基于模糊PLC的施肥灌溉控制系统的研究Word格式文档下载.docx

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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

第1章绪论1

1.1现代设施农业和施肥灌溉技术介绍1

1.2施肥灌溉系统方案概述2

1.3设计目的3

1.4课题研究的主要内容4

第2章施肥灌溉控制系统总体设计5

2.1系统设计流程5

2.2系统硬件的选择9

2.3PLC的I/O分配13

2.4硬件接线图14

2.5PLC程序流程图16

2.6本章小结17

第3章营养液混合模糊控制器18

3.1模糊控制系统概述18

3.2模糊控制基本原理19

3.3营养液在线混合控制原理与特点19

3.4营养液混合模糊控制器实现21

3.5本章小结25

第4章施肥灌溉控制系统中模糊控制实现26

4.1模糊控制流程图26

4.2模糊控制周期选择27

4.2模糊控制的实现28

4.3本章小结29

结论30

参考文献31

致谢32

附录133

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、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，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】

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。

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。

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。

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，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。

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（-10～70），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。

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