一种能够实现闭环控制的水肥一体化算法及控制器 |
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| 申请号 | CN201710045574.4 | 申请日 | 2017-01-20 | 公开(公告)号 | CN107041282A | 公开(公告)日 | 2017-08-15 |
| 申请人 | 青岛农业大学; | 发明人 | 王海; 徐鹏民; 盖凌云; 吕光杰; 曲丽君; 黄国富; 宫丽宁; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种能够实现闭环控制的 水 肥一体化 算法 及 控制器 ，包括用于接收设定点指示值和/或由 传感器 产生的传感器指示值的方法。当基于所述传感器指示值和/或设定点指示值满足至少一个 阈值 时 修改 闭环控制算法的响应时间。响应于对所述闭环控制算法的响应时间的修改，通过调节与闭环控制算法相关联的至少一个参数来稳定由流量控制器实现的闭环控制算法。本发明水肥一体化精细管理系统的优越效果在于：智能化程度高，较好的适用于本地控制和远程异地控制的智能 灌溉 系统，安装方便、成本低、维护操作简单，具有很强的推广应用价值。实现了对农林作物生长过程中自动化的田间管理，减少了人 力 成本的支出，提高了生产效率，实现了农林现代化。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种能够实现闭环控制的水肥一体化算法及控制器，一种能够实现闭环控制的水肥一体化算法，包括： |
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| 说明书全文 | 一种能够实现闭环控制的水肥一体化算法及控制器技术领域[0001] 本发明属于农业生产自动化管理领域，尤其涉及一种能够实现闭环控制的水肥一体化算法及控制器。 背景技术[0002] 随着农业园林栽培集约化程度，劳动力成本越来越高，亟待提供一个符合当前栽培现状，提高人工效率，减少人工参与的高效农业生产自动化管理系统。 [0003] 并且现有技术的施肥和灌溉系统通过人工控制，操作复杂，灌水和施肥分开控制，系统稳定性差，没有考虑到电机的保护和整个管道的保护。随着农业园林栽培集约化程度、劳动力成本较高，亟待提供一个符合当前栽培现状、提高人工效率，减少人工参与的高效农业生产自动化管理系统。 [0004] 水利是国家的命脉，是人类生存和建设的宝贵资源。我国是世界上水资源缺乏的国家，人均占有量只相当于世界人均占有量的四分之一，北方许多地区缺水更为严重。当今设施农业正在扩大，但只注重改善小气候环境，在精细灌水调控技术方面存在一些缺陷，制约了节能、节水效。为了促进设施农业(温室、大棚)再上新台阶，综合中国国情，实施科学、低廉、节水节能的精细灌溉技术势在必行。 [0005] 闭环比例积分微分(proportional-integral-derivative)(PID)控制算法可以被调整以具有响应时间(例如，加速的响应时间)来满足流体流量应用的控制要求。但是，调整闭环PID控制算法的响应时间来满足具体应用的要求可能具有不想要的副作用。例如，被调整为快速算法以迅速地响应在流体流量中突发的显著变化的闭环PID控制算法可在流体流量稳定时造成带噪声的流量。快速算法放大了高频率传感器、模数转换器(ADC)量化以及电子噪声，导致带噪声的控制信号。 [0006] 另一方面，被调整为具有较慢的响应时间的闭环PID控制算法虽然没有向稳定的流体流量引入噪声，但是也不能准确且迅速地校正流量条件中突发的显著变化(例如，设定点中的突变或压力变化)。与仅实现快速或缓慢响应时间算法相关联的问题由于非理想的情况，例如流量传感器读取的滞后或者流量控制器元件中的非线性而变得更加复杂。因此，需要解决目前方法的不足并且提供其它新颖且创新的特征。 发明内容[0007] 本发明的目的在于提供一种能够实现闭环控制的水肥一体化算法及控制器，以减少农作物在生产的过程中的人工参与、劳动力成本过高的技术问题。 [0008] 本发明是这样实现的，一种能够实现闭环控制的水肥一体化算法及控制器，一种能够实现闭环控制的水肥一体化算法，包括： [0009] 接收设定点指示值，所述设定点指示值指示流体流量设定点； [0010] 接收由传感器产生的传感器指示值，所述传感器指示值指示所述流体的流率； [0011] 偏置自适应闭环控制算法和相关联的参数，使得所述自适应闭环控制算法具有缓慢模式； [0012] 基于所述传感器指示值或所述设定点指示值中的至少一个，将反馈滤波器从缓慢模式修改到快速模式，所述反馈滤波器与所述闭环控制的水肥一体化算法相关联，所述闭环控制的水肥一体化算法与流量控制器相关联； [0013] 将所述反馈滤波器从所述快速模式修改回到所述缓慢模式；以及基于对所述反馈滤波器的所述修改来改变与所述自适应闭环控制算法相关联的调整参数，当所述反馈滤波器被修改时，改变所述调整参数以稳定所述自适应闭环控制算法。 [0014] 还包括基于所述传感器指示值或所述设定点指示值中的至少一个来修改自适应增益，所述自适应增益在所述自适应闭环控制算法中用于补偿与所述流量控制器相关联的至少一个非线性特性。 [0015] 还包括基于所述传感器指示值或所述设定点指示值中的至少一个来修改自适应增益，所述自适应增益在所述自适应闭环控制算法中用于补偿与所述流量控制器相关联的至少一个非线性特性，修改所述自适应增益的步骤包括：响应于通过所述流量控制器的流体流率的变化并且根据数学方程来进行修改。 [0016] 其中修改所述反馈滤波器的步骤包括：通过调节与所述反馈滤波器相关联的时间常数来修改与所述反馈滤波器相关联的响应时间。 [0017] 其中所述自适应闭环控制算法基于比例控制、积分控制或微分控制中的至少一个。 [0019] 其中修改所述反馈滤波器的步骤包括：响应于通过所述流量控制器的流体流率的变化并且根据数学方程来进行修改。 [0020] 其中所述反馈滤波器处于所述缓慢模式时所述自适应闭环控制算法的响应时间不同于所述反馈滤波器处于所述快速模式时所述自适应闭环控制算法的响应时间。 [0021] 其中修改所述反馈滤波器的步骤包括：参考与所述传感器指示值或所述设定点指示值中的至少一个相关联的至少一个阈值来进行修改。 [0022] 其中修改所述反馈滤波器的步骤包括：响应于通过所述流量控制器的流体流率的变化并且根据数学方程来逐渐地修改所述反馈滤波器。 [0023] 一种能够实现闭环控制的水肥一体化算法及控制器，控制器包括： [0024] 处理器，被配置为偏置自适应闭环控制算法和相关联的参数以使得所述自适应闭环控制算法具有缓慢模式并在基于由传感器产生的传感器指示值或设定点指示值中的至少一个满足至少一个阈值时将所述自适应闭环控制算法从所述缓慢模式修改到快速模式，所述处理器通过修改与所述自适应闭环控制算法相关联的反馈滤波器和与所述自适应闭环控制算法相关联的调整参数来修改所述自适应闭环控制算法，并且所述处理器将所述自适应闭环控制算法修改回到所述缓慢模式；以及存储器，被配置为存储与所述反馈滤波器和所述调整参数中的至少一个相关联的参数，所述处理器从所述存储器访问所述参数。 [0025] 还包括阀，所述阀被配置为响应于控制指示值而打开和关闭，所述控制指示值由所述处理器基于所述自适应闭环控制算法来产生。 [0026] 其中所述传感器是所述环境监测传感器包括液体EC传感器、液体PH传感器、土壤EC传感器、土壤湿度传感器、土壤温度传感器、空气湿度传感器、光照强度传感器、雨量传感器、流量计、前压力表和后压力表。 [0027] 其中所述处理器被配置为基于所述传感器指示值或所述设定点指示值中的至少一个来修改与所述自适应闭环控制算法相关联的自适应增益，所述自适应增益在所述自适应闭环控制算法中用于补偿与所述阀相关联的至少一个非线性特性。 [0028] 还包括存储器，所述存储器被配置为存储所述至少一个阈值，所述处理器被配置为从所述存储器访问所述至少一个阈值。 [0029] 与现有技术相比，本发明提供的一种水肥一体化精细管理系统，包括有灌溉决策，施肥决策，电机保护，环境监测信息互联网发布，系统安全操作记录，多种控制执行方式。智能化程度高，较好的适用于本地控制和远程异地控制的智能灌溉系统，安装方便，成本低，维护操作简单，具有很强的推广应用价值。实现了对农林作物生产过程中自动化的田间管理，减少了人力成本的支出，提高了生产效率，实现了农林现代化。附图说明 [0030] 图1是本发明实施例提供的能够实现闭环控制的水肥一体化算法及控制器结构示意图。 [0031] 图中：环境监测传感器1、中央控制处理器2、模糊控制算法器3、首部控制器4、编码器主机5、可编程控制器6、无线主机7、高精度控制器8、施肥泵继电器9、首部电机继电器10、远程控制解码器11、电子阀门12和远程无线解码器13。 具体实施方式[0032] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0033] 下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。 [0034] 如图1所示，本发明实施例提供的能够实现闭环控制的水肥一体化算法及控制器包括环境监测传感器1、中央控制处理器2、模糊控制算法器3、首部控制器4、编码器主机5、可编程控制器6、无线主机7、高精度控制器8、施肥泵继电器9、首部电机继电器10、远程控制解码器11、电子阀门12和远程无线解码器13构成。中央控制处理器2分别与环境监测传感器1和模糊控制算法器3连接，而无线主机7与中央控制处理器2无线连接，中央控制处理器2与首部控制器4、解码器主机5、可编程控制器6有线连接，无线主机7与中央控制处理器2无线连接。其中环境监测传感器1包括液体EC传感器、液体PH传感器、土壤EC传感器、土壤湿度传感器、土壤温度传感器、空气湿度传感器、空气温度传感器、光照强度传感器、雨量传感器、流量计、前压力表和后压力表。首部控制器4连接高精度控制器8、施肥泵继电器9和首部电机继电器10。解码器主机5、远程控制解码器11和电子阀门12依次连接，无线主机7与远程无线解码器13、电子阀门12依次连接，可编程控制器6与电子阀门12直接连接。 [0035] 首部控制器4在水肥一体化精细管理系统中具有施肥、水泵控制、水源过滤、恒压、排压等功能。 [0036] 解码器主机5是将中央控制处理器2对电子阀门12的控制指令转换成解码器的信号。 [0038] 当田间EC值小于设定值时，说明田间的土壤养分缺少，中央控制处理器2则会控制电子阀门12开启，进行水合肥自动灌溉，当EC值达到预定值后，电子阀门12自动关闭。 [0039] 无线主机7把中央控制处理器对2电子阀门12的控制指令转成每个无线控制终端都能接受的无线控制信号，从而能够控制电子阀门12。 [0040] 中央控制处理器2能够设置灌水日期，运行时间，链接程序进度表，传感器启动，循环入渗程序，ET灌水程序等。 [0041] 可以通过GPS地图，显示所有站点甚至是单个喷头的运行情况并会显示状态报告，易于操作人员编程，监控和发现并解决故障。 [0043] 本发明水肥一体化精细管理系统通过灌溉决策，施肥决策，电机保护，环境监测信息互联网发布，系统安全操作记录，多种控制执行方式，两线解码器，多线控制，无线控制方式实现了水肥一体化精细管理系统，操作简单，维护方便，实现了对农作物生产过程中自动化的田间管理，减少了人力成本的支出，提高了生产效率和管理效率，实现了农业生产的现代化。 [0044] 一种能够实现闭环控制的水肥一体化算法及控制器，一种能够实现闭环控制的水肥一体化算法，包括： [0045] 接收设定点指示值，所述设定点指示值指示流体流量设定点； [0046] 接收由传感器产生的传感器指示值，所述传感器指示值指示所述流体的流率； [0047] 偏置自适应闭环控制算法和相关联的参数，使得所述自适应闭环控制算法具有缓慢模式； [0048] 基于所述传感器指示值或所述设定点指示值中的至少一个，将反馈滤波器从缓慢模式修改到快速模式，所述反馈滤波器与所述闭环控制的水肥一体化算法相关联，所述闭环控制的水肥一体化算法与流量控制器相关联； [0049] 将所述反馈滤波器从所述快速模式修改回到所述缓慢模式；以及基于对所述反馈滤波器的所述修改来改变与所述自适应闭环控制算法相关联的调整参数，当所述反馈滤波器被修改时，改变所述调整参数以稳定所述自适应闭环控制算法。 [0050] 还包括基于所述传感器指示值或所述设定点指示值中的至少一个来修改自适应增益，所述自适应增益在所述自适应闭环控制算法中用于补偿与所述流量控制器相关联的至少一个非线性特性。 [0051] 还包括基于所述传感器指示值或所述设定点指示值中的至少一个来修改自适应增益，所述自适应增益在所述自适应闭环控制算法中用于补偿与所述流量控制器相关联的至少一个非线性特性，修改所述自适应增益的步骤包括：响应于通过所述流量控制器的流体流率的变化并且根据数学方程来进行修改。 [0052] 其中修改所述反馈滤波器的步骤包括：通过调节与所述反馈滤波器相关联的时间常数来修改与所述反馈滤波器相关联的响应时间。 [0053] 其中所述自适应闭环控制算法基于比例控制、积分控制或微分控制中的至少一个。 [0054] 其中所述传感器是流量传感器、定时器、压力传感器或温度传感器中的至少一个。 [0055] 其中修改所述反馈滤波器的步骤包括：响应于通过所述流量控制器的流体流率的变化并且根据数学方程来进行修改。 [0056] 其中所述反馈滤波器处于所述缓慢模式时所述自适应闭环控制算法的响应时间不同于所述反馈滤波器处于所述快速模式时所述自适应闭环控制算法的响应时间。 [0057] 其中修改所述反馈滤波器的步骤包括：参考与所述传感器指示值或所述设定点指示值中的至少一个相关联的至少一个阈值来进行修改。 [0058] 其中修改所述反馈滤波器的步骤包括：响应于通过所述流量控制器的流体流率的变化并且根据数学方程来逐渐地修改所述反馈滤波器。 [0059] 一种能够实现闭环控制的水肥一体化算法及控制器，控制器包括： [0060] 处理器，被配置为偏置自适应闭环控制算法和相关联的参数以使得所述自适应闭环控制算法具有缓慢模式并在基于由传感器产生的传感器指示值或设定点指示值中的至少一个满足至少一个阈值时将所述自适应闭环控制算法从所述缓慢模式修改到快速模式，所述处理器通过修改与所述自适应闭环控制算法相关联的反馈滤波器和与所述自适应闭环控制算法相关联的调整参数来修改所述自适应闭环控制算法，并且所述处理器将所述自适应闭环控制算法修改回到所述缓慢模式；以及存储器，被配置为存储与所述反馈滤波器和所述调整参数中的至少一个相关联的参数，所述处理器从所述存储器访问所述参数。 [0061] 还包括阀，所述阀被配置为响应于控制指示值而打开和关闭，所述控制指示值由所述处理器基于所述自适应闭环控制算法来产生。 [0062] 其中所述传感器是所述环境监测传感器包括液体EC传感器、液体PH传感器、土壤EC传感器、土壤湿度传感器、土壤温度传感器、空气湿度传感器、光照强度传感器、雨量传感器、流量计、前压力表和后压力表。 [0063] 其中所述处理器被配置为基于所述传感器指示值或所述设定点指示值中的至少一个来修改与所述自适应闭环控制算法相关联的自适应增益，所述自适应增益在所述自适应闭环控制算法中用于补偿与所述阀相关联的至少一个非线性特性。 [0064] 还包括存储器，所述存储器被配置为存储所述至少一个阈值，所述处理器被配置为从所述存储器访问所述至少一个阈值。 [0065] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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