基于模糊PID算法的无线农用水泵远程控制系统设计

摘要：针对当前农用和工用水泵控制系统中存在对液位的大惯性、非线性以及实现实时控制的问题，提出了一套基于模糊PID算法的无线农用水泵远程控制系统。介绍了系统的设计原理和硬件电路组成，实现了对远程液位系统的监视和控制功能。试验结果表明，采用模糊PID算法较常规PID控制其响应速度快，且较快地达到稳态，同时能够实时调整和修改液位控制参数。当给系统增加外部干扰时，系统的阶跃响应特性很好，能够适应外界参数的变化，从而有效实现和改善系统的远程控制性能，具有广阔的推广应用前景。

关键词：水泵； 远程液位控制； 模糊PID算法； 无线传输

中图分类号：TP273+.4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）01-0192-06

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2016.01.051

传统的自动控制需要使被控对象建立在准确的数学模型基础上[1]，但在实际生产生活中，由于系统产生的影响因素很复杂，要建立精确数学模型很困难。研究人员[2，3]提出的模糊数a学理论在自动控制研究领域发挥了很大作用，运用模糊数学理论完成的相关控制得到了迅速发展，模糊控制技术日趋成熟和完善。其中，基于PID算法的控制技术扮演了十分重要的角色，并将成为研究与应用的重点技术之一，各种模糊控制产品也充满了日本、西欧和美国等市场[4]。

无线水泵控制是农户用水、自来水厂、化肥厂、锅炉厂和炼铁厂中水处理等系统的重要工作，由于存在难以建立准确数学模型，以及非线性、耦合、参数时变和随机干扰等特点，难以采用传统PID或单一的控制方法实现水泵现场控制。为实现无线农用水泵远程控制[5]，设计了一套基于模糊PID算法、适用于多变的工业环境的远程无线水泵控制系统，以期当系统受到外部干扰时，能够自适应调整实现远程液位系统的监视和控制功能。

1 无线农用水泵远程控制系统总体设计

该系统主要由两部分组成，包括下位机水位检测与信号发射装置，以及上位机自动控制水泵的信号接收与控制装置。系统采用5 V电池或太阳能为整个水位检测与信号发射装置端供电，并将水位传感器采集的水位信息处理后通过无线收发模块上传到远程上位机；无线接收模块接收信号并在译码器解码后读入液位数据，单片机进而针对现场水位信息，实现对电动调节阀和水泵的智能控制，并完成显示、存储、过限报警等功能。无线农用水泵远程控制系统结构如图1所示。

2 无线农用水泵远程控制系统硬件电路设计

该系统主要设计了现场液位检测模块电路、控制模块电路、无线收发模块电路以及提供系统工作的电源模块电路等。系统供电均为5 V直流电压，因此可通过整流桥和ZA3020的稳压块将220 V的交流电压转变为系统所需的ZA3020直流电压。

2.1 液位检测模块电路设计

液位检测模块电路的主要任务是检测液位值。此处设计采用差压传感器检测不同水位对应输出不同的电平值，该信号由单片机处理后经由无线收发模块发射到上位机。其对应硬件电路如图2所示。

2.2 无线收发模块电路设计

无线收发模块主要负责发送采集到的水位数据和接收来自监控中心的控制命令。当编码器将水位信息编码后，将数据通过图2中的数据输出口Dout传输给发射器的数据接收口DATA，通过外接天线（长度25 cm）发射出无线电信号。其振荡电阻R31为1.2 ？赘，该模块频率稳定性基本与晶振相同，电路工作非常稳定，信号收发距离远，具体电路如图3所示。

2.3 控制模块电路设计

控制模块主要用来控制水泵和电动阀。当单片机通过433 MHz的无线模块接收到水位测量信号后[6]，通过单片机处理计算出当前水位高度，并通过模糊算法处理水位波动高度[7]，经由无线模块发射信号启停水泵，同时打开或调整电磁阀门控制水流量。控制模块主要电路如图4所示。

2.4 电源模块电路设计

使用稳压电源能使电路性能更加稳定可靠，电源如果处理不当将会影响整个电路的工作性能甚至无法工作。整个系统采用5 V电压供电，电源模块电路设计必须考虑到硬件系统对电源具有稳压和纹波小等要求，当然在有效保证电路电压稳定输入的前提下，低功耗也是现今设计非常关注的。因而针对系统要求，系统采用ZA3020芯片获得5 V供电电源。为使电路中5 V输出电源的纹波较小，在经过ZA3020转换后的电压输出端采用了一个22 μF和0.1 μF的电容，另外芯片的电源输入端也放置了一个10 μF和和0.1 μF的滤波电容，从而有效减小输入端受到的干扰，使信号稳定可靠地输入。系统输入电源电压处理电路如图5所示。

3 无线农用水泵远程控制系统软件设计

3.1 模糊PID原理结构

模糊PID算法控制器原理结构如图6所示。In为设定值，由水箱本身大小决定；out为当前液位值，是控制系统的控制对象，u是流量控制设备的改变量（即电动阀开启量大小，决定水流量）。PID控制器中的kp、ki、kd 3个系数对控制系统的响应速度、稳定性、稳态精度以及超调量等方面发挥重要作用。其中比例系数kp的作用是提高响应速度和调节精度，积分系数ki用来消除系统稳态误差，微分系数kd为改善系统的动态特性。

系统模糊控制器设计在保留原有PID算法的基础上，通过模糊推理程序实时监测系统的二维输入变量偏差e和偏差变化率de/dt，同时将其输入到模糊控制器中，根据设置好的模糊集规则实时调整kp、ki、kd 3个参数。分别经过模糊化、近似推理和清晰化后，把得出的修正量Δki、Δkp和Δkd分别输入PID控制器中，对3个参数进行在线修正，计算出控制量u和控制流量电动阀开启量，实现液位远程控制。

3.2 kp、ki、kd模糊控制策略及流程图设计

模糊控制器的控制策略是依据专家经验以及手动控制液位和水泵的实践操作经验确定的，定义模糊控制器的输入e和ec、输出kp、ki、kd模糊论域范围都为{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，同时分别选取kp、ki、kd、系统偏差e和系统偏差变化率ec的模糊子集={NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB}，在设置规则时，本文首先以人工经验目测为参考选取相应的参数，进而再通过仿真试验对其优化，以液位控制效果最好的一组为最终的控制规则，建立合适的模糊控制规则表，得到对Δkp、Δki和Δkd 3个参数的自整定模糊规则表[8-10]，具体见表1、表2和表3。

根据以上设定输入输出变量规则，得出各模糊子集的隶属度函数如图7。

由此根据各模糊子集的隶属度函数和模糊控制规则，计算机通过模糊合成得到了kp、ki、kd的各自修正参数Δkp、Δki、Δkd的值，将修正参数代入下式中即可得到kp、ki、kd的值。

kp（t）=kp（t-1）+kpki（t）=ki（t-1）+kikd（t）=kd（t-1）+kd

系统算法的程序流程如图8所示：

4 无线农用水泵远程控制系统通信协议的设计

设计中为了使上下位机之间的通讯安全可靠，故进行了通讯协议的设定，采用115 200 bps的通讯波特率，每帧的格式设置为1位起始位、8位数据位、1位停止位、无校奇偶校验。

协议中的命令包括上传命令和下发命令，所有数据包的数据均为16进制。其中每条命令包括8个字节，分别为同步字、命令类型、地址、包长、数据段及校验位。同步字用于发起本条命令；地址用于表示此命令的作用对象，其地址设定为&H01；字长用于表示本次发送的数据包字节总数；Byte4～Byte6 的值则可以根据需要自己设定，同一命令类型中Byte4～Byte6的值惟一，防止命令冲突；命令数据包的最后一位是校验位，为前面7个字节之和。通讯开始命令数据包的格式如表4。

上位机向下位机下发命令后，下位机应作出适当返回，即下位机向上位机发送数据。上发命令的数据包格式按顺序为同步字、命令类型、地址、包长、数据段及校验位，具体格式如表5。

5 仿真结果及分析

为更详细地验证模糊PID控制器的动态性能，该系统建立在MATLAB环境中的Simulink仿真模型如图9所示，系统依据专家经验以及手动控制液位和水泵的实践操作经验，分别输入相应参数值给Gain和Gain1，得到偏差信号，然后经由模糊逻辑控制器（Fuzzy Logic Controller）处理后，再通过模糊PID算法输出控制信号，子系统Product、Product1和Product2分别输出当前时刻的参数值，最后系统将此融合参数送给传递函数后输出并反馈给输入端，完成在线调整水泵的送水量工作。

根据上述仿真模型设定系统的采样周期为1 ms，采用阶跃响应的方式来检测系统的响应性能，在200 ms和650 ms的时刻分别加入了幅值u（电压）为1.0 V和幅值为0.7 V的外部扰动，得到系统参数kp、ki、kd自调整响应曲线如图10所示。

图11所示是在采用8度阶跃信号的动态响应下，对液位高度分别运用PID控制和模糊PID控制方法的仿真结果图。其中PID的比例参数取3、积分参数取1、微分参数取1，本设计中的模糊PID控制器参数采用试凑法获得，即通过对PID参数不断地进行调整，最后确定一组能够使控制系统的输出响应快速、调整时间短以及超调量尽量小的参数作为本文所使用的PID参数，其比例参数、积分参数和微分参数也分别为kp=6、ki=2、kd=2。

上述仿真结果表明，设计的模糊PID控制与常规PID控制相比，具有响应快、调整时间短、超调量小等特点，在给系统增加外部干扰时，系统响应速度快，抗干扰性强。

6 小结

针对基于模糊PID算法在无线农用水泵远程控制中的应用进行了研究，使得该系统在液位控制技术方面有了明显改善。系统将常规PID和模糊控制有效结合，实现了对PID 3个参数的实时在线调整。仿真试验结果表明，液位模糊PID控制系统解决了由于系统或外界其他因素造成的系统控制性能差，响应时间短以及抗扰动能力低等问题，提高了远程水泵控制系统的静态性能和动态性能，有效解决了该控制系统存在的滞后性强、超调量大等问题，能够为工农业上的应用提供更加精确的液位监测，生产更高品质工农业产品，同时达到节约成本、提高经济效益的目的。

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