基于脈寬調(diào)制的文丘里變量施肥裝置的改進(jìn)

基于脈寬調(diào)制的文丘里變量施肥裝置的改進(jìn)

0模糊控制在自動(dòng)混施肥系統(tǒng)中的應(yīng)用灌溉施肥是一種綜合性的肥料灌溉技術(shù)。這意味著將肥料溶解在灌溉水中，通過壓力灌溉系統(tǒng)將肥料均勻地轉(zhuǎn)移到作物根部的土壤中。具有均勻施肥、高利用率和有效減輕土壤和環(huán)境污染等特點(diǎn)。廣泛用于微灌系統(tǒng)。施肥裝置是實(shí)現(xiàn)灌溉施肥的主要手段和重要設(shè)備之一。目前國(guó)內(nèi)外常用的施肥裝置主要有自壓式、壓差式、水力驅(qū)動(dòng)注入式、機(jī)械驅(qū)動(dòng)注入式和文丘里吸入式等幾種形式,各種形式的施肥裝置都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn),而且從自動(dòng)控制角度分析,其混肥濃度的控制性能也各有差異。其中,文丘里吸入式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)實(shí)用,得到了廣泛的應(yīng)用,但其混肥濃度不易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)控,為此,根據(jù)文丘里施肥器的進(jìn)出口壓力比與施肥濃度有著某種固定的關(guān)系,以及在其出口處調(diào)節(jié)進(jìn)出口壓力差可以有效地改變其施肥濃度,在文丘里施肥器的基礎(chǔ)上,利用脈寬調(diào)制(pulsewidthmodulation,PWM)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種水肥一體化變量施肥裝置,通過自動(dòng)調(diào)節(jié)電磁閥PWM控制的占空比來實(shí)時(shí)改變吸肥濃度,并得出了不同進(jìn)口水壓下PWM占空比與吸肥濃度的關(guān)系。但從自動(dòng)控制角度看,該裝置屬于開環(huán)控制,其混肥精度與穩(wěn)定性難以得到保證,需采用相應(yīng)的控制方法以提高其精度與穩(wěn)定性。模糊控制因不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型,適用于非線性、時(shí)變性及純滯后對(duì)象的控制,在自動(dòng)混施肥系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。邵利敏等利用模糊控制算法確定各歸一化植被差異指數(shù)區(qū)間的最佳施肥量,并結(jié)合施肥機(jī)具行進(jìn)速度調(diào)節(jié)施肥量,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)變量施肥。孫裔鑫等、梁春英等分別在播種施肥機(jī)上利用模糊PID(proportionintegrationdifferentiation)控制算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)顆粒狀肥料、液體肥的精確施用。古玉雪等為協(xié)調(diào)雙變量施肥機(jī)車載電腦有限的運(yùn)算能力與施肥精度和均勻性之間的矛盾,提出了一種基于模糊系統(tǒng)的開度轉(zhuǎn)速雙變量施肥播種控制序列生成方法,試驗(yàn)表明使用該方法的施肥機(jī)指令響應(yīng)及時(shí),播撒均勻,平均施肥誤差比常用方法減小了4%。Domingo等將模糊控制技術(shù)與FPGA(fieldprogrammablegatearray)技術(shù)相結(jié)合,研制了一個(gè)可在線混合營(yíng)養(yǎng)液濃度的溫室灌溉施肥系統(tǒng),具有良好的節(jié)水節(jié)肥效果。么麗麗、楊青云、周亮亮、張瓊、雷永富等根據(jù)傳感器采集的溶液電導(dǎo)率信息或酸堿度信息,采用模糊控制策略控制混肥泵、電磁閥等進(jìn)行肥液或營(yíng)養(yǎng)液的在線自動(dòng)混合,實(shí)現(xiàn)了水肥一體化的自動(dòng)控制,經(jīng)仿真、試驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的灌溉施肥系統(tǒng)的性能指標(biāo)滿足實(shí)際要求。由上述可知,將模糊控制應(yīng)用于自動(dòng)混施肥裝置中能取得良好的效果。因此,本文擬在基于脈寬調(diào)制的變量施肥裝置的基礎(chǔ)上,通過改進(jìn)裝置結(jié)構(gòu),并增加一個(gè)肥液濃度的反饋模塊,使整個(gè)裝置構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),并采用模糊控制策略,以期提高裝置的自動(dòng)混肥精度和穩(wěn)定性。1檢測(cè)結(jié)果分析本裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示,它是在文獻(xiàn)所設(shè)計(jì)的裝置(圖1中虛線框內(nèi)的部分)的基礎(chǔ)上,通過在主管的出口方向上安裝一個(gè)緩沖箱和增加一個(gè)肥液濃度測(cè)量模塊4來實(shí)現(xiàn)的。緩沖箱用于將水、肥充分混合均勻,并使混合液短暫地駐留其內(nèi),以便于肥液濃度的精度檢測(cè);肥液濃度測(cè)量模塊4通過將其傳感部件置于緩沖箱內(nèi),用于實(shí)時(shí)測(cè)量混合后的肥液濃度,并將測(cè)量結(jié)果反饋至控制器。主水管的直徑為32mm;文丘里施肥器(塑料材質(zhì),規(guī)格為25mm,工作壓力≤0.6MPa,流量為0.5~2m3/h,施肥濃度為0~10%)與主水管并聯(lián)安裝,吸肥管為直徑12mm的硬質(zhì)膠管;緩沖箱呈圓柱體形狀,其圓截面直徑為63mm,高為40cm,安裝在距文丘里施肥器出口30cm處,且圓柱體的軸向中心線與主水管的軸向中心線重合;電磁閥1和電磁閥2為雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥,其工作電壓為直流3~12V;壓力變送器的型號(hào)為AOB-131,其量程為0~1MPa,精度0.4級(jí);控制器采用MSP430F2132單片機(jī)作為主控器。本裝置主要是通過調(diào)節(jié)電磁閥2的PWM控制的占空比來實(shí)現(xiàn)混肥濃度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)啟用裝置進(jìn)行工作時(shí),首先關(guān)閉電磁閥2,同時(shí)利用壓力變送器1檢測(cè)入口水壓,根據(jù)檢測(cè)結(jié)果調(diào)用各個(gè)壓力下所標(biāo)定的PWM占空比與目標(biāo)施肥濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,對(duì)PWM占空比進(jìn)行調(diào)節(jié),使混肥濃度趨近于目標(biāo)濃度;然后利用肥液濃度測(cè)量模塊4實(shí)時(shí)反饋混合濃度,并根據(jù)反饋結(jié)果細(xì)微調(diào)整PWM占空比,使肥液混合后的濃度盡量逼近于目標(biāo)濃度,從而減小混肥誤差。2肥液濃度測(cè)量模塊2.1肥液電導(dǎo)率測(cè)量由于肥料的原料大多數(shù)為無機(jī)鹽類,而這些無機(jī)鹽類屬于強(qiáng)電解質(zhì),在水中可以被電離成帶正、負(fù)電荷的離子,因此,肥液是一種電解質(zhì)溶液,具有導(dǎo)電能力。肥液的導(dǎo)電能力一般用電導(dǎo)率來表征,電導(dǎo)率越大則溶液的導(dǎo)電能力越強(qiáng),而肥液的電導(dǎo)率與肥液濃度有著顯著相關(guān)性,因此可通過測(cè)量肥液電導(dǎo)率的方法來間接測(cè)量肥液濃度。肥液像任何一種導(dǎo)電介質(zhì)一樣,當(dāng)電流通過時(shí)會(huì)存在一個(gè)等效電阻,對(duì)電流形成一定的阻力。一般用電導(dǎo)和電導(dǎo)率和表示這個(gè)阻力的大小,即式中,G為電導(dǎo),S;Rx為肥液等效電阻,?;ρ為電阻率,?·cm;l為電導(dǎo)電極兩極片之間的距離,cm;A為肥液的導(dǎo)通截面積,cm2,與極片面積有關(guān);k為電極常數(shù),cm-1,其值為l與A之比;σ為電導(dǎo)率,S/cm。由此可見,肥液的電導(dǎo)率越大則其電導(dǎo)也越大,即其等效電阻越小。因此,可以通過測(cè)量肥液的電導(dǎo)或等效電阻的方式來測(cè)量其電導(dǎo)率,并根據(jù)肥液電導(dǎo)率與其濃度的函數(shù)關(guān)系(通過試驗(yàn)標(biāo)定得到),進(jìn)而測(cè)量出肥液的濃度。目前,測(cè)量電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的方法主要有電極法、電容耦合法和電磁感應(yīng)法等。本文綜合考慮實(shí)際應(yīng)用,采取電極法進(jìn)行肥液電導(dǎo)率的測(cè)量。具體的測(cè)量方法如圖2所示,將一個(gè)電導(dǎo)電極置于待測(cè)肥液中,并電導(dǎo)電極上串聯(lián)一個(gè)電阻R,然后在電導(dǎo)電極與電阻R的兩端加一個(gè)激勵(lì)電源E進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)肥液濃度發(fā)生改變時(shí),其電導(dǎo)率也會(huì)隨之變化,從而電導(dǎo)電極兩極片間的肥液等效電阻Rx也會(huì)不同,而電阻(R,?)與電導(dǎo)電極極片間的肥液等效電阻Rx形成分壓電路,通過測(cè)量電阻R上的電壓(V,V)就可獲知肥液的等效電阻,根據(jù)等效電阻即可換算出電導(dǎo)率。由圖2可計(jì)算出肥液等效電阻Rx為式中,E為激勵(lì)電源的電壓,V。根據(jù)肥液的等效電阻Rx和電導(dǎo)電極的電極常數(shù)k可計(jì)算出肥液的電導(dǎo)率σ,即2.2電導(dǎo)率儀的設(shè)計(jì)2.2.1電極激勵(lì)源對(duì)網(wǎng)絡(luò)極化效應(yīng)和電容效應(yīng)的消除作用由于在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中,肥液濃度對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率通常在0.5~4.0mS/cm范圍內(nèi),因此選用量程為10~20000μS/cm的工業(yè)電導(dǎo)電極(上海華樂電子有限公司生產(chǎn),鈦合金材質(zhì))進(jìn)行電導(dǎo)率的測(cè)量。該電極的測(cè)量精度為0.01mS/cm,電極常數(shù)k=10cm-1,其輸出為待測(cè)溶液的等效電阻。當(dāng)電導(dǎo)電極置于肥液中測(cè)量時(shí),整個(gè)電導(dǎo)池表現(xiàn)為一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng),電導(dǎo)電極等效于電阻和電容串并聯(lián)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò),在測(cè)量過程中會(huì)存在極化效應(yīng)(包括化學(xué)極化和濃差極化)和電容效應(yīng),從而引起測(cè)量誤差。由于電極采用直流電壓供電時(shí)的極化效應(yīng)很嚴(yán)重,通常都采用交流電壓作為電極的激勵(lì)源進(jìn)行測(cè)量,但電極激勵(lì)源的類型、頻率和幅值的選取是否合適,直接影響著其測(cè)量精度和穩(wěn)定性。為確定電極的激勵(lì)源,以電導(dǎo)率為1413μS/cm的標(biāo)準(zhǔn)溶液(哈希公司生產(chǎn))作為基準(zhǔn)溶液,通過兌水的方式配制了一系列不同電導(dǎo)率的待測(cè)溶液,并在電極上串聯(lián)一個(gè)2200?的分壓電阻(型號(hào)為RJ71),同時(shí)以函數(shù)發(fā)生器(型號(hào)為SPF05)輸出不同頻率、幅值的方波或正弦波信號(hào)作為電極的激勵(lì)源,分別在各個(gè)待測(cè)溶液中進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中,以1V為步進(jìn)、在0~10V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器輸出波形的峰-峰值,并分別在每個(gè)峰-峰值下,緩慢地調(diào)節(jié)輸出波形的頻率在0~10kHz范圍內(nèi)變化,同時(shí)用示波器(型號(hào)為TektronixTDS2041)進(jìn)行觀察。若發(fā)現(xiàn),分壓電阻上的波形信號(hào)的形狀、頻率均與激勵(lì)源一致,且該波形信號(hào)的峰-峰值或有效值在各個(gè)待測(cè)溶液中均能長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定,則表明電極在該激勵(lì)源作用下,其測(cè)量時(shí)的極化效應(yīng)和電容效應(yīng)基本上被消除。并以此作為選取激勵(lì)源的依據(jù)。根據(jù)對(duì)各組試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析知,采用幅值為±3.5V的方波信號(hào)作為電極的激勵(lì)源,其測(cè)量效果最佳,而且此時(shí)分壓電阻上的波形電壓的有效值保持穩(wěn)定。2.2.2電導(dǎo)率的測(cè)量試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)電導(dǎo)電極串聯(lián)一個(gè)固定的分壓電阻、以相同頻率的方波激勵(lì)信號(hào)在其電導(dǎo)率量程范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量時(shí),其誤差會(huì)隨著待測(cè)溶液電導(dǎo)率的增大或減小而變大。因此,需在全量程內(nèi)對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)行分檔測(cè)量,即將電導(dǎo)率的全量程分成多個(gè)測(cè)量范圍,對(duì)于每個(gè)測(cè)量范圍選取一個(gè)合適的分壓電阻與電極串聯(lián),并采用一個(gè)合適頻率的激勵(lì)源進(jìn)行測(cè)量,以提高測(cè)量精度。為能合理地進(jìn)行分檔,在電極量程范圍內(nèi)從低到高配制一系列不同電導(dǎo)率的待測(cè)溶液,待測(cè)溶液的電導(dǎo)率由便攜式多參數(shù)測(cè)量?jī)x(型號(hào)為sension156,哈希公司生產(chǎn))測(cè)量而得,對(duì)于每一種待測(cè)溶液,通過改變與電極串聯(lián)的分壓電阻及激勵(lì)源頻率進(jìn)行測(cè)量,以分壓電阻上測(cè)得的有效值等于或接近于激勵(lì)源的1/2作為分檔標(biāo)準(zhǔn)。由試驗(yàn)得出的電導(dǎo)率分檔范圍及其對(duì)應(yīng)的分壓電阻和激勵(lì)源頻率如表1所示。不同檔位所需的與電極相串聯(lián)的分壓電阻,通過單片機(jī)控制一個(gè)多路復(fù)用器ADG1408進(jìn)行自動(dòng)切換。2.2.3晶振和電壓隨器的轉(zhuǎn)換電路ad8039電導(dǎo)電極測(cè)量電導(dǎo)率的信號(hào)調(diào)理電路主要由方波激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路和分壓電阻上的波形信號(hào)的有效值檢測(cè)電路2部分組成。1)方波激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路如圖3所示,方波激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路主要由MOS管Q4、運(yùn)算放大器AD8039及一些外圍的阻容元件組成。其中,某一頻率的方波信號(hào)由MSP430F2132單片機(jī)內(nèi)部集成的PWM控制器生成,該P(yáng)WM控制器以單片機(jī)外接的8MHz晶振為時(shí)鐘源,其輸出的方波頻率經(jīng)與示波器(TektronixTDS2041)比較,誤差小于1%;MOS管Q4與電阻R29組成一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路,用于將方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成高電平為3.5V、低電平為0的方波信號(hào);AD8039中的其中一個(gè)放大器U7B連接成電壓跟隨器形式,以提高方波信號(hào)的帶負(fù)載能力;而AD8039的另一個(gè)放大器U7A與電阻R25、R27、R28和R31構(gòu)成一個(gè)偏置電壓為3.5V、增益為2倍的運(yùn)算電路,即它將電壓跟隨器輸出的方波信號(hào)放大2倍后再與3.5V相減,從而可以使整個(gè)電路輸出±3.5V的方波信號(hào)。2)有效值檢測(cè)電路由前文可知,可通過分壓電阻上波形信號(hào)的有效值來反映肥液的電導(dǎo)率。該有效值可通過均方根-直流轉(zhuǎn)換器AD637進(jìn)行測(cè)量,具體電路如圖4所示。由于AD637的輸入阻抗不高,為避免信號(hào)直接輸入時(shí)對(duì)前級(jí)信號(hào)造成影響,在AD637的輸入端前置了一個(gè)由AD8039構(gòu)成的電壓跟隨器。AD637對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行真有效值計(jì)算后,以等效的直流電壓輸出,然后再經(jīng)電阻R30和R32分壓后,送至單片機(jī)的ADC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓檢測(cè)。因此根據(jù)ADC轉(zhuǎn)換器檢測(cè)的電壓與電導(dǎo)率的關(guān)系,即可反演出待測(cè)溶液的電導(dǎo)率。2.2.4電解質(zhì)溶液溫度溫度對(duì)溶液電導(dǎo)率測(cè)量影響很大,它直接影響溶液中電解質(zhì)的電離度、溶解度、離子遷移速度、溶液的粘度、溶液的膨脹等,從而影響了溶液的電導(dǎo)率。溶液電導(dǎo)率具有正溫度系數(shù),對(duì)于一般電解質(zhì)溶液每升高1℃,電導(dǎo)率約增加2%。目前,公認(rèn)25℃為測(cè)量溶液電導(dǎo)率的基準(zhǔn)溫度,當(dāng)溶液溫度不為25℃時(shí),需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償,折換成25℃時(shí)的電導(dǎo)率,其換算公式為式中,σ25為溶液溫度為25℃時(shí)的電導(dǎo)率,S/cm;σt為溶液溫度為t℃時(shí)的電導(dǎo)率,S/cm;t為溶液的溫度,℃;α為溶液的溫度系數(shù),一般情況下溶液溫度系數(shù)α為0.02。本文采用不銹鋼封裝且經(jīng)過防水處理的數(shù)字溫度傳感器DS18B20測(cè)量肥液的溫度,根據(jù)檢測(cè)的溫度利用式(4)自動(dòng)對(duì)肥液的電導(dǎo)率進(jìn)行補(bǔ)償。3肥液電導(dǎo)率儀的性能3.1電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果由于待測(cè)溶液的電導(dǎo)率或溫度不同,有時(shí)也會(huì)使電極常數(shù)k發(fā)生變化,從而使得電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x的測(cè)量結(jié)果也可能會(huì)產(chǎn)生一定的偏差。為確定電極k相對(duì)穩(wěn)定的待測(cè)溶液濃度范圍,在電極的量程范圍,通過向純水中添加NaCl的方式配制了一系列不同電導(dǎo)率的待測(cè)溶液,對(duì)電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn),同時(shí)以一個(gè)多參數(shù)測(cè)量?jī)x(型號(hào)為sension156)檢測(cè)溶液的電導(dǎo)率,并將其作為標(biāo)準(zhǔn)值與電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x進(jìn)行對(duì)比,其試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出,電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x的測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)儀器的測(cè)量結(jié)果存在著一定的偏差,同時(shí)也存在著某種關(guān)系:在溶液電導(dǎo)率為0~12.64mS/cm范圍內(nèi),偏差隨著電導(dǎo)率的增大而逐漸增大,且與標(biāo)準(zhǔn)值成極顯著的線性關(guān)系,決定系數(shù)R2達(dá)0.999;在溶液電導(dǎo)率為>12.64~17.33mS/cm范圍內(nèi),偏差也隨著電導(dǎo)率的增大而增大,但增幅逐漸減小;在溶液電導(dǎo)率為>17.33~20mS/cm范圍內(nèi),偏差隨著電導(dǎo)率的增大而減小,其變化幅度不斷減小。由此說明,電極常數(shù)k在待測(cè)溶液電導(dǎo)率為0~12.64mS/cm的范圍內(nèi)是相對(duì)穩(wěn)定的,而>12.64~20mS/cm范圍內(nèi)存在著波動(dòng),因此本電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x的有效測(cè)量范圍為0~12.64mS/cm,并在此范圍內(nèi)根據(jù)所測(cè)得的試驗(yàn)關(guān)系標(biāo)定電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x。3.2多參數(shù)測(cè)量法檢測(cè)肥液電導(dǎo)率為確定肥液濃度與電導(dǎo)率的具體函數(shù)關(guān)系,以芭田中芬大量元素水溶復(fù)合肥(氮、磷、鉀三者的比例為33:8:10)為試驗(yàn)肥料,通過兌純凈水的方式配制了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%、0.9%、0.8%、0.7%、0.6%、0.5%、0.4%、0.3%、0.2%和0.1%的一系列待測(cè)肥液,并在25℃下分別對(duì)各個(gè)肥液進(jìn)行電導(dǎo)率的測(cè)定試驗(yàn)。肥液的電導(dǎo)率用標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率儀(型號(hào)為sension156的多參數(shù)測(cè)量?jī)x)進(jìn)行測(cè)定,試驗(yàn)所得的肥液濃度與電導(dǎo)率的關(guān)系如圖6所示。由圖6可得,肥液濃度與其電導(dǎo)率有著顯著的線性關(guān)系,決定系數(shù)R2為0.997,具體的函數(shù)關(guān)系為式中,y為肥液的質(zhì)量分?jǐn)?shù),x為肥液的電導(dǎo)率,mS/cm。因此,電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x測(cè)得肥液的電導(dǎo)率后,根據(jù)式(5)即可將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的肥液濃度。4前后入口壓力下混肥濃度的控制采用粗細(xì)兩級(jí)調(diào)節(jié)的控制策略:首先,利用壓力變送器檢測(cè)肥液自動(dòng)混合裝置的入口水壓,根據(jù)檢測(cè)結(jié)果利用各入口壓力下混肥濃度與PWM占空比的關(guān)系,調(diào)節(jié)占空比對(duì)電磁閥進(jìn)行PWM控制,從而控制混肥濃度;然后,利用電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x對(duì)混合肥液的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),并將檢測(cè)結(jié)果與目標(biāo)混肥濃度進(jìn)行比較以計(jì)算其誤差,根據(jù)誤差的大小對(duì)電磁閥PWM控制的占空比進(jìn)行細(xì)調(diào),使混肥濃度盡可能逼近目標(biāo)濃度。4.1混肥濃度與占空比的擬合曲線不同由于文獻(xiàn)只標(biāo)定了入口水壓為0.15、0.17、0.20、0.22和0.25MPa時(shí)混肥濃度與電磁閥PWM控制占空比的關(guān)系,而混肥裝置在實(shí)際應(yīng)用中其入口水壓不可能恒定于某一個(gè)固定值,當(dāng)入口水壓變化至所標(biāo)定的5個(gè)壓力值之外時(shí),就會(huì)造成控制器無法根據(jù)所標(biāo)定的關(guān)系來調(diào)節(jié)PWM占空比進(jìn)行混肥。從文獻(xiàn)可知,混肥濃度與占空比的擬合曲線在各個(gè)入口水壓下的形狀均比較相似,而且各曲線之間近似于發(fā)生了整體平移。因此,可將某個(gè)范圍內(nèi)的水壓檢測(cè)值等效為某個(gè)標(biāo)定的入口水壓進(jìn)行粗調(diào),其等效對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。4.2模糊變量的選擇電磁閥PWM控制的占空比與混肥濃度呈二次多項(xiàng)式關(guān)系,而且電磁閥從接到控制信號(hào)到啟動(dòng)開關(guān)動(dòng)作約有20ms的延遲,此外混肥濃度隨著文丘里施肥器入口壓力的波動(dòng)而變化,由此可見,受控對(duì)象具有非線性、滯后性和時(shí)變性等特點(diǎn),難以得到精確的數(shù)學(xué)模型,現(xiàn)通常采用模糊控制來解決此問題,因此采用模糊控制算法來進(jìn)行占空比的細(xì)調(diào)。為得到良好的控制性能,以目標(biāo)濃度r與實(shí)測(cè)肥液濃度y的偏差e、偏差的變化量ec為輸入變量,電磁閥PWM控制的占空比的調(diào)節(jié)量u為輸出量,構(gòu)建一個(gè)二維單變量模糊控制器,其原理框圖如圖7所示。e、ec和u的實(shí)際論域分別為[-2,2]、[-2,2]和[-5,5],單位為%。對(duì)應(yīng)于e、ec和u,相應(yīng)的模糊變量為E、EC和U。將2個(gè)輸入變量和輸出變量的語言值分成7個(gè)檔級(jí),定義為NB(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)和PB(正大),即:E={NB,NM,NS,NZ,PZ,PS,PM,PB},EC={NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},U={NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。每個(gè)模糊變量在其論域內(nèi)可以分成若干個(gè)檔級(jí),即:E={e}={-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}、EC={ec}={-3,-2,-1,0,1,2,3}和U={u}={-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}。各變量均選擇工程上常用的三角形隸屬函數(shù)。模糊控制規(guī)則的選取原則是:當(dāng)誤差大或較大時(shí),選擇控制量以盡快消除誤差為主;而當(dāng)誤差較小時(shí),選擇控制量要注意防止超調(diào),以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性;誤差為正與誤差為負(fù)時(shí)相同,相應(yīng)的符號(hào)都要變化。根據(jù)專家理論和實(shí)際經(jīng)驗(yàn),采用模糊條件推理ifAandBthenC,得到模糊控制規(guī)則表,如表3所示。模糊控制的模糊關(guān)系采用式(6)和式(7)進(jìn)行運(yùn)算,即式中,Ei為偏差輸入量,ECj為偏差變化量輸入量,Uij為輸出量,Ri為分模糊關(guān)系,Rr為總模糊關(guān)系。在采用合成推理算法時(shí),為了在實(shí)時(shí)控制中避免模糊關(guān)系矩陣合成運(yùn)算時(shí)浪費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間,先通過MATLAB離線計(jì)算出全部輸入輸出之間關(guān)系,形成一張控制輸出響應(yīng)表(如表4所示),然后通過單片機(jī)編程語言的形式將其存入控制器(MSP430F2132單片機(jī))中,以使控制器在某一采樣時(shí)刻根據(jù)輸入變量直接查詢控制表即可以獲得輸出響應(yīng)。采用最大隸屬度平均值法進(jìn)行解模糊化,將控制量由模糊量轉(zhuǎn)化為精確量。表4所示的輸出響應(yīng)表用于調(diào)節(jié)電磁閥PWM控制的占空比。4.3電磁閥的粗調(diào)和混肥濃度檢測(cè)肥液自動(dòng)控制裝置的控制流程如圖8所示,獲得目標(biāo)混肥濃度時(shí),首先檢測(cè)入口水壓并對(duì)其進(jìn)行等效處理,根據(jù)等效水壓對(duì)應(yīng)的PWM占空比控制電磁閥,對(duì)混肥濃度進(jìn)行粗調(diào);然后實(shí)時(shí)檢測(cè)肥液實(shí)際濃度,并根據(jù)混肥濃度誤差及其變化量,采用模糊控制算法對(duì)電磁閥的PWM占空比進(jìn)行微調(diào),從而進(jìn)一步提高混肥的精度。同時(shí),在微調(diào)過程中,每隔10s檢測(cè)1次入口水壓,若等效水壓較上一次有變動(dòng),則返回到粗調(diào),