風送式噴霧風機PLC模糊控制系統的設計與研究

宋清艷

摘要：針對目前我國變量噴霧風機噴霧效果不好且很難控制的特點，本文研究采用無級調速模糊控制來解決該問題，在控制過程中加入了控制算法，通過對算法分析，將模糊PI算法移植到PLC程序中，編寫模糊PI控制程序，調試PLC程序，最終達到其控制效果。通過仿真實驗發現，該方法能夠很好的解決變量噴霧風機噴霧效果。

關鍵詞：噴霧風機 無級調速 模糊控制自整定PID

中圖分類號：TP273.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0006-01

研究國外變量噴霧農具的發展，不難看出變量噴霧農具在國外己經相當成熟特別是在歐美國家，目前國內對變量噴霧農具的研究進展緩慢，隨著我國農業十三五規劃的提出，發展現代精準農業控制為極大的推進農業發展有著極其重要的意義[1]。我國的果園變量噴霧重點加強一下性能：

霧滴初始動能（即穿透力）、作業適應能力、工作參數調整的靈活方便性、噴施精準性能，對環境友好性能[2]。

因此，促使果園變量噴霧技術的進一步發展，需要變量噴霧、自動行走、自動檢測和控制三大核心技術的支撐[3]。

1 噴霧風機無級調速系統整體設計思路

本噴霧系統通過微型薄膜泵從儲液罐抽取藥液，薄膜泵抽取的藥液進過閥門進入到霧化系統，同時設置了回流閥來輔助調節系統流量和壓力，起到輔助調節和保護系統的作用。

薄膜泵抽取的液體在扇形噴霧噴頭的霧化作用下將藥液霧化，霧化后的藥液經軸流風機對靶噴霧，實現噴霧系統工作整體工作流程。噴霧系統通過渦輪流量計和壓力傳感器對系統的流量和壓力進行監測和控制，實現控制精確化。風機轉速通過光電傳感器來進行測量，所測得風機轉速經過A/D轉化反饋給PLC，實現負反饋閉環控制。

2 噴霧風機調速原理

由電機學可知，交流異步電動機轉速公式為：

公式一：

其中：——定子供電頻率；

p——極對數；

s——轉差率。

通過以上變頻調速器原理可以看出，改變頻率或改變電壓都可以實現對噴霧風機轉速的調節與控制。當電壓與頻率比值恒為常數時，可以實現了交流電機平滑調速。

3 模糊控制原理

通過使用Matlab軟件中的Simulink工具來進行模糊控制的仿真，從設計出最為適合的PID參數自組織模糊控制器。如量化因子、 的選取、修正因子的取值等，通過模擬軟件的模擬與參數的調整修正，得到一個理想的二輸入一輸出的PID參數自整定的模糊控制控制器。

3.1 確定模糊控制器的結構

本系統選用兩輸入單輸出的模糊控制器。控制器的輸入為速度偏差E和速度偏差變化率EC，輸出為變頻器控制量。

3.2 定義輸入、輸出模糊集合

將速度偏差分為NB、NM、NS、NZ、PZ、PS、PM、PB八個模糊集合；將速度偏差變化率和變頻器控制量定義為NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB七個模糊集合。

3.3 定義隸屬度函數

通過FIS編輯器，分別對E、EC和U進行定義隸屬度函數。E的論域定義為[-4，4]，EC的論域定義為[-3，3]，U的論域定義為[-5，5]。

4 PLC控制

通過模糊串級控制系統設計得到圖三控制系統模擬圖。經量化因子取EK=5，ECK=320，UK=1/3.5（因子可在仿真過程中調整），在Simulink平臺下建立整個模糊串級控制仿真框圖。由于常規模糊控制器具有Fuzzy比例微分作用，缺少積分環節，因此必然不可避免地產生穩態誤差，為提高風速控制系統對穩態精度要求，因此圖中引入PI控制策略，構成Fuzzy-PI復合控制器。將仿真好的Fuzzy-PI控制器植入到PLC，通過PLC程序調試得到實驗結果如下：

實驗結果為：PID控制超調量為20%，調節時間為5s；采用主調節器為Fuzzy-PI調節器真結果為：PID控制超調量為5.1%，調節時間為1.5s；因此串級控制系統具有較強的抗干擾能力，調節品質良好。

5 結語

從以上試驗仿真結果可以看出，利用Matlab來構建變量噴霧無級變頻調速風機模糊控制器系統響應速度快，誤差精度高，操作方便，從建模到最終的試驗仿真結果來看，用戶除了簡單的操作外，大量的PLC程序，PC機程序，各種驅動模塊已經響應的程序，液晶顯示程序和驅動等都不需要用戶自己去實現。需要指出的是，目前控制方法很多，如何科學合理的選擇模糊控制、多模模糊控制、模糊PI控制、隸屬度可變模糊控制、自調整整模糊控制、模糊PID控制等。該模糊PI控制器雖然在整體控制效果上令人滿意，但仍然存在超調量不易及時消除等問題。如何利用Matlab中simulink工具箱及時高效的設計出更加合理科學、性能更優良的模糊控制器，需要進一步的研究。

參考文獻

[1]張國良，曾靜，鄧方林.模糊控制及其MATLAB應用[J].西安交通大學出版社，2002，11（4）：98-103.

[2]劉秀娟，周宏平，正加強.農藥霧滴漂移控制技術研究進展[J].農業工程學報，2005，21（1）：186-189.

[3]何雄奎，曾愛軍，何娟.果園噴霧機風速對霧滴的沉積分布影響研究[J].農業工程學報，2002，18（4）：75-77.