基于模糊PLC的施肥灌溉控制系统的研究

摘要现代设施农业是利用围护结构设施，把肯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，改善或创建更佳的环境气候，为植物和动物生长供应良好的环境条件，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，形成高浓度的养分液母液，再在作物须要施肥时，将养分液母液与水混合成肯定浓度的养分液，通过微灌系统供应应作物，对作物的生长发育有重要影响，因此，养分液混合技术己经成为浇灌自动限制中的一项关键技术。浇灌自动限制模式与人工限制方式相比，具有节约水、肥、能量、杀虫剂、人工等优点，并可基本消退在浇灌过程中人为因素造成的不利影响，提高操作的精确性，有利于浇灌过程的科学管理和先进浇灌技术的推广。同时通过浇灌限制系统适时、适量的浇水，提高作物产量，有利于我国广阔农村劳动力的转移和农村经济结构的调整，同时，对环境爱护也起到肯定的作用。本文从现代设施农业的发展须要着手，介绍了自动浇灌限制系统的构成，具体的介绍自动浇灌限制中养分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，提出了利用模糊限制逻辑解决养分液的在线配置问题。具体的介绍了养分液配置中模糊限制器的构成，并构造简洁的试验验证模糊限制器的合理性及模糊限制器采样时间的设计问题。利用PLC这一先进的工业限制设备来限制农业设备，更加体现了PLC可以适应恶劣环境这一重大特点。关键词：施肥浇灌；模糊限制；PLCAbstractEstablishmentAgricultureisusingsomeequipmenttoencloseaninterspace,formingasemi-closesystem.Thesystemprovideswithmorefeasibleclimatecondition,whichacceleratingplantoranimalsgrowthandsothatoutputenhanced.EstablishmentAgricultureconsistsoftwoparts.Oneisestablishedplanting,theotherisestablishedbreeding.Inthefieldofestablishedplanting,micro-spraytechnologymakesapromotiontofertilizationmethods,so-calledfluidfertilizingtechnology.Thiskindtechnologydissolvesthenutrientplantneededintowaterandgetsoriginalliquid.Whenfertilizingplant,weonlyneedtoadjustthicknesswithwaterandfertilizebymicro-spray.Thesemustbehelpfultoplantgrowth,sogettingmixtureiskeyofthemicro-sprayautocontrol.Comparingautocontrolmodelwithmanualwork,therearemanyadvantages,suchassavewater,fertilizer,energy,pesticide,physicalforceandsoon.Inaddition,autocontrolmodelcanavoiddisbennifitinfectionbyhumanfactors,improveoperateveracity.Moreover，themodelisgoodforscientificmanagementandadvancetechnicspread.Thispaperembarksfromdevelopmentofmodernestablishmentagricultureintroducingdetailedlyaboutthemixturetechnologyintheautocontrolspraysystem.Consideringthefactofthisfield,IputforwardutilizeingFuzzycontroltosolutemixtureonline.ParticularlyintroducethecomprisingofFuzzycontroller,anddesignexperimenttoprovecontrollerrationalityandgetreasonablesampletime.Fromthedevelopmentofmodernagriculturalfacilities,introducedtocontrolsystemofautomaticirrigation,detailedintroducesautomaticirrigationcontrolofthekeytechnologyconfigurationnutrientsolution.Combiningthecurrentfield,putsforwardthepracticalfuzzycontrollogictosolveproblemofonline.Detailedintroducesthenutrientallocationoffuzzycontrollerwithsimplestructure,andtheexperimentalresultsverifytherationalityofthefuzzycontrollerandthefuzzycontrollerdesignproblemofsamplingtime.UsingtheadvancedPLCtocontroltheindustrialcontrolequipmentofagriculturalequipment,manifestedthePLCcanadapttobadenvironmentthisimportantcharacteristics.Keywords：Fertilizespray；Fuzzycontrol；PLC目录TOC\o"1-2"\h\z\u第1章绪论 11.1现代设施农业和施肥浇灌技术介绍 11.2施肥浇灌系统方案概述 21.3设计目的 31.4课题探讨的主要内容 4第2章施肥浇灌限制系统总体设计 52.1系统设计流程 52.2系统硬件的选择 92.3PLC的I/O安排 132.4硬件接线图 142.5PLC程序流程图 162.6本章小结 17第3章养分液混合模糊限制器 183.1模糊限制系统概述 183.2模糊限制基本原理 193.3养分液在线混合限制原理与特点 193.4养分液混合模糊限制器实现 213.5本章小结 25第4章施肥浇灌限制系统中模糊限制实现 264.1模糊限制流程图 264.2模糊限制周期选择 274.2模糊限制的实现 284.3本章小结 29结论 30参考文献 31致谢 32附录1 33第1章绪论近几年来，随着水资源的日趋惊慌，世界各国都在主动探究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，提高浇灌效率而发展起来的浇灌技术之一。现代设施栽培中的浇灌技术是以微浇灌技术为基础发展起来的。从1860年起先，很多国家就运用排水瓦管，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，利用地下水位的变更，以及依据土壤水分的张力确定管道中流到土壤里的水量进行浇灌。荷兰、英国首先应用这种浇灌方法浇灌温室中的花卉和蔬菜。其次次世界大战后，随着塑料工业的迅猛发展，各种塑料管相继出现。由于它简洁穿孔和连接，且价格低廉，使浇灌系统在技术上实现了其次次突破，这也是目前广泛采纳的浇灌模式。近十年来，微灌作为新兴的浇灌技术在世界各地得到了较快的发展。依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），比五年前增长了63%。尽管至今微灌技术在世界总浇灌面积的比重很小，不到0.8%，但其增长率远高于其他浇灌方法。同时不同于传统的浇灌方法的采纳，给作物的施肥技术带来了极大的变更，它导致了一个全新的概念—水肥浇灌的兴起。采纳滴灌系统进行施肥，可以干脆接触植物的根部，避开奢侈且高效，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特别广泛。系统施肥器（用于养分与水混合）受计算机或小型限制器限制，已实现精确施肥。在浇灌设施发展的同时，自动浇灌限制系统以及相应的理论探讨也得到了高度重视。现在国外的现代微灌系统都已经普遍采纳计算机限制。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。还有的传感系统能通过检测植物的茎和果实的直径变更，来确定对植物的浇灌间隔。在温室等设施内较多运用小型浇灌限制器，这种设备通常能限制儿路或十几路电磁阀，内有若干种浇灌管理程序，浇水时间可按日期设定每次每路浇灌水起始时间，操作便于小规模经营，计算机化操作运行精密、牢靠、节约人力。【1】1.1现代设施农业和施肥浇灌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年头初起先出现，在实现对养分液、温度、光照、C02施肥等进行综合限制方面做了一些探讨。但在养分液自动混合及施肥限制方面还属引进汲取阶段。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，设置了计算机环境调控专题，以提高白主开发实力。我国设施农业计算机的应用和发展，在总体上正从消化汲取、简洁应用阶段向好用化、综合性应用阶段过渡和发展。尽管设施栽培浇灌技术近十几年来在我国得到了较快的发展，但是综合环境限制水平还很低，自动浇灌及施肥限制技术的发展目前还只限于引进汲取阶段，而且浇灌限制和养分液自动混合限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浇灌系统方面相对于先进国家所存在的差距是还不能实现养分液自动混合限制。养分液混合还停留在运用施肥器完成液体肥和水的混合，然后通过管网送到作物四周的阶段。我国温室大棚浇灌大部分都没有运用施肥器，即使运用，也只用一种压力式的施肥罐，施肥量很不匀称。虽然，近几年有些厂家也生产了文丘里式、射流式施肥器，但均没有形成生产实力，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。自动浇灌限制系统，除个别引进国外成套设备以外，国内还没有成型的产品，生产中运用的基本上还是缺少操作阀门的设备。不论浇灌还是施肥还停留在单个因子的调整上，不能实现与温室综合环境限制中的其他环境因子的综合限制。不能实现浇灌专家系统。浇灌限制主要还是依照人的阅历去进行，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、牢靠、先进的自动浇灌系统是我国今后设施栽培节水浇灌设备发展的主要方向。在设施农业生产中，合理浇灌技术的关键是限制灌水的匀称度，以适量的水进行适时浇灌，既能满足作物对水的须要，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，这也是发呈现代温室大棚水浇灌技术追求的目标，必需深化探讨作物生长过程的需水信息和环境因素，利用计算机自动限制灌水时间和灌水量，达到适时、适量、按需灌水，依据作物生长过程对水、肥、药、环境等的须要，开发适合不同温室大棚作物须要的设备，以满足农业发展的需求。目前，国内市场上应用的温室浇灌关键设备，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，当务之急是汲取国外同类型温室成套设备的开发和研制，替代进口产品，是我们今后重要而紧迫的任务。1.2施肥浇灌系统方案概述设施栽培技术中的施肥浇灌系统一般主要包括四部分：水源、中心限制组件、管网系统和灌水器。其中中心限制组件包括水泵、过滤器、浇灌泵、压力和流量监测设备、压力爱护装置、施肥设备和自动化限制设备。管网系统包括各级主支管道，各种口径的管道限制阀门，排污设备，田间枢纽，毛管等。灌水器即微灌头和滴灌管等。本课题探讨主要设计中心限制组件部分，集中于利用计算机及自动限制技术实现自动浇灌、自动养分液混合及施肥。在国外已经成熟的浇灌产品中，自动浇灌系统的实现方案有多种。它们的主要组成部分大致相同，主要有限制器、水泵、浇灌网管、过滤器、养分液混合装置、各种传感器、浇灌电磁阀及其他监控水路压力及流量的装置等。而在实现浇灌自动限制养分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。白动浇灌系统产品一般采纳上述某种吸肥方式吸肥，养分液与水在混合罐中混合，再由施肥泵将混合后的养分液注入浇灌主管，检测主管浇灌水流中养分液浓度作为限制器反馈值的方法，实现养分液在线混合限制。养分液浓度限制一般采纳检测并限制养分液电导率(EC)值、酸碱度(PH)值的方法。限制方法上多运用阈值限制，模糊逻辑限制应用也较多。本探讨依据系统的实际应用须要，结合先进的微灌技术，实现在设施栽培中，依据用户设置的浇灌与施肥方案，自动浇灌与施肥，以及依据不同作物的不同须要，实现不同浓度养分液的在线自动混合限制。系统采纳PLC(可编程序限制器)作为主限制器，通过限制浇灌用电磁阀的开启与关闭，实现白动浇灌。养分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浇灌水的养分液浓度作为反馈，限制养分液母液注入管路电磁阀的开启与关闭，以实现养分液浓度在线混合，自动限制，由于养分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。采纳模糊限制实现养分液自动混合。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运用。系统性能牢靠，易于安装,维护,操作便利，快捷,同时构成简洁，设计合理，价格低廉。【2】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，把肯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，改善或创建更佳的环境气候，为植物和动物生长供应良好的环境条件，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，形成高浓度的养分液母液，再在作物须要施肥时，将养分液母液与水混合成肯定浓度的养分液，通过微灌系统供应应作物，对作物的生长发育有重要影响，因此，养分液混合技术己经成为浇灌自动限制中的一项关键技术。浇灌自动限制模式与人工限制方式相比，具有节约水、肥、能量、杀虫剂、人工等优点，并可基本消退在浇灌过程中人为因素造成的不利影响，提高操作的精确性，有利于浇灌过程的科学管理和先进浇灌技术的推广。同时通过浇灌限制系统适时、适量的浇水，提高作物产量，有利于我国广阔农村劳动力的转移和农村经济结构的调整，同时，对环境爱护也起到肯定的作用。本课题的探讨目的是针对我国浇灌系统自动化程度低的问题。介绍了自动浇灌限制系统的构成，具体的介绍自动浇灌限制中养分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，提出了利用模糊限制逻辑解决养分液的在线配置问题。具体的介绍了养分液配置中模糊限制器的构成，并利用PLC这一先进的工业限制设备来限制农业设备，更加体现了PLC可以适应恶劣环境这一重大特点。【3】1.4课题探讨的主要内容在设施栽培中，依据用户设置的浇灌与施肥方案，实现自动浇灌与施肥，或依据不同作物的不同须要，实现不同养分液在线的自动混合限制，并应用plc做主限制器，通过限制浇灌用电磁阀的开启与关闭，实现自动浇灌。养分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浇灌水的养分液浓度作为反馈，限制养分液母液注入管路电磁阀的开启与关闭，以实现养分液浓度在线混合，自动限制，由于养分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。采纳模糊限制实现养分液自动混合。第2章施肥浇灌限制系统总体设计2.1系统设计流程系统结构在现代设施农业中，由于微灌技术的产生和发展，可以不再采纳传统的施肥方法向作物供应生长发育所须要的养分，而是可以采纳水肥微灌技术干脆将养分液通过浇灌水供应应作物，这种方法能够更高效、科学的进行施肥。借助于这种方法，栽种者可以依据不同作物的不同生育阶段的养分须要，以及依据不同气候、水质等条件，配制各种养料成分与浓度的养分液，更有效的培育作物。水肥浇灌是将要施加的养分，如氮、磷、镁和其他微量元素，溶于水，形成高浓度的养分液母液，在须要施加养分液时，便将养分液混合到浇灌水中，再配以防止养分液碱性过高而添加的酸液，形成肯定浓度的养分液，通过微灌系统管网输送给作物，实现施肥。因此，现代浇灌系统还包括养分液混合限制系统，实现在浇灌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浇灌，所以自动浇灌系统还必需配以过滤设备，以保证浇灌水清洁而不会堵塞微灌系统。同时，为了保证系统管路压力和流量的稳定，还必需保证管路系统水的流量的稳定。为了使得肥料能够按肯定的比例被吸入水路，还须要肯定的施肥设备与其配套运用。管路在须要的时候投入工作，系统还须要一些配套的电磁阀。为实现综合环境限制的目标，自动浇灌系统还应当有限制其他环境因子的实力，如温度，CO2，浓度、空气湿度等，本课题主要完成对浇灌及养分液浓度的自动限制，暂不涉及综合环境限制。本文设计的自动浇灌限制系统的构成如图2-1所示：由自动浇灌限制和养分液混合限制两部分组成。浇灌限制由主水泵，稳压阀，PLC，过滤器，各浇灌区域管网、浇灌电磁阀等构成。养分液混合限制系统由PLC混合罐，各个肥料罐，酸液罐，施(吸)肥器、限制添加养分液母液和酸液的电磁阀，施肥泵，电导率传感器等构成。浇灌水首先要经过过滤器的过滤，才能输送到浇灌区域。过滤器工作时间累计到了肯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肯定值时，要对过滤器进行反冲洗，以保证系统过滤效果。浇灌系统工作时主水泵打开，稳压阀使主浇灌管道中的水流保持稳定的水压。在每个浇灌支路上装有一对电磁阀，当某种作物须要浇灌时，只要限制中心输出限制指令，打开该作物的浇灌支路上的电磁阀，浇灌水就可以输送到该浇灌区域，通过灌水器(如微喷头、滴灌器等)完成作物的浇灌。而某一时刻，某一浇灌区域是否实施浇灌，则由系统限制中心依据操作者所设定的浇灌程序来确定。图2-1自动浇灌系统的构成限制养分液混合限制系统完成养分液在线自动混合限制功能。施肥过程是与浇灌过程同时进行的，用户可以设定浇灌方式及浇灌时间，则在设置下启动养分液混合限制系统，并将混合后的养分液随浇灌水一起输送到浇灌区域。养分液混合限制系统启动后，来自主管道的浇灌水注入到混合灌中，同时打开肥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传感器是限制系统的检测元件，在养分液混合中，标记养分液浓度的指标是混合后养分液的电导率(EC值)和酸碱度(PH值)。所以养分液混合限制系统的目标就是按系统养分浓度设定值，实时限制混合后养分液的电导率(EC值)和酸碱度(PH值)。系统工作时依据电导率(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限制指令，使混合后养分的电导率(EC值)和酸碱度(PH值)稳定在设定值上。整个系统的协调及限制均由PLC(可编程序限制器)来完成，包括浇灌与养分液的在线混合，过滤与反冲洗以及系统的模糊限制等。系统设计要求(1)系统主要功能系统启动后，自动运行，按浇灌程序自动浇灌。如变更浇灌程序，只需在限制面板上通过拨码开关变更程序编号即可。依据用户的浇灌要求：通过限制面板的拨码开关实现20路浇灌电磁阀的选择浇灌限制。养分液自动混合限制：系统依据养分液浓度指标溶液电导率与酸碱的设定值，在线自动混合养分液。过滤器过滤与反冲洗限制：依据检测到的过滤器出入口压差值限制反冲洗操作。实时报警功能：当系统出现异样，马上报警，停止运行各种浇灌动作，等待操作者处理。浇灌程序就是用户依据作物生长的须要设置的浇灌与施肥方案。系统允许用户同时设置多个浇灌程序，每个浇灌程序包括程序启动方式，运行时间与间隔，浇灌程序采纳的养分液配方料种类与养分液浓度等等)。这些设置事实上确定了某种作物的浇灌方案。系统依据浇灌程序设置，自动、有序地实现自动浇灌与施肥，完成每个用户浇灌程序。系统可以对各种异样状况报警，如养分液浓度异样，混合罐水位异样等，避开系统故障及浇灌无误。(2)系统性能要求为保证自动浇灌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实力。如温度(-10～70)，湿度等。系统的平安性：要保证重要数据(如系统设置，浇灌程序设置、历史浇灌信息、时钟信息等)不因电源电压下降、掉电等缘由而丢失。系统的牢靠性：尽量降低人为因素导致系统无法正常工作，或浇灌失误。如在用户进行系统与浇灌程序设置时，系统设定值不合理。同时，系统因非人为缘由而工作异样时，大部分状况下应能自动订正或发出警告。系统抗干扰实力：限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。为满足限制系统性能，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转换精度和辨别率，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、限制算法的运算时间等。系统应具有进一步的扩展空间，如浇灌阀数量的增加(即浇灌区域的扩展)，须要限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加功能。系统的实现依据系统功能及设计要求，系统实行PLC作为限制中心，通过限制面板上的限制开关实现浇灌的开关量限制，通过柜面的拨码开关实现限制方案的选择即浇灌程序的选择，借助于PLC的编程软件，实现浇灌程序的修改操作。由于该系统较多的运用在农田及温室中，所以系统一经试验胜利投入运用，即只供应运用时的功能选择，不供应上位机的适时监控等操作。但须要程序员修改浇灌程序时可以便利的通过PC机进行修改。系统包括自动浇灌与自动养分液自动混合两部分。这两部分的限制都由PLC进行限制。限制柜由按钮开关，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。自动浇灌限制部分要限制的部件有:主水泵的开关，浇灌电磁阀的开关，过滤器的反冲洗开关等。在系统须要浇灌时，PLC向水泵发送打开指令，浇灌结束时，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，也可以依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。依据本系统的限制要求，压差传感器可以采纳输出开关量的压差传感器。系统依据检测到的压差值限制反冲洗的起动与停止。养分液自动混合限制系统工作时，施肥加压泵打开，依据混合罐水位，限制注水阀开关，使混合罐中的水流通起来。同时依据EC,PH传感器的采样信息，由限制算法得到限制指令，该指令限制肥料与酸液电磁阀的开关，完成养分液的混合工作。依据系统设计要求，EC、PH这两种传感器要实现在线检测以满足养分液在线混合的须要。同时，为满足限制系统的性能要求，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限制要求。酸碱度传感器同样满足这些要求。电磁阀选用沟通24V开关阀，成本低且性能牢靠，易于限制。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。该装置简便牢靠，易于维护，便于限制。电气框图如下图2-2所示：图2-2自动浇灌系统电气框图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纳串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有运用线路少、成本低，特殊是在远程传输时，避开了多条线路特性的不一样而被广泛采纳。在串行通讯时，要求通讯双方都采纳一个标准接口，使不同的设备可以便利地连接起来进行通讯。本设计采纳的RS-232在PLC的外部。2.2系统硬件的选择2.2.1PLC简介20世纪60年头，人们曾试图用小型计算机来实现工业限制代替传统的继电接触器限制，但因价格昂贵，输入输出电路不匹配、编程困难等缘由，而没能得到推广和应用。20世纪60年头末，美国通用汽车公司(GM)为了适应汽车型号不断翻新的须要，提出须要有这样一种设备，即：(1)它的继电限制系统设计周期短，更改简洁，接线简洁，成本低。(2)它能把计算机的很多功能和继电限制系统结合起来，但编程又比计算机简洁易学，操作便利。(3)系统通用性强。PLC采纳典型的计算机结构，主要包括CPU,RAM,ROM和输入输出接口电路。其内部采纳总线结构进行数据和指令的传输。假如把PLC看作一个系统，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限制。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能在恶劣环境下牢靠的运行，在设计和生产过程中实行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纳光电耦合器来传递信号。(2)滤波：这是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的内部电源实行屏蔽、稳压、爱护措施，以削减外界干扰，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，并实行信息爱护和复原措施。(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)采纳密封、防尘、抗震的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。(8)采纳循环扫描的工作方式，提高抗干扰实力。2.2.2PLC主机机型的选择一、系统选择PLC的要求1、体积小。本系统要求做出一个小型的限制柜限制浇灌设各，应用于限制现场，所以在PLC的选择上肯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。所以选择时要留意能否增加扩展模块，以及扩展模块的数量问题。3、牢靠性高。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、编程及设定参数简洁便利。本系统的运用对象为农夫，所以就设置时就要考虑农夫的素养及技术娴熟程度，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。由于本系统可能要常常依据浇灌的须要更改浇灌程序，所以须要PLC具有很好的编程环境，所以在选择PLC时要求既能够运用简易的编程器编程，同时也应当能够满足运用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。本系统由于干脆驱动电磁阀，所以可以干脆选用继电器输出出的PLC。二、主机机型的选择PLC浇灌限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，并依据各个采样值通过相应的限制算法，分别限制各个执行元件。为了提高转换精度，我们应选择转换精度较高的A/D模块。本系统的限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殊严格的要求，所以我们选择继电器输出型的PLC，它们可以干脆去驱动这些负载，而不须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传感器须要作为模拟量输入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限制。所以本系统须要的A/D模块有限，开关量信号也不多。由于PLC在输入处理上采纳严格的光电偶合输入，大大的增加了限制牢靠性。综合以上缘由，我们采纳三菱系列的PLC。具体型号及技术参数如下:PLCFX-48MR-00124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差传感器主水泵三、主机的技术性能环境规格：四周温度：-2070℃相对湿度：3585%RH耐震性：符合JISC0040标准耐冲击性：符合JISC0041标准耐噪音：噪音电压1000V耐电压：AC1500（1分钟）绝缘阻抗：DC500V，5M运用环境：无腐蚀性，可燃性气体，无大量导电性灰尘主要性能规格：运算限制方式：存储程序反复扫描方式，有中断指令输入输出限制方式：批处理方式，输入输出刷新指令，有脉冲捕获功能编程语言：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s输出方式：继电器/可控硅/晶体管通讯规格：RS232通讯2.2.3PLC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。据以上状况，我们选择三菱系列的PLC作为限制核心。考虑模拟量输入较多的特点，我们选用三菱系列的FX-4AD主机作为限制核心，依据本系统的实际状况，此模块是一个2A/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﹑模拟量模块技术性能指标表2-1性能指标安排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，一次可运用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辨别率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）2.3PLC的I/O安排表2-2PLC输入安排表输入信号器件代号地址编码功能说明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2-3PLC的输出安排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浇灌电磁阀1KM8Y7浇灌电磁阀2KM9Y10浇灌电磁阀3KM10Y11风机KM11Y12报警KM12Y13空气泵KM13Y14遮阳棚开KM14Y15遮阳棚关2.4硬件接线图电路中采纳水位开关限制混合罐水位的上下限，通过拨码开关实现浇灌限制程序、浇灌时间、浇灌支路选择，输出采纳PLC的电源输出，干脆驱动24V直流电磁阀。主水泵及反冲洗环节可通过PLC的输出协作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2-3PLC的主机及I/O扩展模块2.5PLC程序流程图图2-4PLC梯形图程序当混合罐液面过低时，报警器发出报警，当工作人员留意，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本章小结本章介绍了自动浇灌及施肥系统的结构、主要功能，并依据系统设计要求，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口的安排。该系统总体设计合理，运行牢靠，系统功能和性能指标能够满足设计要求。由本章内容可知，采纳PLC作为限制核心，可以使限制方案的制定在较短的周期内完成，并且系统的牢靠性和先进性并没有降低。第3章养分液混合模糊限制器3.1模糊限制系统概述自1965年美国加州高校教授发表了关于模糊集的开创性论文以来，模糊理论经验了三十多年的艰难发展，到今日已成为国内国际探讨的热点，并被权威人士评价为21世纪的核心技术。模糊限制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字限制。从线性限制和非线性限制的角度非类，模糊限制是一种非线性限制。从限制器的智能性看，模糊限制属于智能限制的范畴。它避开数学模型，干脆用机器来仿照人的思维。由于模糊限制对被控数学模型的依靠性不强，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困难的系统，用模糊限制更具有优越性。智能限制是人工智能、限制理论和管理科学相结合的产物。它依靠学问模型，把人类社会数以千万计的技术和非技术的人类行为和阅历，归纳为若干系统化的规则，实现对系统的“拟人智能”限制。模糊限制作为智能限制的一种类型，是限制理论发展的高级阶段的产物，其探讨对象具备以下一些智能限制对象的特点：1．模型不确定性；2．非线性；3．困难任务的要求；模糊限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．用模糊算法来刻画困难关系。传统的自动限制理论，包括经典理论和现代限制理论，有一个共同的特点，即限制器的综合设计都要建立在被限制对象精确的数学模型(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限制系统，经典限制理论或现代限制发挥了巨大的作用，并取得了令人满足的限制效果。但是在实际工业生产中，很多系统的影响因素很多，特别困难。建立精确的数学模型特殊困难，甚至是不行能的。缘由如下：1．有很多系统得不到精确的数学模型。很多工业生产过程是及其困难的，“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，但很难得到准确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困难，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。对系统的了解不行能完全清晰和完全正确，所以建立的数学模型不行能与实际系统平安吻合，也就得不到精确的数学模型。【7】3.2模糊限制基本原理模糊限制的基本原理其核心部分为模糊限制器。模糊逻辑限制由输入模糊化、模糊限制规则、模糊决策、模糊判决等部分组成。模糊限制算法可概括为以下四个步骤：(1)依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)依据输入变量的模糊量及模糊限制规则，按模糊推理合成规则计算限制量(模糊量)。(4)由上述得到的模糊限制量，计算精确限制量。具体方法是这样的：首先，确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肯定等级的肯定隶属度。然后依据操作人员的阅历制定输入变量、输出限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。模糊限制规则是依据操作人员的阅历总结出来的。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，可得到限制作用的模糊集。然后用模糊判决方法得到输出限制量论域中的等级数，再经过输出精确化，即可输出限制指令。经过模糊决策及模糊判决得到模糊限制表，为了在生产限制中避开模糊关系矩阵合成运算所奢侈的计算机时间，总是实行在脱机状态F将全部输入输出之间关系计算出来，形成一张模糊限制表，存入计算机内存中，在某一采样时刻依据输入变量干脆去查限制表，就可以得到输出响应。限制规则和限制表需在实际系统试验中不断修正，才能得到较好的限制效果。3.3养分液在线混合限制原理与特点工作原理现代化微灌系统中农作物所需养分来自养分液，所以在浇灌过程中不但要依据作物需求进行浇灌，还要将适合作物生长的肯定成分、肯定浓度的养分液通过浇灌水供应应作物。而养分液与水的混合是在浇灌过程中进行，因此，养分液的混合、检测的限制是一个实时限制系统。养分液自动混合限制系统的组成如图3-1所示。系统由PLC限制柜、浇灌管路、养分液混合系统等几部分组成。其中养分液混合系统包括混合罐、抽吸养分液用的文丘里管(施肥器)、电磁阀(依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自动养分液混合限制系统带的构成当浇灌进行时，主水泵1启动，管道1中的浇灌水在稳压阀的作用下以肯定压力流淌。其中大部分浇灌水流经管道2流向浇灌区域。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养分液在混合罐中混合。当混合罐中的水位达到肯定数值时，液位限制阀关闭管道3与罐之间的通道。当须要施加养分液时，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淌时，在文丘里管处产生负压，养分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，故可使养分液与混合罐的水能够匀称混合。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，依据设定的养分液浓度通过试验得到电磁阀开关脉冲宽度指令，通过限制电磁阀在一个限制周期内的开关间隔时间，使混合液中的养分液浓度保持在给定的范围之内。特点本系统的特点如下：(1)系统延迟大：养分液母液与浇灌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，因此系统延迟特别大。(2)有不确定因素的困难系统：养分液与水的混合过程中存在混合匀称度不稳定的状况，同时混合罐中水位的凹凸，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困难系统。(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匀称流淌，造成混合罐及主管道内存在部分深液残余，使系统必定有很大的惯性。(4)传递函数很难确定：系统构成虽然简洁，但因为涉及困难的流体力学以及水泵、传感器等的数学模型，因此要得到精确的数学模型则比较困难。(5)执行机构不能连续调整流量，系统采纳只有开关两种状态的电磁阀实现限制，只能限制电磁阀的开关时间，不能调整养分液母液的流量。由于系统的上述特点，不相宜采纳传统的限制方法。而模糊逻辑限制不依靠于系统精确数学模型，又适合困难系统的限制，同时可以输出的限制指令能够限制电磁阀在一个限制周期内的开关比例，解决了电磁阀流量不能连续限制的问题。因此，养分液在线混合限制系统采纳模糊限制方法实现养分液自动混合限制。3.4养分液混合模糊限制器实现模糊限制器的设计包括以下几项内容：(1)确定模糊限制器的输入变量和输出变量。(2)设计模糊限制器的限制规则。(3)确立模糊化和非模糊化的方法。(4)选择模糊限制器的输入变量及输出的论域并确定模糊限制器的参数(如量化因子和比例因子)。(5)编制模糊限制算法的应用程序。(6)合理选择模糊限制算法的采样时间。模糊限制器的结构设计前面分析指出，模糊限制属于计算机数字限制的一种形式。因此，模糊限制系统的组成类同与一般的数字限制系统。模糊限制系统一般分为四个部分：1．模糊限制器2．输入、输出接口装置模糊限制器通过输入输出接口从被控对象获得数字信号量，并将模糊限制器决策的输出数字信号经过数模转换，将其转变为模拟信号，送给执行机构去限制被控对象。3．广义对象包括被控对象及执行机构，被控对象可以是线性或非线性的，定常的或时变的，也可以是单变量或多变量的、有时滞或无时滞的以及有强干扰的多种状况。被控对象缺乏精确数学模型的状况相宜选择模糊限制，但也不排斥有较精确的数学模型的被控对象，也可以采纳模糊限制方案。4．传感器传感器是将被控对象或各种过程的被限制量转换为电信号的一类装置。被限制量往往是非电量，如温度、压力等。传感器在模糊限制系统中占有特别重要的位置，他的精度往往影响整个限制系统的精度。在选用时，应选用精度高且稳定性好的传感器。在设计模糊限制器时，可以依据不同的被控对象和对系统的性能指标要求作为结构选型参考的依据。一般是将偏差e，偏差变更△e，以及△e的变更△2e作为输入变量。通常将模糊限制器的输入变量的个数称为模糊限制器的维数。模糊限制器的维数越高，限制越精细。但维数过高，模糊限制规则变得过于困难，限制算法的实现相当困难。这里，本系统选用二维模糊限制器，即以偏差e和偏差变更△e作为输入变量，模糊限制系统框图如图3-2所示。图3-2模糊限制器这时的模糊限制器类似于一个PD限制器，从而有利保证系统的稳定性，削减响应过程的超调量以及减弱其振荡现象。输出语言变量一般选取输出结构，有利于模糊限制规则的建立。【9】模糊限制器的输入、输出变量的论域及模糊限制器参数的确定(1)选择模糊语言变量并定义其论域很明显，一个语言变量选用的语言值分档越多，对事物的描述就越细腻、精确、生动，制定的限制规则就比较敏捷，限制规则本身也比较详尽，因而限制效果就越好。但是语言值分档太多，反而有可能使限制规则变得很困难，编制程序比较困难，占用内存储器空间也较多;选择较少的分档，限制规则相应变少，规则的实现便利了，但过少的规则又会使限制作用变得粗糙而达不到预期效果。一般来说，一个语言变量选用m=2～10个语言值较相宜。最终得到的模糊限制表是以整数表示输入量和限制量的。为了生成限制表，合成推理方法中(CRI)，要求将变量具有清晰性的基本论域转换成有限个数的模糊论域，也就是把连续变更论域离散化成为离散论域。一般而言，模糊论域的元素个数为2n+1，它和语言变量的分档数m的关系为2n+1=km，其中k=2～3。因为本系统延迟很大，并且由于混合罐中水流的放置混合方式使检测到的PH值、EC值的波动大，e和△e的模糊语言值和论域等级不宜过多。同时，依据本系统传感器A/D采样值的数据分析，选取m=5,k=2。e,△e和u的语言真值集为:E,EC,U。其中E=(NB,NS,ZE,PS,PB)论域为:(-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4);EC=(NB,NS,ZE,PS,PB)论域为:(-4，-3,-2，-1,0,1,2,3,4);U=(NB,NS,ZE,PS,PB)论域为:(-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4)。(2)确定各语言变量隶属函数一个语言变量是由它的一系列语言值的集合来描述的，而每一个语言值又是一个模糊量，即模糊子集。模糊子集是用隶属函数描述的。如表3-1所示。表3-1隶属函数表-4-3-2-101234NB10.70.3000000NS0.70.20000PZ000.60.100PS00000.70.3PB000000表3-2隶属函数表-4-3-2-101234NB10.50000000NS00.510.500000PZ0000.600.50.100PS000000.51.00.50PB0000000.30.51(3)量化因子及其确定方法设偏差的基本论域为，其模糊论域为:又设偏差变更的基本论域为:，其模糊论域为:则定义：(3-1)(3-2)式中—为偏差语言变量的量化因子；—为偏差变更语言变量的量化因子。假如在采样时刻得到的物理最基本论域中一个精确量，例如偏差e，则可以找到模糊论域E中的一个元素a，与之对应，这就是所谓的量化过程。即：(3-3)假如所得到的是整数，则必定是某一个元素，假如不是则四舍五入成整数。量化因子的确定是很关键的，它不仅影响系统动态品质，而且也影响到系统的稳定性。K1越大，系统超调越大，过渡时间就越长，K1越小，系统变更越慢，稳态精度降低;k2越大，系统输出变更越慢，K2越小，系统反应越快，但超调量增大。【10】模糊限制查询表表3-3模糊限制查询表由模糊判决得到的实际限制量变更的精确量U。对模糊语言集合E、EC对应的论域的全部元素的全部组合计算出相应的以U的论域元素表示的限制量变更值，并组成矩阵，形成如表所示的模糊限制查询表。这张表为依据模糊限制规则及模糊推理离线计算得到，在实际系统中，我们在试验中不断调整了限制表，使系统得到更好的限制效果。将模糊限制表存在计算机中。在限制过程中，计算机干脆依据采样和论域变换得来的以论域元素形式表现的el和e，由限制表找到对应的U，并以此去限制被控过程，以达到预期的限制目的。模糊限制表体现模糊限制算法的最终结果。限制表事先离线计算取得，存放在计算机中，在实时模糊限制的过程中，实现模糊限制的过程，就转化为计算量不大的查找查询表的过程。这样，把模糊限制算法的量大而又费时的计算离线进行，使模糊限制具有良好的实时性。同时这种模糊限制算法不依靠于被控过程的精确数学模型，因此，这种算法在本系统中，是很好的选择。3.5本章小结本章介绍了模糊限制理论的产生、发展、特点及模糊限制器的基本原理。依据浇灌限制的系统实际，借助于模糊限制器的常规设计方法，设计了养分液自动在线混合模糊限制器，得到了一张初步的模糊限制表。本表可通过输入到PLC中，在PLC程序执行过程中，可以不断的将采集到的参数值与该值相比较，确定是否输出以及输出的时间。第4章施肥浇灌限制系统中模糊限制实现4.1模糊限制流程图上一章已经完成了模糊限制规则的设计，并最终得到了一张模糊限制表。实时限制过程中，依据模糊化后的误差值及误差变更值，干脆查找模糊限制表，以获得限制量的变更值，再乘以比例因子Ku，即可作为输出去限制被控对象。模糊限制的算法是由计算机程序实现的。该程序一般包括两个部分，一是计算机离线计算查询表的程序，属于模糊矩阵运算。另一个是计算机在模糊限制过程中在线计算输入变量，并将它们模糊量化处理，查找查询表后再作输出处理的程序。整个模糊限制系统限制流程如图4-1所示。系统启动后，首先由操作者输入浇灌程序、浇灌的时间、浇灌支路数等设定值，键下起先工作指令后，限制程序起先运行。模糊限制算法中所用到的模糊限制表为上一章通过理论计算得到的模糊限制表，如下表4-1所示。表4-1模糊限制表图4-1模糊限制程序流程框图另外，为提高限制器的有效性，在养分液浓度上升阶段，电磁阀全开，在浓度下降阶段，电磁阀全关。4.2模糊限制周期选择一般限制系统的采样时间即实时限制周期，即在一个采样周期内，必需完成一次限制步骤。但系统的采样时间的确定却有很多限制条件，而依据本系统的特点，限制周期不宜选择过短。采样问题是计算机限制中的共性问题，模糊限制也有合理地选择采样时间的问题。依据香农采样定理，采样周期有上限。在这一范围内，采样周期越小，就越接近连续