Otimização de parâmetros do controlador PID para sistema de controle de água e fertilizantes baseado no algoritmo de vaga-lume adaptativo de atração parcial

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 12182 (2022) Citar este artigo

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O controle Proporcional Integral Derivativo (PID) é o principal método de controle no processo de regulação de água e fertilizante agrícola, e sua configuração de parâmetro afeta diretamente o efeito de controle da regulação de água e fertilizante. No entanto, os parâmetros PID tradicionais são ajustados manualmente, usando o método de proporcionalidade crítica, que é demorado e difícil de obter efeitos de controle ideais. Para resolver a combinação ideal de parâmetros de controle PID e melhorar o efeito de controle da regulação de água e fertilizante, um algoritmo de vaga-lume adaptativo de atração parcial (PAAFA) é proposto neste artigo. Especificamente, uma estratégia de atração parcial é projetada para acelerar a convergência do PAAFA e reduzir o problema de oscilação no estágio final do algoritmo. Além disso, um operador de peso de inércia adaptativo é proposto para equilibrar a capacidade de busca global e a capacidade de busca local do PAAFA e evitar que o algoritmo fique preso no ótimo local. Posteriormente, para testar o desempenho do PAAFA, o algoritmo é submetido a uma série de experimentos de simulação e testes de bancada com os métodos mais recentes, ou seja, algoritmo genético (GA), algoritmo genético adaptativo (AGA) e algoritmo firefly (FA) aplicados a Problemas de otimização de parâmetros PID. Os resultados da simulação demonstram que os tempos de regulação da curva de resposta do controle PID baseado em PAAFA são reduzidos em 22,75%, 10,10% e 20,61%, respectivamente, em comparação com GA, AGA e FA. Os resultados do teste de bancada mostram que o controle PID baseado em PAAFA tem o menor erro relativo e melhor precisão de controle em comparação com GA, AGA e FA, com uma redução média do erro relativo de 3,99, 2,42 e 3,50 pontos percentuais, respectivamente.

A tecnologia de integração de água e fertilizante integra o processo de irrigação e o processo de fertilização para economizar água e economizar fertilizantes no processo agrícola, que é uma das direções de desenvolvimento da agricultura moderna. Através do tanque de mistura de fertilizantes, bomba de água e rede de tubulação de irrigação por gotejamento, o sistema de irrigação e aplicação de fertilizantes adiciona fertilizante solúvel em água à água de irrigação e o entrega às raízes das culturas para atingir o objetivo de abastecimento de água e fertilizante sob demanda e água - economizando irrigação1,2. No processo de irrigação e fertilização, o dispositivo de irrigação e fertilização controla com precisão o suprimento de água e a quantidade de fertilização dentro da faixa de controle ideal para facilitar o desenvolvimento do sistema radicular da cultura e o crescimento da cultura3. Além disso, a uniformidade e a estabilidade do fluxo de água e fertilizantes no sistema de irrigação e fertilização estão relacionadas com a precisão do controle da quantidade de fertilizantes da cultura. Portanto, o controle preciso da regulação de água e fertilizantes de acordo com os requisitos de água e fertilizantes da cultura é a chave para realizar uma irrigação que economize água.

Como o processo de regulação de água e fertilizante do sistema de irrigação e fertilizante tem problemas de não linearidade, variação no tempo e histerese, o que pode afetar a precisão e a estabilidade do sistema de irrigação e fertilizante de controle de água e fertilizante, um método de controle com alta precisão de controle e boa estabilidade é necessária. Como o controlador PID tradicional apresenta as vantagens de um algoritmo simples, boa estabilidade robusta, alta confiabilidade, baixo custo e ampla gama de aplicações, tornou-se um dos principais métodos de controle do processo de irrigação e fertilização4,5,6,7. Atualmente, os usuários podem obter a precisão e estabilidade de controle necessárias ajustando os parâmetros correspondentes do controlador PID do sistema de irrigação e fertilização, para realizar a irrigação e fertilização integradas das culturas e obter melhores resultados de controle.