模糊控制理论在新型农用设备系统上的的应用.ppt

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1、模糊控制理论在新型农用施药设备上的应用制作者：梁浩导师：王国明简介在研究国家863计划子任务农机施药实验的基础上，介绍模糊控制理论在篱架类农作物喷药设备设备上的应用。施药设备通过超声波测距得到作物疏密程度、农药喷距等实时变化数据，进而实现系统实时控制。通过分析系统的模糊控制模型，改进控制系统设计，提高施药效率，节约了一定资源并减少对土壤和环境的污染。背景介绍农作物的精确施药机械是国家863计划现代农业技术与装备的重要组成部分，目前我国施药机械喷撒的液体药和粉末药都是依靠从喷嘴的动能和地球重力把药物喷洒到待施药植物上

2、，并附着在其表面。这种施药方式的最大缺点就是散布的农药仅有少部分附着在植物冠表面上，绝大部分药液或药粉末都流淌或散落到地面上，不经济又对环境产生污染。本文是基于轮式施药设备的控制系统的研究，该系统通过超声波测距对施药对象的位置、距离和数量（疏密程度）等信息进行处理判断，自动完成对施药目标的跟踪、施药剂量与喷射压力等方面的调节操作，从而实现实时的动态精确施药作业。新型轮式施药设备（①超声波测距电路；②左右方向运动的伸缩门（防风屏）；③车棚；④驾驶员面前的液晶显示屏；⑤农药喷头；⑥虚线表示作物叶生长空间；⑦系统控制模块

3、）模糊控制理论引入1，作物喷雾施药过程是一个动态的随机过程，影响精确施药的变量很多，对待施药农作物的叶片密度和离喷头距离的实时测量是整个系统准确工作的前提，但是人们对各种农作物疏密程度和施药量的理解是不一样的，这就需要模糊控制理论来较好地解决数据测量。2，本文设计的模糊控制与传统的模糊控制系统有着较大的区别，若采用传统模糊PID算法，将P、I、D三个参数都需要模糊化，将导致模糊规则繁多，失去传统的PID控制算法优势。同时，传统模糊PID也使得叶片密度对喷距的影响混于模糊表中，不利于对模糊表参数或规则的修改。因此采用

4、本文的控制结构和算法，叶片密度对喷距影响的物理意义非常清楚。这样采用将模糊规则表置于反馈环节中，就方便建立本项目整体系统的仿真结构。模糊控制规则的设计1，超声波测量叶面距离的模糊化利用超声波在空气中回波原理，测得超声波的传播时间t，就可以算得叶面距离:d=c×t(d所测得距离、c超声波传播速度、t收到回波所需时间)t由定时器来确定，c为音速340m/s。农机在农田中行驶速度大约为0.5m/s，在试验中超声波所测得农作物较远距离50cm（实际情况），测距时间为2×0.5/340=2.9ms；在农机行走30mm（叶片大

5、小）时，所需要的时间t为60ms，可测60ms/2.9ms≈20次。假设超声波测距时，若没有叶片则单片机定时超时，即没有反射波，将测量结果复位为0。在此假设情况下将没有反射波的个数（代表叶片密度）模糊化为四种情况：{很稀疏、稀疏、刚好、稠密、很稠密}，密度的取值范围为：{0，20}。模糊控制规则的设计2，超声波测量叶面距离的模糊化四个超声波测距模块采用轮流查询机制，同时也将所的距离（距离值是由超声波反馈的不为零的值采用滑动平均算法，减小叶片抖动带来的距离误差）模糊化，注意将输入值（即距离值）进行尺度变换和阈值合理限

6、定。具体将距离模糊化为集合：{很近、近、刚好、远、很远}，这里将距离量限定为{0，80}。模糊规则表的建立由测量喷距和叶片疏密的算法，我们模糊化了输入变量：d和ρ。模糊规则表的输出仍是喷距d，所以叶片的疏密ρ可以理解为影响喷距的重要因子。关于输出喷距的模糊化，为了控制的简单化，将它化为了模糊集合{近、刚好、远}。由于在Matlab仿真时，系统反馈量只能有一个，需要添加一个随机的离散变量函数模块，来代替模糊表的第二输入变量：叶片密度ρ。模糊表的推理系统有两个输入变量（喷距和叶密度）、一个输出变量；而模糊规则采用mam

7、dani；由于输入变量都被模糊化为5个等级，所以可以建立25个规则。具体规则见表1：表1本项目建立的模糊规则表在确定模糊规则的基本运算后，整个模糊表的推理系统就建立起来了，见图2，对于模糊表的输入和输出要有适当的阈值限制和增益放大。系统仿真框图说明：1，图2中，环节Saturation是在农机直线行走或行迹变化不大时，要使篱架类作物基本处于车棚中间，否则将卡住电机或使防风屏运动到阈值位置，这时系统无法稳定，同时所选用超声波测距电路的最大距离有限制；而模块UniformRandom-Number是0～20离散随机变量

8、发生函数，用于模拟叶密度对喷距的影响。2，如果农机行走轨迹偏差较大时，将导致电机堵转和控制系统的不稳定，这时电机过流信号将向控制系统发出请求中断，系统将停止电机，并向液晶显示模块发出信息，提示驾驶员调整行驶方向，从保证篱架型作物处于车棚的中央，使得系统趋于稳定。3，通过仿真得知，系统基本稳定在35±3cm之内，基本和实际现象相符合，且满足项目基本要求。结语车