精確灌溉系統(tǒng)的控制策略研究

苑立娟　汪濤

摘 要：本文旨在研究精確灌溉系統(tǒng)的控制策略，由于農(nóng)作物在灌溉需水量無法建立精確的數(shù)學(xué)模型，采用模糊控制技術(shù)，以人的經(jīng)驗(yàn)和知識為依據(jù)并模仿人的思維方式和控制經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行控制。主要介紹了模糊控制技術(shù)、模糊控制器以及模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計等核心知識。

關(guān)鍵詞：模糊控制；GPRS；精確灌溉

課題：保定市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展指導(dǎo)計劃課題《干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)精確灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計》課題編號15ZN007

1 引言

傳統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的控制算法是建立在精確的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上，應(yīng)用于節(jié)水灌溉系統(tǒng)時，難以達(dá)到節(jié)水的理想效果。由于作物灌溉需水量無法建立精確的數(shù)學(xué)模型，且節(jié)水灌溉系統(tǒng)具有大慣性、非線性和滯后性的特點(diǎn)，模糊控制技術(shù)是以人的經(jīng)驗(yàn)和知識為依據(jù)知識為依據(jù)，模仿人的思維方式和控制經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行控制的一種技術(shù)，不需要建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，比較適用于干旱地區(qū)的節(jié)水灌概方式

2 模糊控制技術(shù)

“模糊”是人類感知萬物，獲取知識，思維推理，決策實(shí)施的重要特征。”模糊”比”清晰”所擁有的信息容量更大，內(nèi)涵更豐富，更符合客觀世界。人們常用的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則都是用模糊條件語句表達(dá)，對于農(nóng)作物灌溉來說，像水量”較少”、”較多”、”小一些”、”很小”等，這些表示水位和控制閥門動作的概念都具有模糊性。可以理解為操作人員的控制規(guī)則是具有模糊性的。

模糊控制就是利用計算機(jī)來模擬人的思維方式，是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的。用模糊集合理論將專家知識或操作人員經(jīng)驗(yàn)形成的語言直接轉(zhuǎn)化為自動控制策略。它是一種基于知識或者經(jīng)驗(yàn)的控制。它直接采用語言進(jìn)行控制，以相關(guān)專家的知識為依據(jù)，在設(shè)計中無需建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機(jī)理和策略易于接受與理解，設(shè)計簡單，便于應(yīng)用。

與傳統(tǒng)的控制方法相比，模糊控制具有如下特點(diǎn)：1、控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，對過程參數(shù)的變化不敏感，適應(yīng)于解決常規(guī)控制難以解決的非線性、時變及滯后等問題。2、模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計是基于人類豐富的知識和經(jīng)驗(yàn)，使用語言方法，不依賴于系統(tǒng)，不需建立精確的數(shù)學(xué)模型，適用于無法精確解析建模的復(fù)雜過程與模糊性對象。3、控制推理采用”不精確推理”（ApproximateReasoning）。推理過程模仿人的思維過程。由于介入了人類的經(jīng)驗(yàn)，故能夠處理復(fù)雜的系統(tǒng)。4、語言變量代替常規(guī)的數(shù)學(xué)變量，形成專家系統(tǒng)知識庫，且控制方法簡單。5、模糊規(guī)則及合成推理是基于專家知識或操作者的成熟經(jīng)驗(yàn)，通過經(jīng)驗(yàn)積累不斷更新，故具有智能性和自學(xué)性。

綜上所述，由于作物生長受其生長規(guī)律、季節(jié)、氣候環(huán)境等一系列因素的影響，建立適應(yīng)作物生長規(guī)律的灌溉模型較困難。通過對模糊控制技術(shù)的學(xué)習(xí)和分析，并對節(jié)水灌溉系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析，得出模糊控制策略用在節(jié)水灌溉系統(tǒng)中是最佳選擇。

3 模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計

農(nóng)業(yè)灌溉控制中，土壤溫濕度以及環(huán)境溫濕度是衡量是否灌溉以及灌溉時間長短的主要指標(biāo)。因此，在設(shè)計模糊控制器時，土壤溫濕度以及大氣溫濕度作為輸入變量，灌溉時間長短作為輸出變量。通過對土壤溫濕度以及大氣溫濕度幾個輸入變量進(jìn)行模糊化、模糊推理及解模糊得到輸出變量灌溉時間的精確值，進(jìn)而去控制執(zhí)行器電磁閥的操作，從而達(dá)到精確灌溉的目標(biāo)。模糊控制結(jié)構(gòu)圖如下圖：

模糊化：模糊化是由精確量到模糊值的轉(zhuǎn)化過程，即把現(xiàn)實(shí)世界中的精確數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模糊系統(tǒng)的語言變量。它依賴于輸入量各模糊集合的隸屬函數(shù)，隸屬函數(shù)定義在輸入變量的有效范圍內(nèi)，形式可以有多種。三角形分布、高斯分布、梯形分布作為一般的選擇。

數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫所存放的是所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬變矢量值，包括了經(jīng)過模糊化處理的輸入輸出值。模糊推理的主要作用是從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，然后將推出結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。

規(guī)則庫：模糊控制器的規(guī)則是基于知識或人們積累的經(jīng)驗(yàn)，采用特定結(jié)構(gòu)的表示形式，這些規(guī)劃組成的模糊控制器的知識庫。規(guī)則庫應(yīng)該包含全部的模糊控制規(guī)則，模糊推理按照里面的規(guī)則得出相應(yīng)的結(jié)論。

模糊推理：模糊推理，也可以稱之為推理機(jī)，是模糊控制系統(tǒng)的核心。它根據(jù)模糊化后的輸入，利用規(guī)則庫中的規(guī)則，由推理機(jī)經(jīng)模糊推理得到相應(yīng)的模糊輸出。

解模糊：對于一個控制系統(tǒng)而言，最終要產(chǎn)生一個可以控制系統(tǒng)的確切信號，并達(dá)以對系統(tǒng)進(jìn)行控制的目的。模糊推理產(chǎn)生的是模糊量，需要對模糊量進(jìn)行處理，使之變成精確量。解模糊化常用的有兩種：最大值解模糊化方法和中心平均解模糊化方法。

4 結(jié)束語

基于模糊推理的智能灌溉模塊的主要設(shè)計目標(biāo)是保證作物在不同的生長期保證該時期適宜的土壤濕度范圍。本文采用模糊控制理論，設(shè)計了模糊控制系統(tǒng)能夠達(dá)到灌溉控制的要求。