[發(fā)明專利]一種基于模糊PID控制的精確施肥量控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010909220.1
• 申請日: 2020-09-02
• 公開（公告）號: CN112083740B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄭夫夫;朱嘉寧;虞镕浩;陳佳麗;王俊杭;郭思嘉;丁滎佳;林思微;付明磊
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G05D11/13
• 分類號: G05D11/13
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務(wù)所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

1.一種基于模糊PID控制的精確施肥方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

步驟一、構(gòu)建土壤狀況綜合指標，根據(jù)層次分析法，得出不同元素含量的權(quán)重；

步驟二、確定當前土壤綜合指標與理想值之間的誤差，并通過差分處理得到與上一次誤差之間的變化量，即誤差變化率；

步驟三、將輸入量模糊化，并得出隸屬度值；

步驟四、計算每條模糊規(guī)則的激活強度并利用連續(xù)重心法解模糊，模糊控制是利用誤差與誤差變化率來調(diào)整PID模型中的參數(shù)，PID控制模型分為兩個，即肥液變頻器PID控制模型和水變頻器PID控制模型，這兩個控制模型分別控制肥液量和出水量，并將肥液與水進行混合從而對肥液進行稀釋；

步驟五、由PID控制模型的表達式，得出適宜的肥液體積以及用于稀釋肥液的水的體積；

步驟六、建立傳遞函數(shù)，根據(jù)變頻器的頻率，調(diào)節(jié)肥液泵與水泵的動力，先將二者抽至混合槽內(nèi)進行混合，繼而通過管道用于滴灌；

步驟七、隔設(shè)定時間后測量土壤氮磷鉀元素含量以及土壤pH值，計算土壤綜合指標并返回，進行下一輪控制，直至綜合指標穩(wěn)定于最適值；

所述步驟一中，首先，需要對測量得到元素含量進行歸一化處理，對于第n次測量得到的土壤pH值y_pH′(n)轉(zhuǎn)化為第n次測量得到的土壤氫離子濃度y₄′(n)：

歸一化公式為：m＝1,2,3,4，y_m(n)代表經(jīng)過歸一化處理后的土壤元素含量：y₁(n)，y₂(n)，y₃(n),y₄(n)中的任意一個，U_m表示土壤氮、磷、鉀、氫元素含量的最適值：U₁，U₂，U₃，U₄中的任意一個，y_m′(n)表示土壤氮、磷、鉀、氫元素含量的測量值：y₁′(n)，y₂′(n),y₃′(n)，y₄′(n)中的任意一個，對于該歸一化公式，當指標達到最適的時候為1，其余情況均為0～1之間；

y(n)表示第n次澆完肥液后土壤的綜合指標數(shù)值：y(n)＝ω₁y₁(n)+ω₂y₂(n)+ω₃y₃(n)+ω₄y₄(n)

其中ω₁，ω₂，ω₃，ω₄分別為氮、磷、鉀、氫元素含量對應(yīng)于綜合指標的權(quán)重，采用層次分析法得到，對于層次分析法，其步驟為：

首先，構(gòu)建判斷矩陣其中A_ab表示第a個指標相對于第b個指標的重要程度，a＝1,2,3,4,b＝1,2,3,4，第1到4個指標依次為土壤氮、磷、鉀、氫元素含量，指標相對于自身的重要程度為1，重要程度以整數(shù)之比進行劃分，對于矩陣中的任意一個元素A_ab，其值與對應(yīng)的含義如下表所示：

ab的值]]>	含義
1	兩個因素有相同的重要性
3	指標a比指標b稍微重要
5	指標a比指標b明顯重要
7	指標a比指標b強烈重要
9	指標a比指標b極端重要
2，4，6，8	上述倆相鄰判斷的中間程度

若指標b比a重要，則只需將A_ab取倒數(shù)即可，這樣可以使得評價矩陣是一致矩陣，滿足一致性檢驗；

得出判斷矩陣后，其最大特征根所對應(yīng)的特征向量經(jīng)過歸一化后，得權(quán)重向量為：其中的每一個元素即為對應(yīng)指標的權(quán)重；

所述步驟三中，將誤差和誤差變化率分別定義到模糊子集中，用一個語言變量來表示，其中，誤差的模糊子集為E＝{NL,NM,NS,ZO,PS,PM,PL}，NL,NM,NS,ZO,PS,PM,PL分別為模糊語言變量值，分別表示誤差的等級為負大，負中，負小，零，正小，正中，正大；

誤差變化率的模糊子集為EC＝{NL,NM,NS,ZO,PS,PM,PL}，該集合內(nèi)的模糊語言變量值的含義分別表示誤差變化率的等級為負大，負中，負小，零，正小，正中，正大；選擇誤差與誤差變化率的隸屬度函數(shù)的合適論域，論域即研究范圍，誤差在論域內(nèi)的對應(yīng)值為e，這個e要根據(jù)論域的范圍對誤差ε(n)的真實值乘以一個比例系數(shù)得到，根據(jù)誤差以及誤差變化率的表達式，知誤差與誤差變化率均位于[-1,1]內(nèi)，假設(shè)論域為[-δ,δ]，則e(n)＝δε(n)，δ表示論域邊界的絕對值；

根據(jù)隸屬度函數(shù)，計算誤差e對應(yīng)于各自的語言變量的隸屬度，對于隸屬度的計算則采用三角形隸屬度函數(shù)，對于一個論域中的誤差對應(yīng)值e，存在兩個對應(yīng)的語言變量E₁與E₂，因此具有兩個隸屬度與

其中a₁，a₂分別為隸屬度函數(shù)取非零值的誤差e的邊界點，即三角形隸屬度函數(shù)圖像在底部的轉(zhuǎn)折點，a₃，a₄則為隸屬度函數(shù)取非零值的誤差e的邊界點，b決定了誤差隸屬度函數(shù)取非零值的寬度，該寬度對所有誤差語言變量的隸屬度函數(shù)都是相同的；

同理，誤差變化率ec對應(yīng)的語言變量也有兩個，分別為EC₁與EC₂，所對應(yīng)的隸屬度分別為與

c₁，c₂分別為隸屬度函數(shù)取非零值的誤差變化率ec的邊界點，c₃，c₄則為隸屬度函數(shù)取非零值的誤差ec的邊界點，d決定了誤差變化率隸屬度函數(shù)取非零值的寬度，該寬度對所有誤差變化率語言變量的隸屬度函數(shù)都是相同的。