基于PLC的水稻浸種催芽溫度模糊控制器設計

摘要：為了加快黑龍江墾區水稻浸種催芽的智能化、規范化管理，提高水稻浸種催芽的出芽率，以三菱FX2N系列PLC為控制器，針對水稻浸種催芽過程中對溫度的控制要求，提出模糊控制的設計方法。實現在浸種催芽過程中對水稻芽種進行升溫、降溫、控溫、保溫等智能化控制，滿足浸種催芽工藝的要求。控制器對浸種催芽溫度采用模糊控制時，增強系統的控制精度，縮短溫度調節時間，降低系統能耗，為后續育秧質量提供可靠保障。

關鍵詞：PLC；模糊控制；水稻；浸種催芽

中圖分類號：S233.71；TP273 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）13-3465-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.13.050

水稻的生產主要包括浸種催芽、育秧和本田種植三個階段[1]。通過研究水稻浸種催芽工藝要求中的溫度控制方法，對提高芽種的出芽率和育秧質量，保證水稻取得高產具有實際意義[2]。現有研究主要從水浸式浸種催芽的機理和浸種催芽設備的構造與工藝控制流程方面研究了浸種催芽對溫度的控制要求和工藝特點。同時，也有以單片機為控制核心采用傳統的PID控制方法，通過電加熱器進行溫度調節，雖然成本較低，但可靠性和穩定性較差，并且不利于系統的擴展[3]。為此，本研究提出以PLC為核心的模糊控制，可有效改善溫度控制的精度，克服控制系統的非線性缺陷，不用建立精確的數學模型，從而增強系統的智能化程度。針對浸種催芽工藝中的溫度控制要求，建立模糊控制規則，通過PLC對電加熱器進行功率調節，實現水稻在浸種催芽作業中各個工作期的催芽溫度達到工藝的要求，保障浸種催芽安全可靠。

1 溫控系統組成及其功能

在浸種催芽過程中，最核心的任務是對浸種、破胸和催芽3個階段內的溫度和時間長短進行控制[4，5]。溫度的控制通過調節電加熱器的加熱功率完成[6]，浸種催芽模糊控制系統是基于PLC為核心的智能化、自動化的控制系統，上位機采用華研的工控機，以無線通信方式與下位機PLC進行數據交換，通過對溫度傳感器的數據采集和分析處理作為模糊控制的反饋值，通過控制器實現模糊輸出，調節電加熱器實時完成溫度控制功能，從而滿足浸種催芽的溫控工藝要求。系統框圖如圖1所示。

2 PLC的模糊控制算法設計

2.1 模糊控制原理

模糊控制作為智能控制理論中的主要方法之一，主要用來解決那些傳統方法難以解決的復雜系統的控制功能[7]。它所研究的對象具有下列特點。

1）模型不確定性。常見控制系統都是基于固定模型的控制系統，類似于浸種催芽對溫度的要求，以往都靠人為經驗來判斷溫度要求，這樣的控制方式使控制對象具有較強的不確定性。采用傳統方式無法找到數學模型，這恰好可以利用模糊控制來解決問題。

2）非線性。在傳統的自動控制系統中，要求系統均為線性，對于非線性的控制對象，例如溫度控制具有時滯性大、非線性，且數學模型建立困難，使得傳統的PID閉環溫度控制效果較差[8]。而模糊控制則無需考慮控制對象的數學模型和復雜情況，僅根據操作人員的經驗就能完成控制規則的制定，同時控制規則也不精確。

3）智能系統的要求。對應智能控制系統主要都是面對復雜控制對象，要求控制系統具有自行的判定規則和決策能力，同時對被控量不但能夠實現定值調節，而且整個控制系統還可以實現故障自動診斷和緊急處理等功能。

對于浸種催芽溫度控制系統，恰好具備上述模糊控制的特點，對該系統而言，以往浸種催芽溫度控制主要都靠人工經驗去調節，勞動強度較大，且工藝要求比較復雜，各個環節之間的相互配合較多，操作繁瑣，常規的PID調節器無法達到控制效果。因此將各作業期內的溫度控制采用模糊的控制方法，可以提高整個系統的穩定性和可靠性。

2.2 模糊控制算法

PLC的模糊控制其核心是利用模糊集合理論，通過實時檢測被控對象的反饋值且和給定值相比較得到輸入的偏差量，把輸入偏差的精確量轉換為模糊量，即模糊化過程，并利用二者間的模糊關系進行模糊推理從而得到一個模糊的控制結論，最后將它轉換成精確量，即解模糊過程，由此完成整個PLC的模糊控制。

在浸種催芽溫度控制系統中，每個工作期所需的溫度作為溫度控制的臨界點，通過FX2N-4AD實時采集浸種催芽溫度，選擇偏差e和偏差變化率ec作為控制器的輸入變量，控制變量u作為控制期的輸出變量，通過FX2N-4AD模擬量輸出模塊輸出，控制調功電路完成對加熱器的功率調節。其中，偏差e的模糊控制的判斷依據劃分為PB（正大）、PS（正小）、PZ（正零）、NZ（負零）、NS（負小）、NB（負大），選擇e的量化論域為（-3，3）；而偏差變化率ec和輸出量u均采用5個模糊狀態，即PB、PS、Z（零）、NS、NB，它們的量化論域分別為（-3，3）和（-4，4）。根據浸種催芽控制工業要求，當水溫偏差較大時，應采用緩慢消除誤差；當誤差較小時，應以提高控制精度為主，避免超調的發生，且以操作人員的實際經驗和工藝要求制定模糊規則，控制器中的模糊規則采用“IF…AND…THEN…”的結構模式。因此得到模糊推理規則如表1所示。

設偏差的實際變化范圍為（-2，2），偏差變化率的實際變化范圍為（-1，1），當超出范圍后則采用全功率加熱和停止加熱，其中偏差e的量化因子為Ke=1.5，偏差變化率ec的量化因子為Kec=3，對應于采樣的溫度值，乘以量化因子后，就能得到u的模糊離散值，如表2所示。

對于輸出量u的信號為模擬量信號4～20 mA， 從而得出控制量u的量化因子Ku=16/9，采用加權平均法進行解模糊，從而得出模糊控制的輸出量u的精確值，最后通過FX2N-4AD輸出給調功電路，完成加熱器功率調節，達到浸種催芽溫度控制的工藝要求。

2.3 PLC的模糊控制實現

根據控制器的模糊算法，FX2N系列PLC的程序流程如圖2所示。通過FX2N-4AD模擬量采集模塊將4路浸種催芽溫度進行A/D轉換，并保存在指定的寄存器中，將設定值與采樣值進行比較后得出偏差量和偏差變化率。通過判定采樣值是否超限來直接決定加熱器是否全功率啟停，而不需要進行模糊化，以此大大提高系統響應速度，如果在模糊控制的范圍內，則將輸入量模糊化，根據模糊規則得出模糊輸出量的離散值，最后將模糊輸出量轉換為實際輸出量完成解模糊過程，通過FX2N-4AD輸出模擬量信號，控制調功電路完成加熱器的功率調節，從而實現浸種催芽作業過程中溫度的模糊控制功能。

2.4 實驗驗證

通過實驗驗證，控制器采用模糊控制算法對于浸種催芽過程中的溫度調節功能較比以往采用的PID控制和開關量溫度控制都有較大的改善，溫度控制效果如圖3所示。從圖3可知，模糊控制系統的靜差量大幅度減小，約為0.5 ℃左右且沒有負的偏差，當浸種催芽溫度發生微小變化時，控制器均能進行控制與調節，系統動態控制性能好，精度較高，使整個溫度調節過程中的溫度波動范圍滿足控制工藝的要求。同時，加熱器的功率消耗比傳統的開關量控制大約降低30%，因此采用模糊溫度控制對于改善水浸式浸種催芽過程中溫度有熱容量大、容積系數較高、系統控制滯后時間長等缺陷，對提高系統的控制精度具有明顯的效果，滿足浸種催芽作業的工藝要求。

3 小結

以三菱FX2N系列PLC作為水稻的浸種催芽溫度模糊控制器核心，實現了對浸種催芽中各個階段的溫度控制，利用控制器輸出量對調功電路中晶閘管的通斷進行控制，有效地提高了加熱器的工作效率和系統工作的穩定性。通過在墾區農場一年多的實際運行，該系統具有操作簡單、人機界面友好、運行維護方便、系統便于擴展等優點，能夠高效完成浸種催芽，提高了水稻的出芽率，為提高水稻產量和質量提供了可靠的保障，更有利于墾區農場對水稻生產的標準化作業進行管理，滿足生產所需的控制精度，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

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