（电气工程专业论文）基于模糊控制的PLC施肥灌溉控制技术的研究.pdf

中国农业大学工程硕士学位论文摘要 摘要 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了更先进 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 物需要旖肥时，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，营养液混合技术已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，适量的灌水。提高作物产量，有利于我国r 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，详细的介绍了自动灌 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p l c 这一先进的工业控制设备来控制农业设备，更加体现了p l c 可以适应恶劣环境这一重 大特点。 从实验结果看，本系统使用效果良好，能达到预期要求。 关键词：施肥灌溉，模糊控制，p l c 中固农业大学上程硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t e s t a b l i s h m e n ta g r i c u l t u r ei su s i n gs o m ee q u i p m e n tt oe n c l o s ea ni n t e r s p a c e ，f o r m i n gas e m i c l o s e s y s t e m t h es y s t e mp r o v i d e sw i t hm o r ef e a s i b l ec l i m a t ec o n d i t i o n ，w h i c ha c c e l e r a t i n gp l a n to ra n i m a l s g r o w t ha n ds ot h a to u t p u te n h a n c e d e s t a b l i s h m e n ta g r i c u l t u r ec o n s i s t so ft w op a r t s o n ei se s t a b l i s h e dp l a n t i n g , t h eo t h e rj s e s t a b l i s h e db r e e d i n g i nt h ef i e l do fe s t a b l i s h e dp l a n t i n g ，m i c r o s p r a yt e c h n o l o g ym a k e sap r o m o t i o nt o f e r t i l i z a t i o nm e t h o d s ，s o - c a l l e df l u i df e r t i l i z i n gt e c h n o l o g y t h i sk i n dt e c h n o l o g yd i s s o l v e st h en u t r i e n t p l a n tn e e d e di n t ow a t e ra n dg e t so r i g i n a ll i q u i d w h e nf e r t i l i z i n gp l a n t ，w eo n l yn e e dt oa d j u s tt h i c k n e s s w i t hw a t e ra n df e r t i l i z eb ym i c r o - s p r a y t h e s em u s tb eh e l p f u lt oo h mg r o w t h ，s og e t t i n gm i x t u r ei sk e y o ft h em i c r o - s p r a ya u t o c o n t r 0 1 c o m p a r i n ga u t o c o n t r o im o d e lw i t hm a n u a lw o r k ，t h e r ea 砩m a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss a v ew a t e r , f e r t i l i z e r , e n e r g y , p e s t i c i d e ，p h y s i c a lf o r c ea n d s oo n i na d d i t i o n ，a u t o c o n t r o lm o d e lc a na v o i d d i s b e n n i f i ti n f e c t i o nb yh u m a nf a c t o r s ，i m p r o v eo p e r a t ev e r a c i t y m o r e o v e r ，t h em o d e li sg o o df o r s c i e n t i f i cm a n a g e m e n ta n da d v a n c et e c h n i cs p r e a d t h i sp a p e re m b a r k sf r o md e v e l o p m e n to f m o d e me s t a b l i s h m e n ta g r i c u l t u r e ，i n t r o d u c i n g d e t a i l e d l ya b o u tt h em i x t u r et e c h n o l o g yi nt h ea u t o c o n t r o ls p r a ys y s t e m c o n s i d e r i n gt h ef a c to ft h i s 氍e t d , 1p u tf o r w a r du t i l i z e i n gf u z z yc o n t r o lt os o l u t em i x t u r eo n l i n e p a r t i c u l a r l yi n t r o d u c et h e c o m p r i s i n go ff u z z yc o n t r o l l e r , a n dd e s i g ne x p e r i m e n tt op r o v ec o n t r o l l e rr a t i o n a l i t ya n dg e tr e a s o n a b l e s a m p l et i m e ， a c c o r d i n gt ot h er e s u l t ，t h i ss y s t e mw o r k sw e l l ，a t t a i n i n ge x p e c t k e yw o r d s ：f e r t i l i z es p r a y f u z z yc o n t r o l ，p l c 4 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下( 或我个人) 进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：伽气查 时间： 淞年弓月如同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学大学有关保留、使用学位论文的规定，印：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：扔嗜缸时间：渺年弓月功只 导师签名： 时问： 年 月r 中国农业大学工程硕士学位论文第一章概述 第一章概述 1 1 现代设旋农业和施肥灌溉技术 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中的热点之一。 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，为植物和动物生氏提供良好的 环境条件，从而进行更有效的生产。设施农业包括设旆栽培和设拖养殖两个方面。设施栽培能更 高效、均衡地生产再种蔬菜、花卉等，用人工控制环境因子如温度、光照、c o ：等方法来获得作 物最佳生长条件，从而增加作物产量、改善品质、延长作物的生长周期。 设施栽培的发展，不仅有利于合理开发利用国土、淡水、气候等资源，而且能不断提高劳动、 技术、资金的综合集约经营程度，从而获得最大的社会效益、经济效益和生态效益。设施栽培的 生产方式有地膜覆盖、小拱棚覆盏、塑料火招和现代温室等人工设魑，而代表设施栽培最新发展 的现代温室正朝着自动化、智能化与网络化方面发展，展终发展成为无人化的全自动植物工厂。 设施栽培技术中，微喷灌技术使施肥有了更先进的方 去，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，再在作物需要旄肥时，将营养液母液与东混合成 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 合技术已经成为温室控制中的一项关键技术。 目前，在一些设施栽培技术比较先进的国家，已经实现按照作物生长的最适宜生态条件，在 现代化温室内，对作物进行自动灌溉、营养液混合及自动施肥。而这一节水高效的先进栽培技术 在我国还属于起步阶段。同内在这方面还没有一套实用及科学的产品，灌溉及施肥系统的自动化 程度还很低，更没有智能型的自动灌溉系统。目前，我国现代设施栽培中采用的先进的灌溉设备 儿乎都是从设施栽培技术发达的欧美国家引进，系统成本较高。因此。国内急需价格低廉、自动 化程度较高的灌溉及施肥控制系统。 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、适量的灌水，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。 本课题研究的目是就是针对我国灌溉系统自动化程度低的问题，尤其是自动营养液混合与施 肥控制技术不足的问题，根据国内设施栽培技术发展的实际需要，借助于商水平的自动化控制设 施，研究开发一套用于现代设施栽培技术的自动施肥灌溉系统。该系统能够结合先进的微灌技术， 利用先进的工业控制设备一可编程序控制器，实现在设施栽培中，根据不同作物制订的不同的灌 溉方案，自动灌溉。同时结合灌溉系统的特点，把模糊控制这一先进的控制方法应用于灌溉控制 中，根据不同的营养液配制方案，在灌溉的同时实现营养液自动在线混合控制，最终实现作物的 自动施肥灌溉。 中国农业大学工程硕十学位论文第一章概述 1 2 现代设施农业和施肥灌溉技术的发展与现状 1 2 1 国外现代设施农业与灌溉技术的发展与现状 ( 1 ) 现代设施农业灌溉技术的发展 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微灌溉技术为基础发展起来的。从1 8 6 0 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国得到了较快的发展。根据国际排灌委员会的 徽灌工作纽所作的三次调查，1 9 9 1 年世界微灌面积力t ，7 6 8 ，9 8 7 公顷( 约合2 ，6 5 0 万亩) ，比 五年前增长了6 3 。尽管至今微灌在世界总灌溉面积中所占的比重很小，不到0 8 ，但其增长 率远高于其它灌溉方法。 在灌溉设旖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几路或十几路电磁阀，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。 同时不同于传统灌溉的微灌方法的采用，给作物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 而且高效，这是一般施肥方法所不具备的。在微灌技术发展快的国家，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，以实现精确施肥。 ( 2 ) 发达国家农业灌溉技术的现状 目前世界上设施栽培技术比较先进的国家主要是荷兰、法国、英国、意大利、西班牙、美国、 以色列、日本等。这些国家设施栽培的研究起步早，发展快，综合环境技术水平高。一些栽培技 术先进的国家在自动灌溉控制发展基础上，更不断研究各种最新的灌溉控制技术及不同作物的不 同营养配方及营养自动混合技术，并进一步发展成灌溉专家系统。同时不断的把先进的控制技术 应用于灌溉系统中。 世界上真正的计算机控制灌溉源于以色列。该国最初把自动化控制技术应用于灌溉中的原因 是：以色列是一个极其缺水的国家，从自然象件上讲必须发展节水农业；另一方面是出于中东安 全的考虑，以色列人想通过自动化控制技术在家里控制农田灌水，减少由于武装冲突带来的危险。 最初的灌溉控制器只是一个简单的定时器，这可以看作是灌溉控制技术的第一阶段。后来随着电 2 中凰农业大学工程硕士学位论文第一章概述 子技术和计算机控制技术的发展，出现了简单的灌溉控制器，它把灌水和菔肥同时进行，这种控 制器能监测土壤水分信息，同时当某些参数越限或某台排灌机械出现故障时，系统能进行报警。 近年来随着农业对自动化程度要求的提高，以色列出现了灌溉用的可编程逻辑控制器( p l c ) ，这 种控制器通过把不同的网络连接到主机上进行数据的采集和处理。随着控制技术、传感器技术的 发展，以色列山现了现代诊断式控制器，这种控制器把以前不可能采集到的信息通过不同的传感 器来获得，通过i n t e m e t 网，g s m 等来实现数据传输，然后通过计算机中的一些模型来处理信息， 作出灌溉计划。 爱尔兰一祥利( el g a r - sh a w ) 自控技术公司是以色列摄大的农业计算机控制系统生产厂家， 也是世界上生产农业计算机控制系统的主导企业，开发了一系列可编程序控制器，这些型号不同 的控制单元，基于不同的编写语言，使用一致的通讯系统，不同型号之间的差异只是输入，输出数 目及存储容量的不同。极其方便的实现了农业生产的控制。 美国是目前世界上微灌面积推广最多的国家，有很好的现代灌溉技术研究和开发支撑条件， 有许多研究中心，其综合环境控制技术水平非常高。他们的研究包括从作物的育苗、栽培到果实 的保存，各个阶段的环境控制方法。美国对于温室栽培的旋肥技术研究处于领先地位。 日本设施栽培综合环境控制技术水平很高，被称为“第四高技术农业”的植物工厂，已在日 本普及。日本的智能计算机专家系统等技术，在无土栽培的应用研究方面处丁：领先地位。荷兰鲜 花工业发达，建造了大量的现代农业设施，且几乎全部由政府优惠贷款来建设。玻璃温室应用非 常普遍。 1 2 2 国内现代设施农业及灌溉技术的发展现状 ( 1 ) 现代灌溉技术的发展 我国的微灌技术在7 0 年代就开始研究发展。山西省临汾的龙子祠引泉工程、河南省济源的 台瓦地灌排工程是最早的渗灌工程。1 9 7 5 年以后，山西省方荣县，河南省许昌市及江苏省的常熟、 睢宁、南通、启东、徐州等地进行了渗灌试点。然而，这些试点仅限于试验阶段，没有得到广泛 应用，而且自动化灌溉技术没有得到利用。 目前我国现代微灌技术的发展主要是在引进、消化技术的基础上，从无到有，逐步被人们认 识和接受。1 9 8 3 年湖南省零陵柑桔示范园用澳大利亚赠送的全套微灌设备，发展了3 0 0 亩柑桔喷 灌。1 9 8 5 年福建省龙溪地区引进安装了当时达世界先进水平的美国整套微喷灌设备，大大促进了 我国微喷灌技术和设备的发展。到1 9 9 1 年，我国微灌使用面积已有2 万多公顷，在过去的2 0 多 年里，在设备研制和经验积累等方面都为我国微灌的进步发展打下了基础。最近几年，出于国 家的重视和实际的需要，各地大力发展节水灌溉，微灌在我国进入了快速发展阶段。 计算机在我国设施农业生产中的应用起步较晚，8 0 年代韧开始出现，在实现对营养液、温 度、光照、c 0 2 施肥等进行综合控制方面做了一些研究。但在营养波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 二厂化高效农业示范工程中，设置了计算机环境调控专题，以提高自主开发能力。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。 3 中国农业大学t 程颁十学位论史 第一章概述 蔓! ! ! ! 曼曼苎! 曼鼍曼曼曼曼曼曼! 墨墨曼舅曼曼皇! 皇曼曼邑篁i ti t 一 i i ii 曼曼! 皇苎皇! ! ( 2 ) 我国设施栽培灌溉技术中存在的差距 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乎还很 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 台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。营养液混台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，臆肥量很不均匀。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人1 ： 操作阀1 、】的设备。不论灌溉还是施肥还停留在单个囡于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。 总之，在现代设施栽培成套灌溉设备的开发与技术方面我国已远远落后丁国外先进国家， 根据我国现代设施栽培灌溉的现状，需要解决的关键技术问题还很多，尤其是自动控制系统及相 应软件等。这些技术在我国还处于研究和待开发阶段，不能满足温室灌溉的需要。 ( 3 ) 发展趋势 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 的水进行适时灌溉，既能满足作物对水的需要，又不至于造成温室士壤含水量过多和空气湿度过 大，引起作物发生各种霉瘸，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，而且需求量早上 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，当务之怠是吸收国外同类型温室成套设备的开发和研 制，替代进口产品，是我们今后莺要而紧迫的任务。 1 ，3 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、中心控伟4 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、旆 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 了二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、营养液混合装置、各种传感器、灌溉电磁阀及 4 中国农业大学工程硕士学位论文第一章概述 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自动混合的方案上各有特色。 系统吸肥方式有泵注方式、文丘里式、压著式、水驱动混合注入式等。自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甫0 营养液电导率( e c ) 值、酸碱度( p h ) 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，自动灌溉与旋肥，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p l c ( 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。 1 4 论文结构 本文首先介绍国内外现代设施栽培技术中的关键技术一施肥灌溉技术的发展和现状，以及国 内在这一领域与国步 先进技术的主要著距。本研究就是在这一点背景下，设计并完成了以实际应 用为目的自动灌溉与施肥控制系统。 在论文接下来的各章中，将具体介绍系统的总体设计及各个技术要点。 在第二章的系统总体设计中介绍系统的总体设计方案，包括系统的工作过程，硬件选型， 控制算法设计，硬件设计等。 第三、五章介绍本系统如何利用模糊逻辑控制技术实现营养液自动混合控制，并给出控制系 统试验和试验结果。从试验结果可以看出，本系统应用模糊逻辑控制，成功地实现了营养液在线 自动混合控制，而且控制效果良好，能够满足系统要求。 第四章介绍施肥灌溉控制系统的p l c ( 可编程序控制器) 实现；最后结论与展望。 5 第二章施肥灌溉控制系统总体设计 本文对现代农业设施栽培技术中的自动灌溉控制系统进彳j = 研究与开发。目的是设计实现一套 可以用于设施农业生产中的实时灌溉与施肥的自动控制设备。该控制设备具有自动灌溉、自动施 肥及营养液自动混合等功能。本章介绍该系统的总体方案、硬件选型与设计。 2 1系统设计 2 1 1 系统原理 微灌系统，不同于传统的灌溉方法，即直接用水泵将灌溉水输送田间，让水分自己渗透到十 壤里或人工浇灌在作物上，而是通过微灌管网将灌溉水输送到栽培作物的温室中，并在管道上运 用各种微灌器，或喷，或滴，或渗，使灌溉水直接进入作物根部土壤，完成灌溉的目的。 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神 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，形成商浓度的营 养液母液，在需要施加营养液时，便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麓肥。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，c 如浓度、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，稳压蹰，2 l c ，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p l c ，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问 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 6 中周农业人学工程硕士学位论文第一二章簏肥灌溉控制系统总体设计 物的灌溉。而某一时刻，某一灌溉区域是否实施灌溉剐由系统控制中心根据操作者所设定的灌 溉程序来决定。 采潭爿主水幕肖过潍嚣k = t 稳压阔 plc 施肥泵 混合 惜感骷 电磁周 = 正 摊吧嚣 = 正 酗涟 营养 暖澹台控斜环节 型电罐阉1 刍电磁闼2 爿! ! ! ! ! f 灌赢区域蕾阿 灌溉水管路 控制线路 髑2 1 自动罐溉系统捣成 f i $ ，2 - 1s t r u c t u r eo f a u t o m a t i ci t t i g a t i o ns y s t e m 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台控制系统，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，同时打开肥料注入通道 的电磁阀，使所需肥料和酸液在施( 吸) 肥器的作用下注入至口混合罐中。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( e c 值) 和酸碱度( p h 值) 。所阻营养液混台控制系 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( e c 值) 和酸碱度( p h 值) 。系统工作时按照电寻率( e c 值) 和酸碱度( p t t 值) 传糟器采样值，由控制程序给出肥料与 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( e c 值) 和酸碱度( p i t 值) 稳定 在设定值上。 整个系统的协调及控制均由p l c ( 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。 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2 0 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一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。运行时间与间隔灌溉程序采用的营养液配方( 肥 7 麓薰裂 中国农业大学工程硕十学位论文第二章旆肥灌溉控制系统总体- 计 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 溉失误。 ( 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f 都能 正常工作的能力。如温度( 一1 0 、7 0 ) ，湿度等。 系统的安全性：耍保证重要数据( 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 与灌溉程序设蠢时，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f 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，又要考虑电源和数宇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 o 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、 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，如灌溉阀数量的增加( 即灌溉区域的扩展) ，需要控制的环 境囡子的增加等。在满足要求的基础上，还要考虑系统的成本和性价比。同时系统应易于凋试， 便于系统联调及进一步增强功能。 2 1 3 系统总体设计 根据系统功能及设计要求，系统采取p l c 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p l c 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p c 机进行修改。 自动灌溉溉与施肥控制电气系统框图如图2 2 。 系统包括自动灌溉与自动营养液自动混合两部分。这两部分的控制都由p l c 进行控制。 控制柜由按钮开关，p l c 。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，过滤器的反冲洗等。 在系统需要灌溉时，p l c 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_ t 作，_ 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 8 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i r 。 p l c 营养液自动混合控制系统工作时，施肥加压泵打开，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e c 、p h 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。 e c 、p 1 1 传感器是控制系统的检测元件。根据系统设计要求，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d d d 一3 2 d 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 1 0 4 i i s c m 满足系统要求；输出信号为0 l o m a ，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f 葡黾喟交流2 4 v 开关阀，成本低且性能可靠，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。 2 2 系统硬件设计与实现 2 2 1 p l c ( 可编程序控制器) 简介 2 0 世纪6 0 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 冈价格昂贵，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。2 0 世纪6 0 年代 9 中国农业大学工程硕士学位论文第二章旆肥灌溉控制系统总体设计 ! | 自e ! | 摹目! ! ! ! ! ! ! ! ! 皇! ! ! ! 目! | ! ! ! | | 目| | ! | ! 曼蔓! ! 自! ! ! ! ! ! s ! ! ! ! ! _ i l 末，美国通用汽车公司( g m ) 为了适应汽车型号不断翻新的需要，提出需要有这样一种殴备，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。 1 9 6 9 年美国d e c 公司研制出了第一台样机，用在g m 公司的生产线上获得成功。其后日本、 德国等相继引入，使得它迅速发展起来。由于这一时期它主要用于顺序控制。虽然也采用了计算 机的设计思想，但实际上只能进行逻辑运算，故称为“可编程逻辑控制器”，简称p l c ，即英文为 p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r 。 进入2 0 世纪8 0 年代，由于计算机技术和微电子技术的迅猛发展，极大的推动了p l c 的发展， 使得p l c 的功能日趋增强。p l c 可进行模拟量控制、位置控制和p i d 控制等，易于实现柔性制 造系统( f m s ) 。远程通信功能的实现使得p l c 如虎添翼。由于p l c 的功能远远超出了逻辑控制、 顺序控制的范围，故称为“可编程控制器”，简称p c ( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) 。但因p c 容易 和“个人计算机”( p e r s o n a l c o m p u t e r ) 混淆，故人们仍习惯地用p l c 作为可编程序控制器的缩 写。 p l c 采用典型的计算机结构，主要包括c p u ，r a m ，r o m 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p l c 看做一个系统，该系统由输入变量p l c - 输出 变量组成。外部的各种开关信号，模拟j 最信号以及传感器检澳4 到的各种信号均作为p l c 的输入变 量它们经p l c 外部输入端子输入到内部寄存器中，经p l c 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p l c 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p l c 看作一个中阔处理器或变换器，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p l c 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，主要有以下几个方面： ( 1 ) 隔离：这是抗干扰的主要措施之一。p l c 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：这是抗干扰的另一个主要措施。在p l c 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p l c 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 ) 内部设置联锁，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。 p l c 在控制上的应用日趋广泛，只要因为它具备以下特点： ( 1 ) 运行稳定可靠 ( 2 ) 可实现三电一体化 ( 3 ) 编程简单、使用方便 1 0 中国农业大学工程硕士学位论文 第二章施肥灌i 既控制系统总体设计 ! ! _ 目e _ _ _ | e g e ! ! ! ! ! ! ! 目_ | e e ! ! ! ! ! _ | _ _ - | 目_ 自e i , i ! ! ! ( d ) 体积小、重量轻、功耗低 ( 5 ) 设计、施t 、调试周期短。 p l c 是用软件逻辑代替硬件接线，采用编制程序的方法实现生产t 艺的改变。所以在控制 领域得到了广泛的应用。由于f l c 在制造工艺及程序设计上采用了先进的控制方法，所以抗干 扰能力特强，且可以在恶劣的环境下进行工作。这些满足了农业生产的灌溉系统控制要求，p l c 为丁业控制而设计，能适应恶劣的工业环境，输山数字量信号。可咀方便的去驱动开关设备。 所以本谋题选用p l c 作为系统的控制单元。 2 2 2 硬件设计与实现 p l c 灌溉控制系统的主要功能是：自动运行状态时，p l c 的a d 模块执行对各个传感器的 采样功能，并根据各个采样的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阎等开关量负载，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p l c 。它们可以直接去驱动这些负载，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e c 及p h 传感器需要作为模拟量输入p l c 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p l c 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。 在本系统中，灌溉程序的输入采用了拨码开关来实现。本系统需要输入的参数有： 灌溉支路的选择：卜一2 0 路2 位开关 灌溉方式选择：卜一9 种1 位开关 灌溉时间：卜- - 9 种1 位开关 所以在本系统中需要留出9 个输入点供灌溉程序的输入使用。 综合以上原因，我们采用松下电工的f p o 系列的超小型p l c ，配以f p o 系列的a d 模块实 现对灌溉控制系统的控制。具体型号及技术参数如下： p l cf p o c 3 2 r s1 6 入 a d 模块 f p o - a 2 1 2 a d 扩展模块 f p o e 3 21 8 入 p l c 输入输出主要由以下几部分组成： 输入部分：( i ) 系统启动总开关 系统停止总开关 混合罐水位开关 e c ，p h 传感器 1 6 出 1 d a 1 6 出 输出部分：( 0 ) 注水电磁阀 施肥加压泵 肥料电磁阀 酸液电磁阀 过滤器 压差传感器 主水泵 中国农业大学1 ：程硕士学位论文 第二章施肥灌溉控制系统总体设计 曼一i i i i , 曼皇! 皇! 曼皇蹬 2 3 本章小结 本章介绍了自动灌溉及施肥系统的工作原理、主要功能，并根据系统设计要求，完成了系统 的总体设计和p l c 的i o 硬件设计。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。 这一章还简单介绍了系统的重要功篚一营养自动混合过程的工作原理。在下面的两章中，将 详细介绍营养液自动混合控制系统的设计、实现及试验研究。 中国农业大学工程硕上学位论文第三章施肥灌溉控制系统模糊控制器设计 第三章施肥灌溉控制系统模糊控制器设计 营养液混合控制系统是自动灌溉控制系统的重要组成部分，其工作情况直接影响作物灌溉 效果及生长发育情况。根据对营养液混合系统构成及工作原理的分析可知，这是一个实时的、人 延迟的、有不确定因素的复杂系统，系统的滞后和惯性都很大，传递函数很难确定。义因为控制 系统的执行机构是只有两种状态的开关电磁阀，只能控制电磁阀在控制周期内的开关时间比例， 用传统控制方法不易得到较好的控制效果，因此本系统采用模糊控制方法来实现整个灌溉过程的 控制。 3 1 营养液在线混合控制原理与特点 3 1 1 控制系统工作原理 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、一定浓度的营养液通过灌溉水提供给作物