一种基于模糊PID与变参数PI算法复合控制的变量施肥方法技术

本发明专利技术涉及智慧农业领域，更具体的说是一种基于模糊PID与变参数PI算法复合控制的变量施肥方法，该方法包括以下步骤：S1：搭建电动执行器模型、设计模糊PID控制器、搭建PWM驱动电路和设计PI控制器；S2：设定实际的施肥量与给定的施肥量之间的误差值e的等级；S3：判断误差值e的等级，通过选择开关将PI控制器或者模糊PID控制器和PWM驱动电路连接；S4：PWM驱动电路控制电动执行器模型驱动施肥装置施肥；可以利用自适应模糊PID与变参数PI算法复合实现对于变量施肥的精准化控制，以至于实现农业种植生产中的精量化施肥，从而有效提升农业的可持续发展。发展。发展。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模糊PID与变参数PI算法复合控制的变量施肥方法


[0001]本专利技术涉及智慧农业领域，更具体地说是一种基于模糊PID与变参数PI算法复合控制的变量施肥方法。

技术介绍

[0002]我国农业的发展历史悠久，但农业智能化、精准化发展速度仍然较慢，传统农业的影子仍未消散，农业种植生产中依靠人力、物力的满足增加来进行产量提升的手段仍然存在。特别是粗放化的农药、化肥的施用，导致了土地退化、土壤的生产力下降等一系列问题，也产生了许多农村品的污染问题，致使“绿色”农产品无法切实达到质量要求。因此，如何快速实现农业精准化、智能化、现代化，打造安全、绿色、健康的农业种植生产模式，就变得日趋重要。
[0003]当前，传统的施肥系统在相应地格上要完成准确施肥和均匀施肥任务时，施肥系统具有大滞后、强时变和非线性的特点，既要具有理想的动态品质，又要有准确的稳态精度；传统的控制方法很难解决这样的矛盾，单纯采用一种PI(比例积分)控制方案或PID(比例积分微分)控制难以取得理想的控制效果；
[0004]因此，亟需设计一种科学的控制模型及方法，综合考虑施肥处方图、施肥机幅宽、施肥机行驶速度等影响因素，打造一种自适应的变量施肥系统，从而解决施肥量不均、施肥点位误差等问题，实现化肥的科学投放，已达到解决成本、提升产量、保护生态的最终目标。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于模糊PID与变参数PI算法复合控制的变量施肥方法，可以利用自适应模糊PID与变参数PI算法复合实现对于变量施肥的精准化控制，以至于实现农业种植生产中的精量化施肥，从而有效提升农业的可持续发展。
[0006]本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：
[0007]一种基于模糊PID与变参数PI算法复合控制的变量施肥方法，该方法包括以下步骤：
[0008]S1：搭建电动执行器模型、设计模糊PID控制器、搭建PWM驱动电路和设计PI控制器；
[0009]S2：设定实际的施肥量与给定的施肥量之间的误差值e的等级；
[0010]S3：判断误差值e的等级，通过选择开关将PI控制器或者模糊PID控制器和PWM驱动电路连接；
[0011]S4：PWM驱动电路控制电动执行器模型驱动施肥装置施肥；
[0012]所述电动执行器模型主要由直流伺服电机组成，其工作时，复论域方程为：
[0013]U(S)＝RI(S)LsI(S)+E(S)
[0014]E(S)＝K
e
ω(S)
[0015]T(S)＝K
T
I(S)
[0016]T(S)＝T
L
(S)+(J
α
+J
L
)sω(S)
[0017]其中，U(S)为复论域电枢电压；R为复论域电枢电阻；I(S)为复论域电枢电流；E(S)为复论域反电动势；T(S)为复论域输出转矩；ω(S)为复论域角速度；L为复论域电枢电感；K
e
为复论域反电动势系数；K
T
为复论域力矩系数；J
α
为复论域电枢的转动惯量；J
L
—复论域负载的转动惯量；
[0018]所述PWM驱动电路的PWM脉宽调制环节的传递函数搭建，按照PWM变换器的原理；
[0019]所述模糊PID控制器的设计步骤包括以下步骤：
[0020]S11：进行模糊PID控制器的隶属函数设计；
[0021]S12：根据模糊PID控制器的参数，进行模糊PID控制器的设计；
[0022]所述隶属函数设计的步骤为：
[0023]给定的施肥量与实际的施肥量之差为误差e及其误差变化率ec的选取范围为e∈[0，0.9]，ec∈[
‑
4.67，0]；将e和ec经模糊化后分别得到语言变量E和EC，它们的糊集合均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，论域均为{
‑
6，
‑
4，
‑
2，0，2，4，6}。两者的隶属函数均选择三角形型隶属函数，以控制量u作为输出，其中u∈[
‑
1.127，0.853]，输出放言变量U特性与输入语言变量相同；
[0024]所述模糊PID控制器参数的设计步骤为：
[0025]通过计算给定的施肥量与实际的施肥量的误差e和误差变化率ec，e和ec通过模糊化、模糊推理及反模糊化得到PID参数的增量ΔK
P
、ΔK
i
、ΔK
d
；再与当前PID初值相加，得到下一时刻的PID控制量，K
p
＝K
p0
+ΔK
P
，K
i
＝K
i0
+ΔK
i
，K
d
＝K
d0
+ΔK
d
，实现PID参数Kp、K
i
和K
d
的在线自整定，利用模糊求出PID参数的增量ΔK
P
、ΔK
i
、ΔK
d
；
[0026]所述误差值e的等级设定为三级，分别为|e|≥e1、e1≥|e|≥e2和e2≥|e|；
[0027]当|e|≥e1时，选择开关将调用PI控制器和PWM驱动电路联通，此时的PI控制器中P参数权重大，I参数权重小；
[0028]当e1≥|e|≥e2时，选择开关将模糊控制PID控制器与PWM驱动电路联通；
[0029]当e2≥|e|时，选择开关将PI控制器与PWM驱动电路联通，此时的PI控制器中P参数权重小，I参数权重大。
[0030]本专利技术的有益效果为：
[0031]设计一种自适应以及快速及时响应的基于模糊PID与变参数PI算法复合控制的施肥控制器，使施肥系统既具有快速性又具有稳定性；也就是说，施肥系统起始阶段主要考虑快速性，系统中段快速性稳定性同时考虑，系统末段主要考虑稳定性，该控制器有效地解决了快速性与稳定性之间的矛盾；
[0032]按照变量施肥系统的运行特点，设计PWM驱动的控制系统，建立变量施肥系统中电动执行器模型的传递函数模型；为变量施肥系统设计自适应模糊PID与PI的复合控制器，在Simulink系统中对变量施肥系统进行了自适应模糊PID与PI的复合控制系统组建，并仿真调试；
[0033]仿真结果表明：自适应模糊PID控制器与PI控制器的复合控制动态性能和静态性能都优于传统的模糊PID控制，选择自适应模糊PID控制器与PI控制器的复合控制算法来控制变量施肥系统具有一定优势。
附图说明
[0034]下面结合附图和具体实施方法对本专利技术做进一步详细的说明。
[0035]图1是本专利技术的变量施肥控制结构示意图；
[0036]图2是本专利技术的电动执行器模型示意图；
[0037]图3是本专利技术的E、EC和U的隶属度函数示意图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模糊PID与变参数PI算法复合控制的变量施肥方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：搭建电动执行器模型、设计模糊PID控制器、搭建PWM驱动电路和设计PI控制器；S2：设定实际的施肥量与给定的施肥量之间的误差值e的等级；S3：判断误差值e的等级，通过选择开关将PI控制器或者模糊PID控制器和PWM驱动电路连接；S4：PWM驱动电路控制电动执行器模型驱动施肥装置施肥。2.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID与变参数PI算法复合控制的变量施肥方法，其特征在于：所述电动执行器模型主要由直流伺服电机组成，其工作时，复论域方程为：U(S)＝RI(S)LsI(S)+E(S)E(S)＝K
e
ω(S)T(S)＝K
T
I(S)T(S)＝T
L
(S)+(J
α
+J
L
)sω(S)其中，U(S)为复论域电枢电压；R为复论域电枢电阻；I(S)为复论域电枢电流；E(S)为复论域反电动势；T(S)为复论域输出转矩；ω(S)为复论域角速度；L为复论域电枢电感；K
e
为复论域反电动势系数；K
T
为复论域力矩系数；J
α
为复论域电枢的转动惯量；J
L
—复论域负载的转动惯量。3.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID与变参数PI算法复合控制的变量施肥方法，其特征在于：所述PWM驱动电路的PWM脉宽调制环节的传递函数搭建，按照PWM变换器的原理。4.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID与变参数PI算法复合控制的变量施肥方法，其特征在于：所述模糊PID控制器的设计步骤包括以下步骤：S11：进行模糊PID控制器的隶属函数设计；S12：根据模糊PID控制器的参数，进行模糊PID控制器的设计。5.根据权利要求4所述的一种基于模糊PID与变参数PI算法复合控制的变量施肥方法，其特征在于：所述隶属函数设计的步骤为：给定的施肥量与实际的施肥量之差为误差e及其误差变化率ec的选取范围为e∈[0，0.9]，ec∈[
‑
4.67，0]；将e和ec经模糊化后分别得到语言变量E和EC，它们的糊集合均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，论域均为{
...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈洋，侯瑛男，邵文杰，赵超越，郝宏堡，
申请(专利权)人：哈尔滨航天恒星数据系统科技有限公司，
类型：发明
国别省市：