專家模糊控制器在液肥流速控制中的應(yīng)用

孫　睿，歐陽斌林，孫文峰,李杞超，張繼成

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) a.電氣與信息學(xué)院；b.工程學(xué)院，哈爾濱　150030)

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專家模糊控制器在液肥流速控制中的應(yīng)用

孫睿a，歐陽斌林a，孫文峰b,李杞超b，張繼成a

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) a.電氣與信息學(xué)院；b.工程學(xué)院，哈爾濱150030)

摘要：為了提高變量施肥的準(zhǔn)確性，要求對(duì)液體的流速實(shí)現(xiàn)過程控制。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行針對(duì)性的試驗(yàn)，并根據(jù)傳感器的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種專家模糊控制算法。該算法采用目標(biāo)變量y(t)的變化趨勢(shì)來制定控制規(guī)則，按照模糊控制器的方式劃分小區(qū)，在其中應(yīng)用邏輯控制規(guī)則，來構(gòu)建控制算法，并在偏差較小時(shí)，采用Δ2e(k)按照減速逼近設(shè)定值r的概念來引導(dǎo)積分。在流速控制試驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行階躍及過程控制試驗(yàn)，將獲取的數(shù)據(jù)畫出曲線。通過試驗(yàn)找出各劃分小區(qū)的比例或積分系數(shù)，并證明該方法在穩(wěn)壓閥工作的范圍內(nèi)，可以用于過程控制。

關(guān)鍵詞：專家控制；模糊控制；增量控制；液肥

0引言

專家模糊控制多數(shù)與PID控制結(jié)合，一般采用偏差e和偏差的改變量Δe來改變和確定PID參數(shù)[1-3]，沒有用Δ2e的。再復(fù)雜一點(diǎn)的被控對(duì)象，模糊控制會(huì)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或?qū)＜抑R(shí)庫結(jié)合，設(shè)計(jì)控制策略來解決問題[4-7]。本文將一種專家式模糊控制算法應(yīng)用于流速控制中。這種系統(tǒng)的難點(diǎn)是流速傳感器很少，一般用脈沖輸出式的流量傳感器。流量傳感器能夠精確地計(jì)量流過的液體的總流量(L)，對(duì)時(shí)間長短沒有要求。而控制流速(L/min)，對(duì)流量和時(shí)間都有要求，才能控制好流速。農(nóng)業(yè)中的變量施肥要求控制液體肥的流速才能保證實(shí)時(shí)施肥量的準(zhǔn)確，且流速過程控制的調(diào)整時(shí)間越短越好。脈沖式流量傳感器計(jì)量準(zhǔn)確，但反映流速相對(duì)滯后，需要一定時(shí)間和脈沖量才能準(zhǔn)確計(jì)量流速，如果時(shí)間太短，換算出的流速誤差大，會(huì)影響控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。針對(duì)該問題，設(shè)計(jì)了專家式控制和模糊控制相結(jié)合的算法。采用增量式控制，在偏差較小時(shí)采用Δ2e引導(dǎo)積分來加快減少靜差。結(jié)果表明：當(dāng)偏差小到一定程度后具有一定的穩(wěn)定性，不容易受擾動(dòng)而波動(dòng)，從而達(dá)到流速過程控制調(diào)整時(shí)間短的目的。

1控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)如圖1所示。從流量計(jì)F換算出被控變量流速y(L/min)，出口外接4個(gè)噴嘴，也就是說壓力不是直接對(duì)大氣開口的。為了保證流速的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，用穩(wěn)壓閥N來保證壓力接近于恒定的狀態(tài)，如在0.15～0.3MPa。這樣選擇的泵D要足夠大保證壓力穩(wěn)定，也就是使穩(wěn)壓閥N處于正常工作的狀態(tài)，穩(wěn)壓閥有一定的回流存在。當(dāng)壓力穩(wěn)定時(shí)，流速y就可以用調(diào)節(jié)閥P的開度來調(diào)節(jié)。

圖1　控制系統(tǒng)示意圖

當(dāng)P全閉時(shí)，y最大；當(dāng)P全開時(shí)，y=0最小。將P的開度劃分為100份，則調(diào)節(jié)閥從全閉到全開的過程為u=0～100%，輸出目標(biāo)變量y會(huì)從最大到接近0。實(shí)際上閥的開度與流速y不是線性的，閥在半開時(shí)(u=50%)流速y≈0。由于多種因素的影響，如果開環(huán)控制流速，流速是不穩(wěn)定的。也就是一定的開度不一定始終對(duì)應(yīng)一定的流速。而閉環(huán)過程控制時(shí)，從一個(gè)流速變到另一個(gè)流速，需要一定的調(diào)整時(shí)間，調(diào)整不好，波動(dòng)很大，時(shí)間就會(huì)延長。

2控制原理和算法

不考慮當(dāng)前u的開度u(k),從e、Δe和Δ2e找出u的增量Δu的輸出控制規(guī)則，并用這些規(guī)則來建立控制規(guī)則。當(dāng)給定值為r，實(shí)際測(cè)量值為y，則偏差e(k)=r-y(k),Δe(k)=y(k)+y(k-1)，Δ2e=-y(k)+2y(k-1)-y(k-2)。由流量計(jì)的脈沖來測(cè)量流速要進(jìn)行一次時(shí)間變化率計(jì)算，在短時(shí)間內(nèi)確定精確的流速偏差和偏差的時(shí)間變化率相對(duì)更難，所以只能延長時(shí)間來提高測(cè)量流速的精度。權(quán)衡利弊，選擇從e、Δe和Δ2e的符號(hào)來確定y的變化趨勢(shì)，從而決定當(dāng)前輸出控制增量Δu(k)。圖2中，y在r下方，e>0,下一步的y希望向上發(fā)展，u的開度要求減小(關(guān)一點(diǎn))，即將要輸出的控制增量Δu(k)<0；反之，y在r上方r<0。同時(shí)，將要輸出控制增量Δu(k)>0(開一點(diǎn))。

由于設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥的全關(guān)u=0，全開u=100，所以添負(fù)號(hào)。即當(dāng)e<0增加開閥量，當(dāng)e>0減小開閥量。增量的程度，用參數(shù)K1來決定，K1設(shè)計(jì)在1～10之間可選擇：K1太大時(shí)，y會(huì)多次超調(diào)；K1太小時(shí)，會(huì)使Δu(k)過早為零而失去調(diào)節(jié)能力，相當(dāng)于比例控制。

圖2　被控變量y的變化趨勢(shì)

(1)當(dāng)y朝著r方向逼近時(shí)(圖2中趨勢(shì)1)，Δu(k)=0，維持原來的u不變，即不調(diào)整，有

if[e(k)>0&&Δe(k)<0] Δu(k)=0

if[e(k)<0&&Δe(k)>0] Δu(k)=0

(2)當(dāng)y背離r變化時(shí)(圖2中趨勢(shì)2)，則微調(diào)輸出Δu(k)，有

if[e(k)>0&&Δe(k)>0] Δu(k)=-K2e(k)/eM

if[e(k)<0&&Δe(k)<0] Δu(k)=K2e(k)/eM

4) 在y被鎖定在|e|

(1)當(dāng)y減速接近r時(shí)(圖2中趨勢(shì)4)，做正常積分，if[e(k)>0&&Δe(k)<0&&Δ2e(k)>0]Δu(k)=-1，略微關(guān)一點(diǎn)。if[e(k)<0&&Δe(k)>0&&Δ2e(k)<0]Δu(k)=+1；略微開一點(diǎn)。

(2)當(dāng)y加速接近r時(shí)(圖2中趨勢(shì)3)，需要抑制逼近r的速度，if[e(k)>0&&Δe(k)<0&&Δ2e(k)<0]Δu(k)=+2減y的上升速度，略微開兩點(diǎn)。if[e(k)<0&&Δe(k)>0&&Δ2e(k)>0]Δu(k)=-2減y的下降速度，略微關(guān)兩點(diǎn)。

綜上所述的控制規(guī)則，確定模糊控制輸出策略，計(jì)算出e(k)、Δe(k)和Δ2e(k)，按邏輯條件確定當(dāng)前的輸出控制增量Δu(k)。同時(shí)，通過試驗(yàn)找出系數(shù)K1和K2的有效范圍。執(zhí)行器是調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥有足夠的有效微調(diào)開度也是系統(tǒng)控制精度的關(guān)鍵因素之一。通過試驗(yàn)找出調(diào)節(jié)閥的最小微動(dòng)步進(jìn)作為輸出的微開量和微關(guān)Δu(k)=±1。

3傳感器和執(zhí)行器

傳感器采用TeeJet公司的801流量計(jì)，輸出脈沖，有82個(gè)脈沖/L，計(jì)量輸出的流量，要換算成流速(L/min)，需要用單片機(jī)定時(shí)測(cè)量。設(shè)輸出脈沖為N，則每秒的脈沖增量為ΔN，取前4s的采樣值，并考慮減少延遲滯后，采用加權(quán)系數(shù)，則當(dāng)前流速為

2ΔN(k-2)+ΔN(k-3)]}

如果選擇測(cè)量脈沖之間的時(shí)間來間接測(cè)量流速，比如流速15L/min的脈沖率大約是20個(gè)脈沖/s。測(cè)量流速y的滯后時(shí)間會(huì)縮短，但誤差大,尤其在計(jì)算出e(k)、Δe(k)和Δ2e(k)的誤差會(huì)更大。在偏差e(k)很小時(shí),進(jìn)一步影響到它們的符號(hào)，從而造成流速y的變化趨勢(shì)的誤判，突然波動(dòng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定性差，反而延長了調(diào)整時(shí)間。

調(diào)節(jié)閥采用TeeJet公司的344BRL，開度從全關(guān)到全開需要6s，測(cè)試的有效最小微動(dòng)是1/160s，所以輸出控制變量u是用時(shí)間秒來衡量的，其增量Δu(k)是調(diào)節(jié)閥的開關(guān)時(shí)間，Δu(k)=±1 單位是1/160s，100份最大為1/1.6s。由于系統(tǒng)的性質(zhì)如圖1所示，u的開度位置在0～50%(全關(guān)到半開)對(duì)y有影響，50%～100%(半開到全開)，壓力P很小，對(duì)y影響很小。所以還設(shè)計(jì)了壓力信號(hào)P，檢查壓力P，使調(diào)節(jié)閥工作在0～50%的開度范圍：壓力太小時(shí)，將閥關(guān)一下；或者開閥時(shí)，當(dāng)壓力太小調(diào)節(jié)閥就不用再開了。

4試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

設(shè)置不同的給定值做階躍試驗(yàn)，當(dāng)泵和穩(wěn)壓閥設(shè)置固定不變時(shí)，從調(diào)節(jié)閥處于全關(guān)狀態(tài)開始做階躍試驗(yàn)。由于傳感器測(cè)量滯后，會(huì)出現(xiàn)超調(diào)，或者調(diào)整時(shí)間會(huì)很長。設(shè)置K1=5、K2=3，分別做r=10、20、25L/min的階躍試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線如圖3所示。其中，r=20L/min的曲線形狀較好；上端r=25L/min的曲線，階躍部分不好，是由于系統(tǒng)最大流速小于35L/min，靜差還好；下端r=10L/min的曲線表明，調(diào)整過大，即設(shè)置K1=5對(duì)r=10L/min不合適。后面的靜差也比較大，是由于圖1所示的系統(tǒng)中，更多的液體量回流使u對(duì)y的約束能力下降。如果改變穩(wěn)壓閥的設(shè)定值，比如減小穩(wěn)壓值P，可以很好地控制r=10L/min；但對(duì)于圖4所示的r=5～25的過程控制，穩(wěn)壓閥是不能人為再改變的。圖4的過程控制曲線表明：該過程控制每20s步進(jìn)1次，每次步進(jìn)增量流速為5L/min，調(diào)節(jié)閥的初始狀態(tài)為全關(guān)。由于系統(tǒng)滯后，第1節(jié)超調(diào)占用10s，調(diào)整時(shí)間幾乎花了20s。其余的過程沒有超調(diào)。如果選擇適當(dāng)?shù)某跏紶顟B(tài)或已知r=5L/min時(shí)的調(diào)節(jié)閥的位置，就可以避免這個(gè)巨大的超調(diào)。多數(shù)調(diào)整時(shí)間為5s，最大的調(diào)整時(shí)間是r=15L/min時(shí)的10s，控制精度比較好的是r=15、20L/min的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。從該過程曲線看，該控制系統(tǒng)可以用于調(diào)整時(shí)間小于10s，控制流速在每分鐘15～20L/min為最好。而選擇這個(gè)最佳流速的區(qū)間可以通過調(diào)整穩(wěn)壓閥來實(shí)現(xiàn)。

圖3　不同給定值的階躍試驗(yàn)

5結(jié)論

該專家模糊控制采用目標(biāo)變量y(k)的變化趨勢(shì)來制定控制規(guī)則，按照模糊控制器的方式劃分小區(qū)，并在其中應(yīng)用邏輯控制規(guī)則，來構(gòu)建控制算法。在偏差較小時(shí)，采用Δ2e(k)按照減速逼近設(shè)定值r的概念來引導(dǎo)積分。在流速控制試驗(yàn)臺(tái)上，通過試驗(yàn)找出各劃分小區(qū)的比例或積分系數(shù)，并證明該方法在穩(wěn)壓閥工作的范圍內(nèi)，其階躍特性在r=20L/min附近最好，其過程控制特性，在步進(jìn)5L/min時(shí)調(diào)整時(shí)間小于10s，不超調(diào)。在偏差較小時(shí)，比較穩(wěn)定。

圖4　過程控制曲線

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Expert Fuzzy Controller in Fertilizer Flow Rate Control

Sun Rui1, Ouyang Binlin1, Sun Wenfeng2, Li Qichao2, Zhang Jicheng1

(a.College of Electrical and Information of Northeast Agricultural University; b.College of Engineering of Northeast Agricultural University, Harbin 150030，China)

Abstract：In precision agriculture, in order to improve the accuracy of variable rate fertilization, requirements for liquid flow must process control.So designed a test-bed, do corresponding test, according to the characteristics of the sensor design an expert fuzzy control algorithm,which adopts the change tendency of the target variable y (t) to formulate control rules.According to the fuzzy controller way of dividing area.In the areas, application logic control rules,to build the control algorithm.When the error is small, Δ2e be used to guide the integral, according to the deceleration approximation the set value. On the test-bed, do the step test, process control test, and then draw the curve by the acquired data.Through the experiments, the proportional and integral coefficients are identified. And prove that the algorithm is, within the scope of the process control.

Key words：expert control; fuzzy; incremental control; liquid fertilizer

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0242-04

中圖分類號(hào)：S11+6;S224.21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：孫睿(1990-)，男，黑龍江大興安嶺人，碩士研究生，(E-mail) 412556546@qq.com。通訊作者：歐陽斌林(1956-)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail) ouyangbl@162.com。

基金項(xiàng)目：黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)技術(shù)項(xiàng)目(GC13B307)

收稿日期：2015-04-24