前馈—反馈PID算法在水肥一体化控制系统中的应用

前馈—反馈PID算法在水肥一体化控制系统中的应用

作者：孔霄 林森

来源：《现代农业科技》2016年第15期

摘要 在大量研发工作的基础上，针对水肥一体化技术中存在的问题，提出在传统PID系统中引入前馈的控制方案，大大提高了系统的相应速度和稳定性。在资源有限的条件下，本系统能够充分利用水肥的增产效应，对我国农业的发展具有重要的意义。运用西门子s7-200 PLC对EC和pH值进行控制，阐述了EC和pH值的控制原理，PID控制原理以及前馈-反馈PID控制在s7-200 PLC 中的应用。结果表明：这种方法都能实现对EC和pH值的精确控制，提高控制精度，满足生产的要求，同时实现自动化控制，节约时间和成本，提高效率。 关键词 前馈-反馈；PID；水肥一体化；应用

中图分类号 TP273 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）15-0294-03

Abstract Based on a large amount of research，aiming at the problems in the integration of water and fertilizer technology，presents the feedforward-feedback PID control method，which greatly improve the corresponding speed and stability of the system.In this paper，we choosed the SIEMENS S7-200 PLC as the controller，this paper expounded the control principle of pH and EC，and the control principle of feedforward PID.The results showed that feedforward PID could improve the control precision of the system，save time and cost，and improve the efficiency.

Key words feedforward-feedback；PID；integration of water and fertilizer；application 水肥一体化技术是将灌溉与施肥融为一体的农业新技术。其借助压力系统或地形自然落差，将可溶性固体或液体肥料按土壤养分含量和作物的需肥规律配成的肥液，与灌溉水一起通过可控管道系统供水、供肥，使水肥相融后，通过管道和滴头形成滴灌，浸润作物根系发育生长区域，使主要根系土壤始终保持疏松和适宜的含水量，同时进行不同生育期的需求设计，把水分、养分定时定量提供给作物[1-2]。 1 我国水肥一体化技术的发展

1974年，我国从墨西哥引进滴灌设备，试点总面积5.3 hm2。1980年，我国自主研制生产了第1代滴灌设备[1]。自1981年后，规模化生产在我国逐步形成，在应用上由试验、示范到大面积推广。20世纪90年代中期，我国开始大量开展技术培训和研讨。2000年开始，农业部全国农业技术推广中心与国际钾肥研究所（IPI）合作，连续5年在我国举办水肥一体化技术培训班，促使微灌施肥的面积逐步扩大。当前，水肥一体化技术已实现大面积推广应用，覆盖

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设施栽培、无土栽培、果树栽培，以及蔬菜、花卉、苗木、大田经济作物等多种栽培模式和作物，特别是西北地区膜下滴灌施肥技术处于世界领先水平[3-5]。 2 系统控制方案 2.1 系统控制原理

系统泵将肥水从混合罐泵至灌溉区作物，同时另外一小部分肥水经分支回流。在此分支回路管道上，安装有1个或2个EC传感器以及1个或2个pH 传感器，用于测量肥水的电导率及酸性。肥料从母液罐中经由吸肥通道进入，根据EC和pH值测量的结果，电脑决定了通过吸肥阀门的开启和关闭。本文运用西门子s7-200 PLC对EC和pH值进行控制，采用前馈-反馈PID 算法，实现对EC和pH值的精确控制，可以提高系统控制精度和响应速度。 2.2 PID控制算法

在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。在控制中，前馈控制可用来提高系统动态性能。经典控制理论中的前馈控制设计师基于复合控制思想，当闭环系统为连续系统时，使前馈环节与闭环系统的传递函数之积为1，从而实现输出完全复现输入。利用前馈控制的思想，针对PID控制设计了前馈补偿，以提高系统的跟踪性能[6-7]。

模拟PID控制系统原理框图如图1所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。 （1）比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，积分时间常数越大，积分作用越弱，反之则越强。

（3）微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 2.3 前馈补偿PID控制算法 前馈PID控制结构如图2所示。

传统的PID具有较好的稳定性，但很难兼具稳定和快速性，由于设备运行过程中对肥料的浓度要求较高，传统PID不能满足水肥一体化系统的控制要求，本文在传统PID上引入了前馈控制环节，大大提高了系统的调节速度和稳定性。 2.5 MATLAB仿真结果

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水肥一体化系统要求控制系统可控性好、稳定性高和速应性强等基本性能。针对系统要求用MATLAB对算法进行仿真，图4是传统PID仿真输出结果，图5是前馈PID的仿真结果，通过2种算法仿真图的比较，清晰可见：普通PID的扰动调整时间较长，超调量大，不满足伺服系统的可控性好、稳定性高和速应性强等基本性能，而前馈补偿PID的调整时间相对较短，超调量小，对扰动的抗干扰也相对较强，基本满足伺服系统的性能要求[8]。 3 控制器选择和控制程序编写

本文结合实际问题，采用西门子SMART200 PLC作为控制器，采用前馈PID控制算法调节EC和pH值，大大控制精度，满足生产的实际需要，实现了自动化控制，节约了时间和成本，提高了作业效率。 4 结语

本文运用西门子s7-200 PLC作为控制器对EC和pH值进行控制，阐述了PID 控制原理以及前馈-反馈PID 控制在s7-200 PLC 中的应用。结果表明：这种方法都能实现对EC和pH值的精确控制，提高了控制精度和响应速度。满足生产的要求，同时实现了自动化控制，节约了时间和成本，提高了效率。在资源有限的条件下，本系统能够充分利用水肥的增产效应，对我国农业的发展具有重要的意义。 5 参考文献

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