基于粒子群-模糊PID算法的水肥一体化控制系统设计

作     者：吴琦 

作者单位：河北农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：任振辉

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0828[工学-农业工程] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：水肥一体化 控制过程模型 精准配肥 控制系统设计 PSO-FuzzyPID控制 

摘      要：近年来,我国农业现代化水平不断提高,在农田耕种过程中,水资源浪费、化肥利用率低等状况有所缓解但仍然存在,且目前国内生产的轻简水肥一体化设备存在自动灌溉效率和水肥配比精度低等问题,在很大程度上制约了我国农业的发展。因此,开发一套满足现代农业发展需求的水肥一体化控制系统,提高水、肥利用率和水肥配比精度,是十分必要的。本文基于STM32单片机设计了水肥一体化控制系统,该系统采用单片机控制技术、组态串口屏技术、智能控制算法,实现了水肥一体化系统的自动灌溉施肥和精准配肥。其中,STM32单片机作为系统下位机,完成了数据采集和设备动作控制;上位机使用F系列串口屏实现了良好的人机交互功能;选用PSO-Fuzzy PID控制方法调控电动球阀开度,从而实现了水肥溶液浓度和酸碱度的精准调控,满足了农业生产需求。论文完成的工作及研究成果如下:(1)以水肥溶液浓度和pH值为控制对象分别建立了控制过程模型,分析结果表明,水肥溶液浓度和pH值的控制过程具有非线性、延迟性、时变性等特点,并会受到母液浓度、灌溉流量等不确定因素的影响。(2)针对控制对象建立了仿真模型,对常规PID控制、模糊PID控制和PSO-Fuzzy PID控制三种算法在水肥溶液浓度控制和酸碱度控制方面进行了仿真对比实验。结果表明,在超调量和调控时间上,PSO-Fuzzy PID控制较于前两种控制方法更具优越性,能够满足系统在水肥溶液配制精度方面的要求。(3)确定了控制系统硬件设计与选型,系统以STM32单片机为核心,完成了对混肥罐中水肥溶液EC值、pH值和系统管道流量、压力等参数的采集,实现了对各种泵、电动球阀和电磁阀等设备的手动/自动控制;采用功能分块设计思维完成了控制系统软件设计,包括系统初始化、数据采集和分析处理、输出控制等子程序,用户能够通过触摸屏发布指令完成系统设备的控制,实现系统实时/历史数据及曲线的查询。(4)设计了三种灌溉试验方案,针对模糊PID和PSO-Fuzzy PID对水肥溶液浓度和酸碱度的控制效果进行了试验及分析,结果表明:相比于模糊PID,本文采用的PSO-Fuzzy PID控制方法,控制过程中的超调程度明显下降,具有更快的调节速度且收获了更小的均方根误差,能够更好的适应系统输出流量的变化,具有更好的动态调节和维持静稳的能力,较好满足了系统精准配肥的需求。本文研发的水肥一体化控制系统运行稳定可靠、操作方便、能够拓展更多的功能,能够满足现代农业灌溉施肥设备的控制性能和精度要求,具有广阔的应用前景。