Ottimizzazione dei parametri del controller PID per il sistema di controllo dell'acqua e dei fertilizzanti basato sull'algoritmo della lucciola adattiva ad attrazione parziale

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 12182 (2022) Citare questo articolo

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Il controllo Proporzionale Integrale Derivativo (PID) è il metodo di controllo principale nel processo di regolazione dell'acqua e dei fertilizzanti in agricoltura e la sua impostazione dei parametri influisce direttamente sull'effetto di controllo della regolazione dell'acqua e dei fertilizzanti. Tuttavia, i parametri PID tradizionali vengono regolati manualmente, ad esempio utilizzando il metodo della proporzionalità critica, che richiede molto tempo ed è difficile da ottenere effetti di controllo ottimali. Per risolvere la combinazione ottimale dei parametri di controllo PID e migliorare l'effetto di controllo della regolazione dell'acqua e dei fertilizzanti, in questo articolo viene proposto un algoritmo PAAFA (Firefly Adattivo ad Attrazione Parziale). Nello specifico, una strategia di attrazione parziale è progettata per accelerare la convergenza del PAAFA e ridurre il problema dell'oscillazione nella fase avanzata dell'algoritmo. Inoltre, viene proposto un operatore di peso di inerzia adattivo per bilanciare la capacità di ricerca globale e la capacità di ricerca locale di PAAFA ed evitare che l'algoritmo si intrappoli nell'ottimo locale. Successivamente, per testare le prestazioni del PAAFA, l'algoritmo viene sottoposto a una serie di esperimenti di simulazione e test al banco con i metodi più recenti, ovvero algoritmo genetico (GA), algoritmo genetico adattivo (AGA) e algoritmo lucciola (FA) applicati a Problemi di ottimizzazione dei parametri PID. I risultati della simulazione dimostrano che i tempi di regolazione della curva di risposta del controllo PID basato su PAAFA sono ridotti rispettivamente del 22,75%, 10,10% e 20,61%, rispetto a GA, AGA e FA. I risultati del test al banco mostrano che il controllo PID basato su PAAFA presenta l'errore relativo più piccolo e la migliore precisione di controllo rispetto a GA, AGA e FA, con una riduzione media dell'errore relativo rispettivamente di 3,99, 2,42 e 3,50 punti percentuali.

La tecnologia di integrazione di acqua e fertilizzanti integra il processo di irrigazione e il processo di fertilizzazione per realizzare il risparmio di acqua e fertilizzanti nel processo agricolo, che è una delle direzioni di sviluppo dell'agricoltura moderna. Attraverso il serbatoio di miscelazione dei fertilizzanti, la pompa dell'acqua e la rete di tubi di irrigazione a goccia, il sistema di irrigazione e applicazione di fertilizzanti aggiunge fertilizzante idrosolubile all'acqua di irrigazione e lo fornisce alle radici delle colture per raggiungere lo scopo di approvvigionamento idrico e fertilizzante su richiesta e acqua -risparmio di irrigazione1,2. Nel processo di irrigazione e fertilizzazione, il dispositivo di irrigazione e fertilizzazione controlla con precisione la fornitura di acqua e la quantità di fertilizzazione all'interno dell'intervallo di controllo ottimale per facilitare lo sviluppo del sistema radicale delle colture e la crescita delle colture3. Inoltre, l'uniformità e la stabilità del flusso di acqua e fertilizzante nel sistema di irrigazione e fertilizzazione sono legate alla precisione del controllo della quantità di fertilizzante delle colture. Pertanto, il controllo preciso della regolazione dell’acqua e dei fertilizzanti in base ai requisiti di acqua e fertilizzanti delle colture è la chiave per realizzare un’irrigazione a risparmio idrico.

Poiché il processo di regolazione dell'acqua e dei fertilizzanti del sistema di irrigazione e di fertilizzazione presenta problemi di non linearità, variazione nel tempo e isteresi, che possono influenzare la precisione e la stabilità del sistema di irrigazione e di fertilizzazione di controllo dell'acqua e dei fertilizzanti, un metodo di controllo con elevata precisione di controllo e buona è necessaria stabilità. Poiché il controller PID tradizionale presenta i vantaggi di un algoritmo semplice, buona stabilità, elevata affidabilità, basso costo e un'ampia gamma di applicazioni, è diventato uno dei metodi principali nel controllo del processo di irrigazione e fertilizzazione4,5,6,7. Allo stato attuale, gli utenti possono ottenere la precisione e la stabilità del controllo richieste regolando i parametri corrispondenti del controller PID del sistema di irrigazione e fertilizzazione, per realizzare l'irrigazione e la fertilizzazione integrate delle colture e ottenere risultati di controllo migliori.