调量小，选择模糊控制算法来控制机电流量控制阀具有优势。然而，在实际变量喷雾过程中，实际的响应时间必须通过实测响应曲线的方法来获得，并由响应时间和行走速度及树冠的位置来确定变量喷雾控制超前时间，以达到精准控制的目的。参考文献陈勇，郑加强精确施药可变量喷雾控制系统的研究J农业工程学报，2005，21(5)：6972ChenYong,ZhengJiaqiang.Controlsystemforprecisionpesticideapplicationbasedonvariable

15、ratetechnologyJ.TransactionsoftheCSAE，2005，21(5)：6972(inChinesewithEnglishabstract)邱白晶，李会芳，吴春笃，等变量喷雾装备及关键技术的探讨J江苏大学学报(自然科学版)，2004，25(2)：97101QiuBaijing,LiHuifang,WuChundu,etal.Onvariablerate1图7模糊控制仿真Fig.7Fuzzycontrolsimulation3.2模糊控制仿真与PID仿真的对比为了比较模糊控制器的性能，设计了PID控制器对机电流量控制阀进行仿真，如图8所示。从仿真曲线（见图9）可以看出，

16、PID控制的响应时间为1.67s，最大超调量约为15.0%，稳态误差为±3.0%。比较模糊控制与PID286农业工程学报sprayingequipmentanditskeytechnologyJ.JournalofJiangsuUniversity(NaturalScienceEdition)，2004，25(2)：97101(inChinesewithEnglishabstract)史岩，祁力钧，傅泽田，等压力式变量喷雾系统建模与仿真J农业工程学报，2004，20(5)：118121ShiYan,QiLijun,FuZetian,etal.Modeldevelopmentandsi

17、mulationofvariablerateofpressurespayJ.TransactionsoftheCSAE，2004，20(5)：118121(inChinesewithEnglishabstract)刘曙光压力式可变量喷雾技术的研究J农机化研究，2006，(7)：146147LiuShuguang.Studyofpressure-basedvariableratespraytechnologyJ.JournalofAgriculturalMechanizationResearch，2006，(7)：146147(inChinesewithEnglishabstract)焦俊生，张

18、伟脉宽调制型变量喷雾控制ECU设计与分析J农业机械学报，2007，38(1)：123126JiaoJunsheng,ZhangWei.DesignandanalysisoftheECUforPWMsprayingJ.TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery，2007，38(1)：123126(inChinesewithEnglishabstract)QiuW,WatkinsGA,SobolikCJ,etal.Afeasibilitystudyofdirectinjectionforvariable-rateherbicide

19、applicationJ.TransactionsoftheASAE，1998，41(2)：291299DickinsonAaronR,JohnsonDonaldM,WardlowGeorgew.AcompactvariableratesprayerforteachingprecisionagricultureJ.AppliedEngineeringinAgriculture，2007，23(3)：26727282009年GhateSR,PerryCD.Groundspeedcontrolofpesticideapplicationratesinacompressedairdirectinje

20、ctionsprayerJ.TransactionsoftheASAE，1994，37(1)：3338.GhateSR,PerryCD.CompressedairdirectinjectionpesticidesprayerJ.AppliedEngineeringinAgriculture，1991，7(2)：158162刘志壮药液实时精确计量与变量喷雾控制D广州：华南农业大学，2008：7375，9295LiuZhizhuang.Real-timegaugingofaccuracyandvariableratesprayingcontrolD.Guangzhou:SouthChinaAgri

21、culturalUniversity，2008，7375：9295(inChinesewithEnglishabstract)LiuZhizhuang,HongTiansheng,ZhangWenzhao,etal.NovelliquidflowsensorbasedondifferentialpressuremethodJ.ReviewofScientificInstruments，2007，78(1)：15李益华自动控制原理M长沙：湖南大学出版社，2004：1722王耀南计算智能信息处理技术及其应用M长沙：湖南大学出版社，1999：5189李祖欣MATLAB在模糊控制系统设计和仿真的应用J

22、系统仿真学报，2003，15(1)：132134LiZuxin.ApplicationofMATLABinthedesignandsimulationoffuzzycontrolsystemJ.ActaSimulataSystematicaSinica，2003，15(1)：132134(inChinesewithEnglishabstract)张国良模糊控制及其MATLAB应用M西安：西安交通大学出版社，2002：43116391041151213146715SimulationofflowcontrolvalvebasedonfuzzycontrolLiuZhizhuang1,2,HongTiansheng1,LiZhen1,SongShuran1,YueXuejun1,FanZhiping1(1.KeyLaboratoryofKeyTechnologyonAgriculturalMachineandEquipment,SouthChinaAgriculturalUniversity,MinistryofEd