基于模糊PLC的施肥灌溉控制系统的研究

1、摘 要现代设施农业是利用围护结构设施，把一定的空间与外界环境隔离开来，形成一个半封闭式系统，在充分利用自然环境条件的基础上，改善或创造更佳的环境气候，为植物和动物生长提供良好的环境条件，从而进行更有效的生产。设施农业包括设施栽培和设施养殖两个方面。设施栽培技术中，微喷灌技术使施肥有更先进的方法，即水肥技术。水肥技术就是将作物所需的养分溶于水，形成高浓度的营养液母液，再在作物需要施肥时，将营养液母液与水混合成一定浓度的营养液，通过微灌系统提供给作物，对作物的生长发育有重要影响，因此，营养液混合技术己经成为灌溉自动控制中的一项关键技术。 灌溉自动控制模式与人工控制方式相比，具有节省水、肥、能量、杀

2、虫剂、人工等优点，并可基本消除在灌溉过程中人为因素造成的不利影响，提高操作的准确性，有利于灌溉过程的科学管理和先进灌溉技术的推广。同时通过灌溉控制系统适时、适量的浇水，提高作物产量，有利于我国广大农村劳动力的转移和农村经济结构的调整，同时，对环境保护也起到一定的作用。 本文从现代设施农业的发展需要着手，介绍了自动灌溉控制系统的构成，详细的介绍自动灌溉控制中营养液配置这一关键性技术的解决方法。结合当前这个领域的实际，提出了利用模糊控制逻辑解决营养液的在线配置问题。详细的介绍了营养液配置中模糊控制器的构成，并构造简单的实验验证模糊控制器的合理性及模糊控制器采样时间的设计问题。利用PLC这一先进的工

3、业控制设备来控制农业设备，更加体现了PLC可以适应恶劣环境这一重大特点。关键词：施肥灌溉； 模糊控制； PLCAbstractEstablishment Agriculture is using some equipment to enclose an interspace, forming a semi-close system. The system provides with more feasible climate condition, which accelerating plant or animals growth and so that output enhanced. Es

4、tablishment Agriculture consists of two parts. One is established planting, the other is established breeding. In the field of established planting, micro-spray technology makes a promotion to fertilization methods, so-called fluid fertilizing technology. This kind technology dissolves the nutrient

5、plant needed into water and gets original liquid. When fertilizing plant, we only need to adjust thickness with water and fertilize by micro-spray. These must be helpful to plant growth, so getting mixture is key of the micro-spray auto control.Comparing auto control model with manual work, there ar

6、e many advantages, such as save water, fertilizer, energy, pesticide, physical force and so on. In addition, auto control model can avoid disbennifit infection by human factors, improve operate veracity. Moreover，the model is good for scientific management and advance technic spread. This paper emba

7、rks from development of modern establishment agriculture introducing detailedly about the mixture technology in the auto control spray system. Considering the fact of this field, I put forward utilizeing Fuzzy control to solute mixture online. Particularly introduce the comprising of Fuzzy controlle

8、r, and design experiment to prove controller rationality and get reasonable sample time.From the development of modern agricultural facilities, introduced to control system of automatic irrigation, detailed introduces automatic irrigation control of the key technology configuration nutrient solution

9、. Combining the current field, puts forward the practical fuzzy control logic to solve problem of online. Detailed introduces the nutrient allocation of fuzzy controller with simple structure, and the experimental results verify the rationality of the fuzzy controller and the fuzzy controller design

10、 problem of sampling time.Using the advanced PLC to control the industrial control equipment of agricultural equipment, manifested the PLC can adapt to bad environment this important characteristics.Keywords：Fertilize spray； Fuzzy control；PLC目 录 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc265071906 第1章 绪 论 PAGE

11、REF _Toc265071906 h 1 HYPERLINK l _Toc265071907 1.1 现代设施农业和施肥灌溉技术介绍 PAGEREF _Toc265071907 h 1 HYPERLINK l _Toc265071908 1.2 施肥灌溉系统方案概述 PAGEREF _Toc265071908 h 2 HYPERLINK l _Toc265071909 1.3 设计目的 PAGEREF _Toc265071909 h 3 HYPERLINK l _Toc265071910 1.4 课题研究的主要内容 PAGEREF _Toc265071910 h 4 HYPERLINK l

12、_Toc265071911 第2章 施肥灌溉控制系统总体设计 PAGEREF _Toc265071911 h 5 HYPERLINK l _Toc265071912 2.1 系统设计流程 PAGEREF _Toc265071912 h 5 HYPERLINK l _Toc265071913 2.2 系统硬件的选择 PAGEREF _Toc265071913 h 9 HYPERLINK l _Toc265071914 2.3 PLC的I/O分配 PAGEREF _Toc265071914 h 13 HYPERLINK l _Toc265071915 2.4 硬件接线图 PAGEREF _Toc2

13、65071915 h 14 HYPERLINK l _Toc265071916 2.5 PLC程序流程图 PAGEREF _Toc265071916 h 16 HYPERLINK l _Toc265071917 2.6本章小结 PAGEREF _Toc265071917 h 17 HYPERLINK l _Toc265071918 第3章 营养液混合模糊控制器 PAGEREF _Toc265071918 h 18 HYPERLINK l _Toc265071919 3.1 模糊控制系统概述 PAGEREF _Toc265071919 h 18 HYPERLINK l _Toc265071920

14、 3.2 模糊控制基本原理 PAGEREF _Toc265071920 h 19 HYPERLINK l _Toc265071921 3.3 营养液在线混合控制原理与特点 PAGEREF _Toc265071921 h 19 HYPERLINK l _Toc265071922 3.4 营养液混合模糊控制器实现 PAGEREF _Toc265071922 h 21 HYPERLINK l _Toc265071923 3.5 本章小结 PAGEREF _Toc265071923 h 25 HYPERLINK l _Toc265071924 第4章 施肥灌溉控制系统中模糊控制实现 PAGEREF _

15、Toc265071924 h 26 HYPERLINK l _Toc265071925 4.1 模糊控制流程图 PAGEREF _Toc265071925 h 26 HYPERLINK l _Toc265071926 4.2模糊控制周期选择 PAGEREF _Toc265071926 h 27 HYPERLINK l _Toc265071927 4.2 模糊控制的实现 PAGEREF _Toc265071927 h 28 HYPERLINK l _Toc265071928 4.3本章小结 PAGEREF _Toc265071928 h 29 HYPERLINK l _Toc265071929

16、结 论 PAGEREF _Toc265071929 h 30 HYPERLINK l _Toc265071930 参考文献 PAGEREF _Toc265071930 h 31 HYPERLINK l _Toc265071931 致 谢 PAGEREF _Toc265071931 h 32 HYPERLINK l _Toc265071932 附录1 PAGEREF _Toc265071932 h 33第1章 绪 论近几年来，随着水资源的日趋紧张，世界各国都在积极探索行之有效的节水途径和措施。喷灌和微灌技术就是为了解决水资源不足，提高灌溉效率而发展起来的灌溉技术之一。现代设施栽培中的灌溉技术是以

17、微灌溉技术为基础发展起来的。从1860年开始，许多国家就使用排水瓦管，带微孔的陶管，以及多孔的帆布管等各种各样的穿孔管系统，利用地下水位的改变，以及根据土壤水分的张力确定管道中流到土壤里的水量进行灌溉。荷兰、英国首先应用这种灌溉方法灌溉温室中的花卉和蔬菜。第二次世界大战后，随着塑料工业的迅猛发展，各种塑料管相继出现。由于它容易穿孔和连接，且价格低廉，使灌溉系统在技术上实现了第二次突破，这也是目前广泛采用的灌溉模式。近十年来，微灌作为新兴的灌溉技术在世界各地得到了较快的发展。根据国际排灌委会的微灌工作组所做的第三次调查，1911年世界微灌面积为1，768，987公顷（约合2，650万亩），比五年

18、前增长了63%。尽管至今微灌技术在世界总灌溉面积的比重很小，不到0.8%，但其增长率远高于其他灌溉方法。同时不同于传统的灌溉方法的采用，给作物的施肥技术带来了极大的变化，它导致了一个全新的概念水肥灌溉的兴起。采用滴灌系统进行施肥，可以直接接触植物的根部，避免浪费且高效，这是一般方法所不具备的。在微观技术发展快的国家，自动施肥系统的应用已非常广泛。系统施肥器（用于营养与水混合）受计算机或小型控制器控制，已实现精确施肥。在灌溉设施发展的同时，自动灌溉控制系统以及相应的理论研究也得到了高度重视。现在国外的现代微灌系统都已经普遍采用计算机控制。利用埋在地下的湿度传感器，可以传回有关土壤湿度的信息。还有

19、的传感系统能通过检测植物的茎和果实的直径变化，来决定对植物的灌溉间隔。在温室等设施内较多使用小型灌溉控制器，这种设备通常能控制儿路或十几路电磁阀，内有若干种灌溉管理程序，浇水时间可按日期设定每次每路灌溉水起始时间，操作便于小规模经营，计算机化操作运行精密、可靠、节省人力。【1】1.1 现代设施农业和施肥灌溉技术介绍计算机在我国设施农业生产中的应用起步较晚，80年代初开始出现，在实现对营养液、温度、光照、C02施肥等进行综合控制方面做了一些研究。但在营养液自动混合及施肥控制方面还属引进吸收阶段。近期，国家高度重视信息产业化工程的发展，在“九五”国家重大科技产业工程下厂化高效农业示范工程中，设置了

20、计算机环境调控专题，以提高白主开发能力。我国设施农业计算机的应用和发展，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。尽管设施栽培灌溉技术近十几年来在我国得到了较快的发展，但是综合环境控制水平还很低，自动灌溉及施肥控制技术的发展目前还只限于引进吸收阶段，而且灌溉控制和营养液自动混合控制技术还没有具体的实现实例。目前，我国的设施栽培在自动灌溉系统方面相对于先进国家所存在的差距是还不能实现营养液自动混合控制。营养液混合还停留在使用施肥器完成液体肥和水的混合，然后通过管网送到作物周围的阶段。我国温室大棚灌溉大部分都没有使用施肥器，即使使用，也只用一种压力式的施肥罐，施肥量很不

21、均匀。虽然，近几年有些厂家也生产了文丘里式、射流式施肥器，但均没有形成生产能力，造成市场上没有选择施肥器的余地，因而影响了施肥器的正常应用。自动灌溉控制系统，除个别引进国外成套设备以外，国内还没有成型的产品，生产中使用的基本上还是缺少操作阀门的设备。不论灌溉还是施肥还停留在单个因子的调节上，不能实现与温室综合环境控制中的其他环境因子的综合控制。不能实现灌溉专家系统。灌溉控制主要还是依照人的经验去进行，与技术先进的国家还有差距。结合我国的国情，开发成套、适用、可靠、先进的自动灌溉系统是我国今后设施栽培节水灌溉设备发展的主要方向。在设施农业生产中，合理灌溉技术的关键是控制灌水的均匀度，以适量的水进

22、行适时灌溉，既能满足作物对水的需要，又不至于造成温室土壤含水量过多和空气湿度过大，引起作物发生各种霉病，这也是发展现代温室大棚水灌溉技术追求的目标，必须深入研究作物生长过程的需水信息和环境因素，利用计算机自动控制灌水时间和灌水量，达到适时、适量、按需灌水，按照作物生长过程对水、肥、药、环境等的需要，开发适合不同温室大棚作物需要的设备，以满足农业发展的需求。目前，国内市场上应用的温室灌溉关键设备，基本上都是引进国外的产品，而且需求量呈上升趋势。引进的设备价格昂贵，有些产品也不适合我们的国情。按我国目前的经济发展水平，大规模的进口温室发展农业生产并非良策，当务之急是吸收国外同类型温室成套设备的开发

23、和研制，替代进口产品，是我们今后重要而紧迫的任务。 1.2 施肥灌溉系统方案概述 设施栽培技术中的施肥灌溉系统一般主要包括四部分：水源、中心控制组件、管网系统和灌水器。其中中心控制组件包括水泵、过滤器、灌溉泵、压力和流量监测设备、压力保护装置、施肥设备和自动化控制设备。管网系统包括各级主支管道，各种口径的管道控制阀门，排污设备，田间枢纽，毛管等。灌水器即微灌头和滴灌管等。本课题研究主要设计中心控制组件部分，集中于利用计算机及自动控制技术实现自动灌溉、自动营养液混合及施肥。在国外已经成熟的灌溉产品中，自动灌溉系统的实现方案有多种。它们的主要组成部分大致相同，主要有控制器、水泵、灌溉网管、过滤器、

24、营养液混合装置、各种传感器、灌溉电磁阀及其他监控水路压力及流量的装置等。而在实现灌溉自动控制营养液白动混合的方案上各有特色。系统吸肥方式有泵注方式、文庄里式、压差式、水驱动混合注入式等。白动灌溉系统产品一般采用上述某种吸肥方式吸肥，营养液与水在混合罐中混合，再由施肥泵将混合后的营养液注入灌溉主管，检测主管灌溉水流中营养液浓度作为控制器反馈值的方法，实现营养液在线混合控制。营养液浓度控制一般采用检测并控制营养液电导率(EC)值、酸碱度(PH)值的方法。控制方法上多使用阈值控制，模糊逻辑控制应用也较多。本研究根据系统的实际应用需要，结合先进的微灌技术，实现在设施栽培中，根据用户设置的灌溉与施肥方案

25、，自动灌溉与施肥，以及根据不同作物的不同需要，实现不同浓度营养液的在线自动混合控制。系统采用PLC(可编程序控制器)作为主控制器，通过控制灌溉用电磁阀的开启与关闭，实现白动灌溉。营养液的混合在混合罐中进行，选用文丘里管吸肥，通过检测混合后主管中灌溉水的营养液浓度作为反馈，控制营养液母液注入管路电磁阀的开启与关闭，以实现营养液浓度在线混合，自动控制，由于营养液混合系统的大延迟、不确定因素多及传递函数难以确定的特点。采用模糊控制实现营养液自动混合。本系统适于在大面积设施栽培中，尤其是有各种作物生长的现代温室中使用。系统性能可靠，易于安装,维护,操作方便，快捷,同时构成简单，设计合理，价格低廉。【2

26、】1.3 设计目的 当今世界，科学技术迅猛发展，新技术在各个领域得到了广泛应用，这促使了现代化设施农业的高速发展，目前，设施农业的发展已成为现代农业发展的热点之一。现代设施农业是利用围护结构设施，把一定的空间与外界环境隔离开来，形成一个半封闭式系统，在充分利用自然环境条件的基础上，改善或创造更佳的环境气候，为植物和动物生长提供良好的环境条件，从而进行更有效的生产。设施农业包括设施栽培和设施养殖两个方面。设施栽培技术中，微喷灌技术使施肥有更先进的方法，即水肥技术。水肥技术就是将作物所需的养分溶于水，形成高浓度的营养液母液，再在作物需要施肥时，将营养液母液与水混合成一定浓度的营养液，通过微灌系统提

27、供给作物，对作物的生长发育有重要影响，因此，营养液混合技术己经成为灌溉自动控制中的一项关键技术。 灌溉自动控制模式与人工控制方式相比，具有节省水、肥、能量、杀虫剂、人工等优点，并可基本消除在灌溉过程中人为因素造成的不利影响，提高操作的准确性，有利于灌溉过程的科学管理和先进灌溉技术的推广。同时通过灌溉控制系统适时、适量的浇水，提高作物产量，有利于我国广大农村劳动力的转移和农村经济结构的调整，同时，对环境保护也起到一定的作用。 本课题的研究目的是针对我国灌溉系统自动化程度低的问题。介绍了自动灌溉控制系统的构成，详细的介绍自动灌溉控制中营养液配置这一关键性技术的解决方法。结合当前这个领域的实际，提出

28、了利用模糊控制逻辑解决营养液的在线配置问题。详细的介绍了营养液配置中模糊控制器的构成，并利用PLC这一先进的工业控制设备来控制农业设备，更加体现了PLC可以适应恶劣环境这一重大特点。【3】1.4课题研究的主要内容 在设施栽培中，根据用户设置的灌溉与施肥方案，实现自动灌溉与施肥，或根据不同作物的不同需要，实现不同营养液在线的自动混合控制，并应用plc做主控制器，通过控制灌溉用电磁阀的开启与关闭，实现自动灌溉。营养液的混合在混合罐中进行，选用文丘里管吸肥，通过检测混合后主管中灌溉水的营养液浓度作为反馈，控制营养液母液注入管路电磁阀的开启与关闭，以实现营养液浓度在线混合，自动控制，由于营养液混合系统

29、的大延迟、不确定因素多及传递函数难以确定的特点。采用模糊控制实现营养液自动混合。第2章 施肥灌溉控制系统总体设计2.1 系统设计流程2.1.1 系统结构在现代设施农业中，由于微灌技术的产生和发展，可以不再采用传统的施肥方法向作物提供生长发育所需要的养分，而是可以采用水肥微灌技术直接将营养液通过灌溉水提供给作物，这种方法能够更高效、科学的进行施肥。借助于这种方法，栽种者可以根据不同作物的不同生育阶段的营养需要，以及根据不同气候、水质等条件，配制各种养料成分与浓度的营养液，更有效的培育作物。水肥灌溉是将要施加的养分，如氮、磷、镁和其他微量元素，溶于水，形成高浓度的营养液母液，在需要施加营养液时，便

30、将营养液混合到灌溉水中，再配以防止营养液碱性过高而添加的酸液，形成一定浓度的营养液，通过微灌系统管网输送给作物，实现施肥。因此，现代灌溉系统还包括营养液混合控制系统，实现在灌溉的同时完成施肥任务。 由于微灌系统借助于不同孔径的滴头实现灌溉，所以自动灌溉系统还必须配以过滤设备，以保证灌溉水清洁而不会阻塞微灌系统。同时，为了保证系统管路压力和流量的稳定，还必须保证管路系统水的流量的稳定。为了使得肥料能够按一定的比例被吸入水路，还需要一定的施肥设备与其配套使用。管路在需要的时候投入工作，系统还需要一些配套的电磁阀。为实现综合环境控制的目标，自动灌溉系统还应该有控制其他环境因子的能力，如温度，CO2，

31、浓度、空气湿度等，本课题主要完成对灌溉及营养液浓度的自动控制，暂不涉及综合环境控制。本文设计的自动灌溉控制系统的构成如图2-1所示：由自动灌溉控制和营养液混合控制两部分组成。灌溉控制由主水泵，稳压阀，PLC，过滤器，各灌溉区域管网、灌溉电磁阀等构成。营养液混合控制系统由PLC混合罐，各个肥料罐，酸液罐，施(吸)肥器、控制添加营养液母液和酸液的电磁阀，施肥泵，电导率传感器等构成。灌溉水首先要经过过滤器的过滤，才能输送到灌溉区域。过滤器工作时间累计到了一定时间或过滤器的压差传感器检测到过滤器出入口压差达到一定值时，要对过滤器进行反冲洗，以保证系统过滤效果。灌溉系统工作时主水泵打开，稳压阀使主灌溉管

32、道中的水流保持稳定的水压。在每个灌溉支路上装有一对电磁阀，当某种作物需要灌溉时，只要控制中心输出控制指令，打开该作物的灌溉支路上的电磁阀，灌溉水就可以输送到该灌溉区域，通过灌水器(如微喷头、滴灌器等)完成作物的灌溉。而某一时刻，某一灌溉区域是否实施灌溉，则由系统控制中心根据操作者所设定的灌溉程序来决定。图2-1自动灌溉系统的构成控制营养液混合控制系统完成营养液在线自动混合控制功能。施肥过程是与灌溉过程同时进行的，用户可以设定灌溉方式及灌溉时间，则在设置下启动营养液混合控制系统，并将混合后的营养液随灌溉水一起输送到灌溉区域。 营养液混合控制系统启动后，来自主管道的灌溉水注入到混合灌中，同时打开肥

33、料注入通道的电磁阀，使所需肥料和酸液在施肥器的作用下注入到混合罐中。EC, PH传感器是控制系统的检测元件，在营养液混合中，标志营养液浓度的指标是混合后营养液的电导率(EC值)和酸碱度(PH值)。所以营养液混合控制系统的目标就是按系统营养浓度设定值，实时控制混合后营养液的电导率(EC值)和酸碱度(PH值)。系统工作时按照电导率(EC值)和酸碱度(PH值)传感器采样值，由程序给出肥料与酸液电磁阀的开启或关闭的控制指令，使混合后营养的电导率(EC值)和酸碱度(PH值)稳定在设定值上。整个系统的协调及控制均由PLC(可编程序控制器)来完成，包括灌溉与营养液的在线混合，过滤与反冲洗以及系统的模糊控制等

34、。2.1.2 系统设计要求(1)系统主要功能系统启动后，自动运行，按灌溉程序自动灌溉。如改变灌溉程序，只需在控制面板上通过拨码开关改变程序编号即可。根据用户的灌溉要求：通过控制面板的拨码开关实现20路灌溉电磁阀的选择灌溉控制。营养液自动混合控制：系统按照营养液浓度指标溶液电导率与酸碱的设定值，在线自动混合营养液。过滤器过滤与反冲洗控制：根据检测到的过滤器出入口压差值控制反冲洗操作。实时报警功能：当系统出现异常，立即报警，停止运行各种灌溉动作，等待操作者处理。灌溉程序就是用户根据作物生长的需要设置的灌溉与施肥方案。系统允许用户同时设置多个灌溉程序，每个灌溉程序包括程序启动方式，运行时间与间隔，灌

35、溉程序采用的营养液配方料种类与营养液浓度等等)。这些设置实际上决定了某种作物的灌溉方案。系统按照灌溉程序设置，自动、有序地实现自动灌溉与施肥，完成每个用户灌溉程序。系统可以对各种异常情况报警，如营养液浓度异常，混合罐水位异常等，避免系统故障及灌溉无误。(2)系统性能要求为保证自动灌溉系统能在各种可能的环境下工作，系统应具有在各种可能的外部环境下都能正常上作的能力。如温度(-1070)，湿度等。 系统的安全性：要保证重要数据(如系统设置，灌溉程序设置、历史灌溉信息、时钟信息等)不因电源电压下降、掉电等原因而丢失。 系统的可靠性：尽量降低人为因素导致系统无法正常工作，或灌溉失误。如在用户进行系统与

36、灌溉程序设置时，系统设定值不合理。同时，系统因非人为原因而工作异常时，大部分情况下应能自动纠正或发出警告。 系统抗干扰能力：控制系统应满足电磁兼容性能要求，既要考虑供电电源的电压波动对系统工作的影响，又要考虑电源和数字电路对模拟输入的影响。 为满足控制系统性能，系统采样值要满足精度要求。主要是指传感器将非电信号转换成电类信号时的转换误差和非线性失真、模拟通道的电压降，放大器放大精度及非线性失真、A/D转换精度和分辨率，微处理器的运算精度等。同时系统要满足实时性要求，主要考虑响应时间、采样间隔、每个有效数据的采样次数、A/D的转换速度、控制算法的运算时间等。系统应具有进一步的扩展空间，如灌溉阀数

37、量的增加(即灌溉区域的扩展)，需要控制的环境因子的增加等。在满足要求的基础上，还要考虑系统的成本和性价比。同时系统应易于调试，便于系统联调及进一步增强功能。2.1.3 系统的实现根据系统功能及设计要求，系统采取PLC作为控制中心，通过控制面板上的控制开关实现灌溉的开关量控制，通过柜面的拨码开关实现控制方案的选择即灌溉程序的选择，借助于PLC的编程软件，实现灌溉程序的修改操作。由于该系统较多的使用在农田及温室中，所以系统一经实验成功投入使用，即只提供使用时的功能选择，不提供上位机的适时监控等操作。但需要程序员修改灌溉程序时可以方便的通过PC机进行修改。系统包括自动灌溉与自动营养液自动混合两部分。

38、这两部分的控制都由PLC进行控制。控制柜由按钮开关，PLC, A/D模块，各个电磁阀、水泵的驱动电路以及相应的指示等所组成。 自动灌溉控制部分要控制的部件有:主水泵的开关，灌溉电磁阀的开关，过滤器的反冲洗开关等。在系统需要灌溉时，PLC向水泵发送打开指令，灌溉结束时，发送关闭指令。过滤器选用叠片式过滤器，系统可以有多个过滤器工作，工作方式由用户设定。过滤器的反冲洗，可以定时清洗，也可以根据安装在过滤器上的压差传感器的检测值达到设定值时执行冲洗。根据本系统的控制要求，压差传感器可以采用输出开关量的压差传感器。系统根据检测到的压差值控制反冲洗的起动与停止。营养液自动混合控制系统工作时，施肥加压泵打

39、开，根据混合罐水位，控制注水阀开关，使混合罐中的水流通起来。同时根据EC, PH传感器的采样信息，由控制算法得到控制指令，该指令控制肥料与酸液电磁阀的开关，完成营养液的混合工作。根据系统设计要求，EC、PH这两种传感器要实现在线检测以满足营养液在线混合的需要。同时，为满足控制系统的性能要求，传感器的反应时间要快。选用上海雷磁仪器厂的DDD-32D型电导率仪。该电导率传感器配有自动温度补偿功能;测量上限为lO4us/cm满足系统要求;输出信号为O-l0mA，满足A/D模块的输入信号要求。同时传感器反应时间也满足控制要求。酸碱度传感器同样满足这些要求。电磁阀选用交流24V开关阀，成本低且性能可靠，

40、易于控制。肥料进入混合罐的方法国内外有多种，主要有泵注方式、文丘里式、压差式、水驱动混合注入式等，综合考虑各种方法，本系统选用文丘里管作为吸肥器。该装置简便可靠，易于维护，便于控制。电气框图如下图2-2所示：图2-2 自动灌溉系统电气框图RS232接口就是串口，电脑机箱后方的9芯插座。计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。本设计采用的RS-232在PLC的外部。2.2 系

41、统硬件的选择2.2.1 PLC简介20世纪60年代，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制代替传统的继电接触器控制，但因价格昂贵，输入输出电路不匹配、编程复杂等原因，而没能得到推广和应用。20世纪60年代末，美国通用汽车公司(GM)为了适应汽车型号不断翻新的需要，提出需要有这样一种设备，即：(1)它的继电控制系统设计周期短，更改容易，接线简单，成本低。 (2)它能把计算机的许多功能和继电控制系统结合起来，但编程又比计算机简单易学，操作方便。(3)系统通用性强。PLC采用典型的计算机结构，主要包括CPU, RAM, ROM和输入输出接口电路。其内部采用总线结构进行数据和指令的传输。如果把PLC看作

42、一个系统，该系统由输入变量到输出变量组成。外部的各种开关信号，模拟量信号以及传感器检测到的各种信号均作为PLC的输入变量，它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算处理后送到输出端子，它们是PLC的输出变量。由这些输出变量对外围设备进行各种控制。所以可以把PLC看作一个中间处理器或变换器，它在程序的监控下，实现输入变量到输出变量的转换。 为保证PLC能在恶劣环境下可靠的运行，在设计和生产过程中采取了一系列的硬件和软件的抗干扰措施，主要有以几个方面： (1)隔离：这是抗干扰的主要措施之一。PLC的输入输出接口电路一般采用光电耦合器来传递信号。 (2)滤波：这是

43、抗干扰的另一个主要措施。在PLC的电源电路和输入，输出电路中设置了多种滤波电路，用于对高频干扰信号进行有效抑制。 (3)对PLC的内部电源采取屏蔽、稳压、保护措施，以减少外界干扰，保证供电质量。 (4)内部设置连锁，环境检测及诊断、看门狗电路等。 (5)利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采取信息保护和恢复措施。(6)对应用程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或信息不丢失(7)采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。(8)采用循环扫描的工作方式，提高抗干扰能力。2.2.2 PLC主机机型的选择一、系统选择PLC的要求1、体积小。本

44、系统要求做出一个小型的控制柜控制灌溉设各，应用于控制现场，所以在PLC 的选择上一定要兼顾体积小的因素。2、功能强大。本系统要求所选用的PLC应能够实现增加扩展模块的功能。并且不仅有数字量的扩展还有模拟量的扩展。所以选择时要注意能否增加扩展模块，以及扩展模块的数量问题。3、可靠性高。本系统要求能适应恶劣的农业生产环境，虽然没有很多的脉冲干扰，但温度和湿度环境很差。4、编程及设定参数简单方便。本系统的使用对象为农民，所以就设置时就要考虑农民的素质及技术熟练程度，所以选择的PLC应能够有很好的人机接口方式。5、应具有通讯接口。由于本系统可能要经常根据灌溉的需要更改灌溉程序，所以需要PLC具有很好的

45、编程环境，所以在选择PLC时要求既能够使用简易的编程器编程，同时也应该能够满足使用PC及编程，同时通讯口的存在又可以供开发人员开发上位机的相关产品，如监控、数据采集等。继电器输出。本系统由于直接驱动电磁阀，所以可以直接选用继电器输出出的PLC。二、主机机型的选择PLC灌溉控制系统的主要功能是:自动运行状态时，PLC的A/D模块执行对各个传感器的采样功能，并根据各个采样值通过相应的控制算法，分别控制各个执行元件。为了提高转换精度，我们应选择转换精度较高的A/D模块。本系统的控制对象大多是电磁阀等开关量负载，并且对输出的响应时间没有特别严格的要求，所以我们选择继电器输出型的PLC，它们可以直接去驱

46、动这些负载，而不需要增加中间继电器去转换线路。本系统的输入信号，除了配料所用的EC及PH传感器需要作为模拟量输入PLC外，其他的信号如压差信号，液位信号都可以通过有触点开关实现开关量控制。所以本系统需要的A/D模块有限，开关量信号也不多。由于PLC在输入处理上采用严格的光电偶合输入，大大的增加了控制可靠性。综合以上原因，我们采用三菱系列的PLC 。具体型号及技术参数如下: PLC FX-48MR-001 24入 24出PLC输入/输出主要由以下几部分组成：输入部分： 输出部分：系统启动总开关 注水电磁阀系统停止总开关 施肥加压泵混合罐水位开关 肥料电磁阀EC,PH传感器 酸液电磁阀 过滤器 压

47、差传感器 主水泵三、主机的技术性能环境规格：周围温度： -2070相对湿度： 3585%RH耐震性： 符合JIS C0040标准耐冲击性： 符合JIS C0041标准耐噪音： 噪音电压1000V耐电压： AC1500（1分钟）绝缘阻抗： DC500V，5M 使用环境： 无腐蚀性，可燃性气体，无大量导电性灰尘主要性能规格：运算控制方式： 存储程序反复扫描方式，有中断指令输入输出控制方式：批处理方式，输入输出刷新指令，有脉冲捕捉功能 编程语言： 继电器符号/步进梯形图方式 程序内存： 8K步EEPROM 指令种类： 顺控指令27个 步进梯形图指令2个 应用指令89种 运算处理速度： 基本指令0.5

48、5-0.7s 输出方式： 继电器/可控硅/晶体管 通讯规格： RS232通讯2.2.3 PLC扩展模块的选择一、主机特殊模块的选择在本系统中有较少的数字量输入，但却有相对比例较高的模拟量的输入，所以在选择PLC的机型时，既要考虑到选择输入量较少的PLC，以降低设备成本，同时又要考虑PLC主机的可扩展性，以及A/D模块的性能满足系统的要求。据以上情况，我们选择三菱系列的PLC作为控制核心。考虑模拟量输入较多的特点，我们选用三菱系列的FX-4AD主机作为控制核心，根据本系统的实际情况，此模块是一个2 A/D输入，1D/A输出的功能模块。故本系统我们选用的模块配置为：A/D模块，FX-4AD 二模拟

49、量模块技术性能指标表2-1 性能指标分配项目电压输入电流输入电压或电流输入的选择基于对输入端子的选择，一次可使用4个输入点模拟输入范围DC:-10V+10V (输入阻抗200千欧)DC:-20mA+20mA(输入阻抗250欧）数字输出12位的转换结果以16位二进制补码方式存储最大值:+2047; 最小值:-2048分辨率5mA(10V默认范围1/2000)20A(20mA默认范围1/1000)总体精度1（对于-10V-+10V的范围）1（对于-20mA-+20mA的范围）转换精度15ms/通道（常速）15ms/通道（常速）2.3 PLC的I/O分配表2-2 PLC输入分配表输入信号器件代号地址

50、编码功能说明SB1X0系统总启动总停止SB2X1报警消音液位传感器1X2混合罐液面过高液位传感器2X3混合罐液面过低温度传感器1X4温度过高开关量温度传感器2X5温度适中开关量光照传感器1X6光照过强开关量光照传感器2X7光照适中开关量SQ1X10遮阳棚开限位SQ2X11遮阳棚关限位表2-3 PLC的输出分配表输出信号器件代号地址编码功能说明KM1Y0主水泵KM2Y1注水电磁阀KM3Y2肥料电磁阀KM4Y3酸液电磁阀KM5Y4搅拌机KM6Y5施肥加压泵KM7Y6灌溉电磁阀1KM8Y7灌溉电磁阀2KM9Y10灌溉电磁阀3KM10Y11风机KM11Y12报警KM12Y13空气泵KM13Y14遮阳棚

51、开KM14Y15遮阳棚关2.4 硬件接线图电路中采用水位开关控制混合罐水位的上下限，通过拨码开关实现灌溉控制程序、灌溉时间、灌溉支路选择，输出采用PLC的电源输出，直接驱动24V直流电磁阀。主水泵及反冲洗环节可通过PLC的输出配合相应的驱动电路去驱动相应的三相异步电动机实现。主机及l/0扩展模块部分如图2-3所示。图2-3 PLC的主机及I/O扩展模块2.5 PLC程序流程图图2-4 PLC梯形图程序当混合罐液面过低时，报警器发出报警，当工作人员注意，知道按下消音按钮。当人员往混合罐放入肥料时，可按下注水阀，若不按，系统将自动向混合罐注水以稀释肥料，其模糊程序如下：表2-3 模糊程序表2.6本

52、章小结本章介绍了自动灌溉及施肥系统的结构、主要功能，并根据系统设计要求，完成了系统的总体设计和PLC的I/O硬件设计、A/D模块的选择、I/O口的分配。该系统总体设计合理，运行可靠，系统功能和性能指标能够满足设计要求。由本章内容可知，采用PLC作为控制核心，可以使控制方案的制定在较短的周期内完成，并且系统的可靠性和先进性并没有降低。第3章 营养液混合模糊控制器3.1 模糊控制系统概述自1965年美国加州大学教授L.A.Zadeh发表了关于模糊集的开创性论文以来，模糊理论经历了三十多年的艰难发展，到今天已成为国内国际研究的热点，并被权威人士评价为21世纪的核心技术。模糊控制是以模糊集合论、模糊语

53、言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。从线性控制和非线性控制的角度非类，模糊控制是一种非线性控制。从控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴。它避开数学模型，直接用机器来模仿人的思维。由于模糊控制对被控数学模型的依赖性不强，因此，对于那些因过程本身的不确定性、不精确性及噪声而难于建立数学模型或数学模型粗糙复杂的系统，用模糊控制更具有优越性。智能控制是人工智能、控制理论和管理科学相结合的产物。它依靠知识模型，把人类社会数以千万计的技术和非技术的人类行为和经验，归纳为若干系统化的规则，实现对系统的“拟人智能”控制。模糊控制作为智能控制的一种类型，是控制理论发展的高级阶段的产物，其研究

54、对象具备以下一些智能控制对象的特点：1模型不确定性；2非线性；3复杂任务的要求；模糊控制方法与通常分析系统所用的定量方法在本质上是不同的，它有三个主要特点：1用语言变量代替数学变量或者两者结合；2用模糊条件语句来刻画变量间的函数关系；3用模糊算法来刻画复杂关系。传统的自动控制理论，包括经典理论和现代控制理论，有一个共同的特点，即控制器的综合设计都要建立在被控制对象准确的数学模型(如微分方程、传递函数或状态方程)的基础上。实践证明，对于存在精确数学模型的自动控制系统，经典控制理论或现代控制发挥了巨大的作用，并取得了令人满意的控制效果。但是在实际工业生产中，很多系统的影响因素很多，十分复杂。建立精

55、确的数学模型特别困难，甚至是不可能的。原因如下：1有许多系统得不到准确的数学模型。很多工业生产过程是及其复杂的，“系统辨识”理论可以通过各种测试手段及数据处理方法获得数学模型，但很难得到确切描述这些过程的传递函数或状态方程，一些用其他方法得到的数学模型比较复杂，甚至用电子计算机也难于实现。2系统数学模型只能是系统的一种近似。对系统的了解不可能完全清楚和完全正确，所以建立的数学模型不可能与实际系统安全吻合，也就得不到精确的数学模型。【7】3.2 模糊控制基本原理模糊控制的基本原理其核心部分为模糊控制器。模糊逻辑控制由输入模糊化、模糊控制规则、模糊决策、模糊判决等部分组成。模糊控制算法可概括为以下

56、四个步骤： (1)根据本次采样得到的系统输出值，计算系统输入变量。 (2)将输入变量的精确量变为模糊量。 (3)根据输入变量的模糊量及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量(模糊量)。 (4)由上述得到的模糊控制量，计算精确控制量。具体方法是这样的：首先，决定每个模糊变量的包括若干语言变量的模糊语言集、等级划分及相应的论域。输入量模糊化后即对应于一定等级的一定隶属度。然后根据操作人员的经验制定输入变量、输出控制变量论域中不同等级所对应的模糊集中各个语言变量的隶属度。模糊控制规则是根据操作人员的经验总结出来的。它的形式为语言变量表示的模糊条件语句。经过以模糊规则为基础的模糊决策，可得到控制作

57、用的模糊集。然后用模糊判决方法得到输出控制量论域中的等级数，再经过输出精确化，即可输出控制指令。经过模糊决策及模糊判决得到模糊控制表，为了在生产控制中避免模糊关系矩阵合成运算所浪费的计算机时间，总是采取在脱机状态F将全部输入输出之间关系计算出来，形成一张模糊控制表，存入计算机内存中，在某一采样时刻根据输入变量直接去查控制表，就可以得到输出响应。控制规则和控制表需在实际系统实验中不断修正，才能得到较好的控制效果。3.3 营养液在线混合控制原理与特点3.3.1 工作原理现代化微灌系统中农作物所需养分来自营养液，所以在灌溉过程中不但要根据作物需求进行灌溉，还要将适合作物生长的一定成分、一定浓度的营养

58、液通过灌溉水提供给作物。而营养液与水的混合是在灌溉过程中进行，因此，营养液的混合、检测的控制是一个实时控制系统。营养液自动混合控制系统的组成如图3-1所示。系统由PLC控制柜、灌溉管路、营养液混合系统等几部分组成。其中营养液混合系统包括混合罐、抽吸营养液用的文丘里管(施肥器)、电磁阀(根据施加肥料种类的不同可有多个，图中仅示出一个)，PH值、EC值传感器等。【8】图3-1 自动营养液混合控制系统带的构成当灌溉进行时，主水泵1启动，管道1中的灌溉水在稳压阀的作用下以一定压力流动。其中大部分灌溉水流经管道2流向灌溉区域。另外一小部分水流经管道3流向混合罐，和通过文丘里管流向混合罐的营养液在混合罐中

59、混合。当混合罐中的水位达到一定数值时，液位控制阀关闭管道3与罐之间的通道。当需要施加营养液时，启动施肥泵，同时管道3向混合罐注水，使混合罐中的水流接通文氏里管吸肥管路中的电磁阀，混合罐中的水便经施肥泵加压后经管道4泵入主管道2。同时，当文丘里管中有水流流动时，在文丘里管处产生负压，营养液母液便通过文丘里管流向混合罐。混合罐内装有搅拌装置，故可使营养液与混合罐的水能够均匀混合。在主管道的出水管道3上还引出一路水流用以安装PH值和EC值传感器，检测混合液中的PH值和EC值。检测值输送给PLC的A/D模块，根据设定的营养液浓度通过实验得到电磁阀开关脉冲宽度指令，通过控制电磁阀在一个控制周期内的开关间

60、隔时间，使混合液中的营养液浓度保持在给定的范围之内。3.3.2 特点本系统的特点如下：(1)系统延迟大：营养液母液与灌溉水都是从混合罐项部进入混合罐，在混合罐中通过搅拌混合，混合水从混合罐顶部沿罐的内壁切线方向流向底部，从底部的出口处流出，再经过水泵然后才到传感器的检测处，因此系统延迟非常大。(2)有不确定因素的复杂系统：营养液与水的混合过程中存在混合均匀度不稳定的情况，同时混合罐中水位的高低，混合水的流速与方向等不确定因素的存在，使系统成为有多种不确定因素和干扰的复杂系统。(3)系统惯性大,由于水的惯性及水流和混合罐入口到出口的不均匀流动，造成混合罐及主管道内存在部分深液残余，使系统必然有很