CN113190054B - 一种多通道的流量比控制方法、系统及应用 - Google Patents

一种多通道的流量比控制方法、系统及应用 Download PDF

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Abstract

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种多通道的流量比控制方法，包括：采集所述多通道输出溶液的EC值；根据所述EC值，采用模糊控制PID控制所述多通道中最大比例管道阀门的开度；根据所述EC值，采用增量式PID控制所述多通道中除去最大比例管道阀门以外的阀门的瞬时流量。本发明采用双闭环控制，内环控制各施肥通路的施肥比例，采用增量式PID控制，只需要现时刻以及前两个时刻的偏差采样值，计算量和存储量都较小；外环控制水肥混合溶液的EC值，采用模糊控制PID，利用模糊逻辑并根据一定的模糊规则对模糊控制PID的参数进行实时的优化，以克服传统PID参数无法实时调整PID参数的缺点。

Description

一种多通道的流量比控制方法、系统及应用
技术领域
本发明涉及水肥一体化领域，特别是一种多通道的流量比控制方法、系统及应用。
背景技术
水肥一体化是利用管道灌溉系统,将肥料溶解在水中,同时进行灌溉与施肥,适时、适量地满足农作物对水分和养分的需求,实现水肥同步管理和高效利用的节水农业技术。水肥资源约束成为制约农业可持续发展的瓶颈因素，推进水肥一体化普及成为提高水肥利用效率、转变农业发展方式、缓解水资源紧缺的关键措施。
目前，多通道水肥一体机多个通道的流量比多采用手动模式控制，无法实现个通道的施肥比例的自动调节以及总的混合溶液的EC值调节。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种多通道的流量比控制方法、系统及应用，用于解决前述技术问题中的至少一个。
具体地，其技术方案如下：
一种多通道的流量比控制方法，包括：
采集所述多通道输出溶液的EC值；
根据所述EC值，采用模糊控制PID控制所述多通道中最大比例管道阀门的开度；
根据所述EC值，采用增量式PID控制所述多通道中除去最大比例管道阀门以外的阀门的瞬时流量。
所述“采用模糊控制PID控制所述多通道中最大比例管道阀门的开度”，包括：
以所述EC值的偏差和EC的变化率为所述模糊控制PID控制的输入量，以比例系数Kp，积分系数Ki,微分系数Kd为所述模糊控制PID控制的输出量；并以三角形隶属度函数作为所述模糊控制PID控制的隶属度函数；
构建比例系数Kp，积分系数Ki,微分系数Kd的规则库；
通过解模糊和输出清晰化步骤，对所述多通道中最大比例管道阀门的开度进行控制。
所述“采用增量式PID控制所述多通道中除去最大比例管道阀门以外的阀门的瞬时流量”，包括：
将所述多通道中除去最大比例管道阀门以外的其他阀门的控制信号和各通道流量信号离散化；
根据下式控制各个阀门开度：
△OUT＝Kp*(Ek-Ek-1)+(Kp*T/Ti)*Ek+(Kp*TD/T)*(Ek-2Ek-1+Ek-2)
Pv＝OUT+△OUT；
其中，Kp比例常数；Ti:积分常数；TD：微分常数；T：计算周期；
Ek：第K次偏差；Ek-1：K-1次偏差；Ek-2：K-2次偏差；Pv:当前的阀门开度；OUT：前上一次的阀门开度；△OUT：此次变化的开度
所述模糊控制PID控制、增量式PID控制均为闭环控制。
一种应用如上所述流量比控制方法的系统，包括：
第一控制节点，与外界的液体源连接；
第二控制节点，与所述第一控制节点通过管路连接；
第一阀门，设置在所述第一控制节点与所述第二控制节点之间；
阀门组，设置在所述第二控制节点的输出端，作为所述多通道的输出端；
第一控制模块，设置在所述阀门组的输出端与所述第一控制节点之间；
第二控制模块，设置在所述第二控制节点与所述阀门组的输出端之间；
所述第一控制模块与所述第一阀门电性连接，用于采集所述多通道输出的混合溶液浓度并根据该浓度调整所述第一阀门的开度；
所述第二控制模块与所述阀门组电性连接，用于采集所述阀门组中各个阀门的开度并根据所述混合溶液浓度调整所述阀门组中各个阀门的开度；所述第一阀门为所述混合溶液中占最大比例的溶液通道的阀门。
一种如上所述流量比控制方法在多通道水肥一体机上的应用。
本发明至少具有以下有益效果：
根据本发明所述多通道的流量比控制方法，采用双闭环控制，内环控制各施肥通路的施肥比例，采用增量式PID控制，只需要现时刻以及前两个时刻的偏差采样值，计算量和存储量都较小；外环控制水肥混合溶液的EC值，采用模糊控制PID，利用模糊逻辑并根据一定的模糊规则对模糊控制PID的参数进行实时的优化，以克服传统PID参数无法实时调整PID参数的缺点。
进一步地，本发明所述系统，将各通道的流量比和总混合溶液的EC值作为控制对象，通过双闭环控制，实现对个通道流量和总混合溶液EC的控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明所述系统的控制方法的框图。
图2为模糊PID控制EC环的流程。
图3为阀门组对应的各通道增量式PID控制流量环流程。
图4为本发明所述系统的具体实施例。
主要元件符号说明：
图中：1、水源；2、灌溉泵及首部；3、灌溉流量计；4、压力表；5、单向阀；6、施肥泵；7、压力表；8、流量计；9、流量计；10、文丘里管；11、流量计；12、Y型过滤器；13、肥桶及搅拌系统；14、加水电磁阀；15、放气阀；16、比例阀；17、EC传感器；18、主管混肥腔；19、肥桶加水管路；20、水肥一体机入口；21单向阀；22、肥桶加水入口；23、水肥一体机出口；24、水肥一体机入口阀；100、第一控制节点；200、第二控制节点；300、第一阀门；400、阀门组；500、第一控制模块；600、第二控制模块；
其中，加水电磁阀为常闭；水肥一体机入口阀为常开。
具体实施方式
如图1，一种多通道的流量比控制方法，包括：采集所述多通道输出溶液的EC值；根据所述EC值，采用模糊控制PID控制所述多通道中最大比例管道阀门的开度；根据所述EC值，采用增量式PID控制所述多通道中除去最大比例管道阀门以外的阀门的瞬时流量。
如图2，所述“采用模糊控制PID控制所述多通道中最大比例管道阀门的开度”，包括：以所述EC值的偏差和EC的变化率为所述模糊控制PID控制的输入量，以比例系数Kp，积分系数Ki,微分系数Kd为所述模糊控制PID控制的输出量；并以三角形隶属度函数作为所述模糊控制PID控制的隶属度函数；构建比例系数Kp，积分系数Ki,微分系数Kd的规则库；通过解模糊和输出清晰化步骤，对所述多通道中最大比例管道阀门的开度进行控制。具体的，EC环的模糊控制以EC值的偏差e和EC的变化率ec为输入量，以比例系数Kp，积分系数Ki,微分系数Kd为输出量。量化论域表如下表1所示,隶属度函数均采用三角形隶属度函数。
表1：模糊语言量化论域表
分别构建Kp,Ki,Kd的规则库：
根据经验，定义Kp,Ki,Kd的规则库分别如下：
表2：Kp模糊规则表
表3：Ki模糊规则表
表4：Kd模糊规则表
如图3，所述“采用增量式PID控制所述多通道中除去最大比例管道阀门以外的阀门的瞬时流量”，包括：
将所述多通道中除去最大比例管道阀门以外的其他阀门的控制信号和各通道流量信号离散化；
根据下式控制各个阀门开度：
△OUT＝Kp*(Ek-Ek-1)+(Kp*T/Ti)*Ek+(Kp*TD/T)*(Ek-2Ek-1+Ek-2)
Pv＝OUT+△OUT；
其中，Kp比例常数；Ti:积分常数；TD：微分常数；T：计算周期；
Ek：第K次偏差；Ek-1：K-1次偏差；Ek-2：K-2次偏差；Pv:当前的阀门开度；OUT：前上一次的阀门开度；△OUT：此次变化的开度
所述模糊控制PID控制、增量式PID控制均为闭环控制。
一种应用如上所述流量比控制方法的系统，包括：第一控制节点100、第二控制节点200、第一阀门300、阀门组400、第一控制模块500、第二控制模块600；其中，第一控制节点100与外界的液体源连接；第二控制节点200与所述第一控制节点100通过管路连接；第一阀门300设置在所述第一控制节点100与所述第二控制节点200之间；阀门组400设置在所述第二控制节点200的输出端，作为所述多通道的输出端；第一控制模块500设置在所述阀门组400的输出端与所述第一控制节点100之间；第二控制模块600设置在所述第二控制节点200与所述阀门组400的输出端之间；所述第一控制模块500与所述第一阀门300电性连接，用于采集所述多通道输出的混合溶液浓度并根据该浓度调整所述第一阀门300的开度；所述第二控制模块600与所述阀门组400电性连接，用于采集所述阀门组400中各个阀门的开度并根据所述混合溶液浓度调整所述阀门组400中各个阀门的开度；所述第一阀门300为所述混合溶液中占最大比例的溶液通道的阀门；优选的，第一控制模块500采用模糊控制PID控制方法；第二控制模块600采用增量式PID控制方法。
一种如上所述流量比控制方法在多通道水肥一体机上的应用，具体的见下具体实施例。
具体实施例1:以3通道水肥一体机为例，可控制混肥后的EC值及各通道的施肥比例。系统结构如图4所示，图中给出水肥一体机及灌溉主管的安装方式以供参考。
通过上图可知，本发明所述系统可分为灌溉主管和水肥一体机系统，灌溉主管不含在水肥一体机系统中。水肥一体机从主管混肥腔18后端引入水流，在采样的同时进行混肥。肥料桶的肥液经过各通道的文丘里管10进行混肥后通过施肥泵6打入主管道，在主管混肥腔19充分混合后进入各个滴灌区进行灌溉；各个肥桶加水时，可通过肥桶加水管路19进行加水，加水的流量可设定。
本发明将各通道的流量比和总混合溶液的EC值作为控制对象，通过双闭环控制，实现对个通道流量和总混合溶液EC的控制。
本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种多通道的流量比控制方法，其特征在于，包括：
采集所述多通道输出溶液的EC值；
根据所述EC值，采用模糊控制PID控制所述多通道中最大比例管道阀门的开度；
根据所述EC值，采用增量式PID控制所述多通道中除去最大比例管道阀门以外的阀门的瞬时流量；
所述“采用模糊控制PID控制所述多通道中最大比例管道阀门的开度”，包括：
以所述EC值的偏差和EC的变化率为所述模糊控制PID控制的输入量，以比例系数Kp，积分系数Ki,微分系数Kd为所述模糊控制PID控制的输出量；并以三角形隶属度函数作为所述模糊控制PID控制的隶属度函数；
构建比例系数Kp，积分系数Ki,微分系数Kd的规则库；
通过解模糊和输出清晰化步骤，对所述多通道中最大比例管道阀门的开度进行控制；
所述“采用增量式PID控制所述多通道中除去最大比例管道阀门以外的阀门的瞬时流量”，包括：
将所述多通道中除去最大比例管道阀门以外的其他阀门的控制信号和各通道流量信号离散化；
根据下式控制各个阀门开度：
△OUT＝Kp*(Ek-Ek-1)+(Kp*T/Ti)*Ek+(Kp*TD/T)*(Ek-2Ek-1+Ek-2)
Pv＝OUT+△OUT；
其中，Kp比例常数；Ti:积分常数；TD：微分常数；T：计算周期；Ek：第K次偏差；Ek-1：K-1次偏差；Ek-2：K-2次偏差；Pv:当前的阀门开度；OUT：前上一次的阀门开度；△OUT：此次变化的开度。
2.根据权利要求1所述的一种多通道的流量比控制方法，其特征在于：
所述模糊控制PID控制、增量式PID控制均为闭环控制。
3.一种应用如权利要求1～2所述流量比控制方法的系统，其特征在于，包括：
第一控制节点，与外界的液体源连接；
第二控制节点，与所述第一控制节点通过管路连接；
第一阀门，设置在所述第一控制节点与所述第二控制节点之间；
阀门组，设置在所述第二控制节点的输出端，作为所述多通道的输出端；
第一控制模块，设置在所述阀门组的输出端与所述第一控制节点之间；
第二控制模块，设置在所述第二控制节点与所述阀门组的输出端之间；
所述第一控制模块与所述第一阀门电性连接，用于采集所述多通道输出的混合溶液浓度并根据该浓度调整所述第一阀门的开度；
所述第二控制模块与所述阀门组电性连接，用于采集所述阀门组中各个阀门的开度并根据所述混合溶液浓度调整所述阀门组中各个阀门的开度；所述第一阀门为所述混合溶液中占最大比例的溶液通道的阀门。
4.一种如权利要求1～2所述流量比控制方法在多通道水肥一体机上的应用。
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