精準灌溉設備的控制算法

戴薛

摘要：提出了一種開關控制與模糊控制相結合的雙模控制算法，適用于以土壤含水率為被控對象的灌溉控制系統，屬于自動閉環控制。此算法應用于自主研發的低成本節水灌溉控制系統進行測試，結果證明該算法能有效控制土壤含水率，可以適時適量灌溉，達到了精準灌溉的要求。同時該算法使得灌溉系統不僅節約了水資源，還節省了人工維護成本。

關鍵詞：精準灌溉；雙模控制算法；土壤含水率

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）15-3659-03

Precise Control Algorithm of Automatic Irrigation System

DAI Xue

（Hubei Ecology Vocational College， Wuhan 430079，China）

Abstract： A dual-mode control algorithm based on on-off control and fuzzy logic control was proposed to enable the irrigation system to realize an antomatic closed-loop control. The algorithm was tested on low-cost water-saving irrigation control system. The results showed that the algorithm could effectively control the soil moisture content， timely satisfy precision irrigation requirements. The algorithm can enable the irrigation system to save water resources and reduce the cost of artificial maintenance.

Keywords： precision irrigation； dual-mode control algorithm； soil moisture content

收稿日期：2013-12-21

作者簡介：戴 薛（1982-），女，湖北武漢人，講師，主要從事信息管理與信息系統的研究工作，（電話）13476008529（電子信箱）

daixue2000@163.com。

隨著數字農業的發展，對農業所涉及對象和全過程需要進行數字化、可視化的表達、設計、控制和管理，其根本目的是以最少或最節省的投入，獲得最高的經濟收益和最佳的環境效益。如何節約農業用水，降低農業園區的維護成本，目前已成為人們共同關注的焦點。在充分利用中水和雨水進行灌溉的同時，還需要發展節水新技術新手段[1，2]。近20年的節水實踐證明，節水技術與設施的投入是解決水資源短缺問題的關鍵之一[3]。

噴灌滴灌技術的推廣應用，使灌溉水資源在傳輸過程的損耗已經降低，進一步提高水資源的利用效率則需要推廣精準灌溉，從改進灌溉策略和灌溉系統控制算法的角度入手，依據植物生長所需含水量，精確控制土壤含水率，保證植物生長，同時避免灌溉水資源的浪費。

1 基于土壤含水率變化的灌溉控制概述

以植物生理信息為灌溉指導依據，是近年發展起來的革命性的節水新路徑，它檢測植物在水分脅迫下的各種生理反應，依此判斷植物的水分脅迫狀況，計算植物當前需水量并指導灌溉。很多學者在此方面進行了研究，多采用閉環控制系統，取得了一定的成果。此類方法目前存在的瓶頸是直接對植物的生理信息進行監測難以滿足在線和實時性的要求。由于植物吸收的水分主要來自土壤，因此土壤含水率與植物生理信息之間存在著密切的關系。通過監測土壤含水率的變化，可以間接了解植物水生理狀況，這樣解決了在線和實時性的難題。

以土壤含水率為控制對象的精準灌溉控制系統發展較快，控制算法各有特色，如專家系統和模糊控制。采用專家系統的一個主要困難是專家知識庫的建立需要大量的數據，數據間的關系復雜。采用模糊控制的優點是避免了建立土壤含水率變化數學模型，不足之處是控制規則來源于人工經驗。由于土壤是一個大慣性、非線性的系統，系統的響應時間、滯后時間比較長，單純依靠模糊控制可能會出現過量灌溉或植物長時間缺水的情況。本研究提出在模糊控制的基礎上添加開關控制組成雙模控制算法，可以有效避免這種情況的發生。

2 控制系統介紹

本研究提出算法對應的灌溉控制系統由上位計算機、灌溉監測控制器、土壤水分傳感器和閥門控制器組成，系統結構如圖1所示。其中，上位計算機與灌溉監測控制器采用無線通訊方式，灌溉監測控制器、土壤水分傳感器和閥門控制器通過RS-485總線相連。土壤水分傳感器用于監測土壤含水率，閥門控制器用于控制噴灌系統的電磁閥，電磁閥開啟的時間長度與灌溉量成正比。

上位計算機定時通過無線通訊模塊向灌溉監測控制器發送數據采集請求；灌溉監測控制器對上位計算機的請求進行分析，并通過RS-485總線向相應的土壤水分傳感器發送數據采集命令；土壤水分傳感器采集土壤含水率數據，通過RS-485總線將數據返回給灌溉監測控制器，再由灌溉監測控制器返回給上位計算機；上位計算機按照控制算法對土壤含水率數據作分析處理，并根據處理結果向灌溉監測控制器發送閥門開關請求，經灌溉監測控制器向閥門控制器發送開關閥門的控制命令；閥門控制器根據控制命令控制閥門的開關狀態，并將相關信息經由灌溉監測控制器返回給上位計算機。周而復始，構成一個閉環控制的自動灌溉系統。

3 算法介紹

3.1 系統控制原理及控制參數endprint

開關控制與模糊控制相結合的雙模控制算法，系統控制原理框圖如圖2所示。

根據開關和模糊雙模控制系統的控制需要，設定下列控制變量：

1）植物生存的土壤含水率閾值R。植物生存的土壤含水率閾值R是指特定植物維持生命所需的最低土壤含水率，該變量用以防止植物根部附近土壤的含水率低于生存閾值。

2）土壤含水率設定值為sv。可由用戶根據具體植物的需水特性設置。控制系統以此作為控制目標，使土壤含水率保持在該值附近。

3）模糊控制限為b。該數值為正數，用于計算模糊控制上下限，當系統采集的土壤含水率介于該范圍時，系統采用模糊控制算法，超出該范圍時采用開關控制算法。

4）系統控制周期T（min）。由于土壤是復雜的大滯后系統，建立相關數學模型預測含水率變化存在極大困難，因此設置此變量，控制系統每隔時間T對土壤含水率進行一次采集調控，用于減低輸入滯后的影響，防止系統誤操作。

控制算法中用到的其他變量可依據下列方式計算得出：

植物保護閾值：r=R+c，其中c為常數。當土壤含水率接近或達到植物生存的土壤含水率閾值時，水脅迫對植物的正常生命活動已經構成了比較嚴重的影響，此時再進行灌溉已經難以避免對植物造成的傷害。因此，系統的監測和控制需要一定的提前量，植物保護閾值正是為此而設置，當土壤含水率接近或達到該值時，系統即采取相應動作。對土壤含水率變化長期監測的結果，在北京地區夏季晴天情況下，草坪土壤含水率日均下降2個百分點（傳感器埋放深度為12 cm）。因此，c值可設為2，即將系統的反應時間提前1 d，保證植物的正常生長。模糊控制上限為sv+b，下限為sv-b。

3.2 控制算法

系統的控制算法由3部分組成，分別為植物保護控制、開關控制和模糊控制。各部分分工、相互協調保證灌溉控制系統的穩定可靠。

1）植物保護控制。在整個控制過程中，植物保護控制是實時起作用的。若土壤含水率低于r，則啟動植物保護程序，系統打開相應的閥門，直到土壤含水率上升至模糊控制范圍內。

2）開關控制。當系統的控制周期來臨時，系統采集土壤含水率數據，進行誤差判別：e=sv-y。其中，y為土壤水分傳感器采集到的土壤含水率，e為誤差。當誤差e>b時，系統打開輸出相應閥門的開啟時間長度，進行灌溉；當誤差e<-b時，系統關閉相應的閥門，停止灌溉。

3）模糊控制。當系統的控制周期來臨時，系統采集土壤含水率數據，進行誤差判別，當-b

模糊控制器的輸入分別為誤差e=sv-y和誤差變化率ec=de/dt，輸出為灌溉時間長度u（min）。e和ec的基本論域分別為[-4%，4%]、[-2%，2%]，其模糊變量E和EC的論域均為[-6，6]，模糊集均為{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。u的基本論域為[0，30]， 其模糊變量U的論域為[0，6]， 模糊集為{O， PS， PM， PB}。 模糊控制表的求取過程參考文獻[4-6]。系統得模糊控制表如表1所示。

通過植物保護控制、開關控制和模糊控制的結合，不僅可以保證植物的正常生長，還可以保證土壤含水率穩定在用戶設定值附近，做到適量灌溉。

3.3 灌溉系統的適時灌溉

由于在實際生活中，綠地的灌溉受到氣象和人為因素的影響，例如在夏季陽光強烈的時間段或晚上進行灌溉會對植物的正常生理活動造成傷害，還容易引發草坪的病害。為此，系統在軟件中提供了相應的接口，可以設置適合灌溉的時間段，如8：00～10：00或15：00～17：00，這樣可以實現適時灌溉。

4 小結

由于土壤是一個大慣性、非線性的系統，系統的響應時間、滯后時間比較長，并且綠地的灌溉受到很多自然或人為因素的影響，因此單獨依靠專家系統或模糊控制難以滿足實際使用的需要。研究提出在模糊控制的基礎上結合了開關控制的雙模控制算法，并增加了植物保護控制和適宜灌溉時間段的設置，確保了綠地灌溉的適時適量。運用該算法自主研發的低成本節水灌溉控制系統已被成功應用于北京林業大學精準灌溉示范區。實踐證明，該算法能有效控制灌溉系統運行，可以做到適時適量灌溉，取得了良好的效果。整個系統運行可靠，節約了水資源和人工維護成本。

參考文獻：

[1] 王鵬飛，劉俊良，臧景紅.城市節水設施綜合效益分析[J].中國給水排水，2002（11）：82-84.

[2] 黃永基，陳 明.我國節水現狀、問題及對策[J].中國水利，1999（1）：42-43.

[3] 楊戰社，陳 菲.生態小區水資源的開源節流[J].住宅科技， 2005（7）：26-30.

[4] 劉葉飛，陳志剛.節水自動灌溉模糊控制系統設計[J].排灌機械， 1999（3）：51-53.

[5] 張建仁，王 莉.MATLAB在模糊控制系統仿真中的應用[J].自動化與儀表，2002（6）：53-55.

[6] 郭正琴，王一鳴，楊衛中，等.基于模糊控制的智能灌溉控制系統[J].農機化研究，2006（12）：103-108.

開關控制與模糊控制相結合的雙模控制算法，系統控制原理框圖如圖2所示。

根據開關和模糊雙模控制系統的控制需要，設定下列控制變量：

1）植物生存的土壤含水率閾值R。植物生存的土壤含水率閾值R是指特定植物維持生命所需的最低土壤含水率，該變量用以防止植物根部附近土壤的含水率低于生存閾值。

2）土壤含水率設定值為sv。可由用戶根據具體植物的需水特性設置。控制系統以此作為控制目標，使土壤含水率保持在該值附近。

3）模糊控制限為b。該數值為正數，用于計算模糊控制上下限，當系統采集的土壤含水率介于該范圍時，系統采用模糊控制算法，超出該范圍時采用開關控制算法。

4）系統控制周期T（min）。由于土壤是復雜的大滯后系統，建立相關數學模型預測含水率變化存在極大困難，因此設置此變量，控制系統每隔時間T對土壤含水率進行一次采集調控，用于減低輸入滯后的影響，防止系統誤操作。

控制算法中用到的其他變量可依據下列方式計算得出：

植物保護閾值：r=R+c，其中c為常數。當土壤含水率接近或達到植物生存的土壤含水率閾值時，水脅迫對植物的正常生命活動已經構成了比較嚴重的影響，此時再進行灌溉已經難以避免對植物造成的傷害。因此，系統的監測和控制需要一定的提前量，植物保護閾值正是為此而設置，當土壤含水率接近或達到該值時，系統即采取相應動作。對土壤含水率變化長期監測的結果，在北京地區夏季晴天情況下，草坪土壤含水率日均下降2個百分點（傳感器埋放深度為12 cm）。因此，c值可設為2，即將系統的反應時間提前1 d，保證植物的正常生長。模糊控制上限為sv+b，下限為sv-b。

3.2 控制算法

系統的控制算法由3部分組成，分別為植物保護控制、開關控制和模糊控制。各部分分工、相互協調保證灌溉控制系統的穩定可靠。

1）植物保護控制。在整個控制過程中，植物保護控制是實時起作用的。若土壤含水率低于r，則啟動植物保護程序，系統打開相應的閥門，直到土壤含水率上升至模糊控制范圍內。

2）開關控制。當系統的控制周期來臨時，系統采集土壤含水率數據，進行誤差判別：e=sv-y。其中，y為土壤水分傳感器采集到的土壤含水率，e為誤差。當誤差e>b時，系統打開輸出相應閥門的開啟時間長度，進行灌溉；當誤差e<-b時，系統關閉相應的閥門，停止灌溉。

3）模糊控制。當系統的控制周期來臨時，系統采集土壤含水率數據，進行誤差判別，當-b

模糊控制器的輸入分別為誤差e=sv-y和誤差變化率ec=de/dt，輸出為灌溉時間長度u（min）。e和ec的基本論域分別為[-4%，4%]、[-2%，2%]，其模糊變量E和EC的論域均為[-6，6]，模糊集均為{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。u的基本論域為[0，30]， 其模糊變量U的論域為[0，6]， 模糊集為{O， PS， PM， PB}。 模糊控制表的求取過程參考文獻[4-6]。系統得模糊控制表如表1所示。

通過植物保護控制、開關控制和模糊控制的結合，不僅可以保證植物的正常生長，還可以保證土壤含水率穩定在用戶設定值附近，做到適量灌溉。

3.3 灌溉系統的適時灌溉

由于在實際生活中，綠地的灌溉受到氣象和人為因素的影響，例如在夏季陽光強烈的時間段或晚上進行灌溉會對植物的正常生理活動造成傷害，還容易引發草坪的病害。為此，系統在軟件中提供了相應的接口，可以設置適合灌溉的時間段，如8：00～10：00或15：00～17：00，這樣可以實現適時灌溉。

4 小結

由于土壤是一個大慣性、非線性的系統，系統的響應時間、滯后時間比較長，并且綠地的灌溉受到很多自然或人為因素的影響，因此單獨依靠專家系統或模糊控制難以滿足實際使用的需要。研究提出在模糊控制的基礎上結合了開關控制的雙模控制算法，并增加了植物保護控制和適宜灌溉時間段的設置，確保了綠地灌溉的適時適量。運用該算法自主研發的低成本節水灌溉控制系統已被成功應用于北京林業大學精準灌溉示范區。實踐證明，該算法能有效控制灌溉系統運行，可以做到適時適量灌溉，取得了良好的效果。整個系統運行可靠，節約了水資源和人工維護成本。

參考文獻：

[1] 王鵬飛，劉俊良，臧景紅.城市節水設施綜合效益分析[J].中國給水排水，2002（11）：82-84.

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[4] 劉葉飛，陳志剛.節水自動灌溉模糊控制系統設計[J].排灌機械， 1999（3）：51-53.

[5] 張建仁，王 莉.MATLAB在模糊控制系統仿真中的應用[J].自動化與儀表，2002（6）：53-55.

[6] 郭正琴，王一鳴，楊衛中，等.基于模糊控制的智能灌溉控制系統[J].農機化研究，2006（12）：103-108.

開關控制與模糊控制相結合的雙模控制算法，系統控制原理框圖如圖2所示。

根據開關和模糊雙模控制系統的控制需要，設定下列控制變量：

1）植物生存的土壤含水率閾值R。植物生存的土壤含水率閾值R是指特定植物維持生命所需的最低土壤含水率，該變量用以防止植物根部附近土壤的含水率低于生存閾值。

2）土壤含水率設定值為sv。可由用戶根據具體植物的需水特性設置。控制系統以此作為控制目標，使土壤含水率保持在該值附近。

3）模糊控制限為b。該數值為正數，用于計算模糊控制上下限，當系統采集的土壤含水率介于該范圍時，系統采用模糊控制算法，超出該范圍時采用開關控制算法。

4）系統控制周期T（min）。由于土壤是復雜的大滯后系統，建立相關數學模型預測含水率變化存在極大困難，因此設置此變量，控制系統每隔時間T對土壤含水率進行一次采集調控，用于減低輸入滯后的影響，防止系統誤操作。

控制算法中用到的其他變量可依據下列方式計算得出：

植物保護閾值：r=R+c，其中c為常數。當土壤含水率接近或達到植物生存的土壤含水率閾值時，水脅迫對植物的正常生命活動已經構成了比較嚴重的影響，此時再進行灌溉已經難以避免對植物造成的傷害。因此，系統的監測和控制需要一定的提前量，植物保護閾值正是為此而設置，當土壤含水率接近或達到該值時，系統即采取相應動作。對土壤含水率變化長期監測的結果，在北京地區夏季晴天情況下，草坪土壤含水率日均下降2個百分點（傳感器埋放深度為12 cm）。因此，c值可設為2，即將系統的反應時間提前1 d，保證植物的正常生長。模糊控制上限為sv+b，下限為sv-b。

3.2 控制算法

系統的控制算法由3部分組成，分別為植物保護控制、開關控制和模糊控制。各部分分工、相互協調保證灌溉控制系統的穩定可靠。

1）植物保護控制。在整個控制過程中，植物保護控制是實時起作用的。若土壤含水率低于r，則啟動植物保護程序，系統打開相應的閥門，直到土壤含水率上升至模糊控制范圍內。

2）開關控制。當系統的控制周期來臨時，系統采集土壤含水率數據，進行誤差判別：e=sv-y。其中，y為土壤水分傳感器采集到的土壤含水率，e為誤差。當誤差e>b時，系統打開輸出相應閥門的開啟時間長度，進行灌溉；當誤差e<-b時，系統關閉相應的閥門，停止灌溉。

3）模糊控制。當系統的控制周期來臨時，系統采集土壤含水率數據，進行誤差判別，當-b

模糊控制器的輸入分別為誤差e=sv-y和誤差變化率ec=de/dt，輸出為灌溉時間長度u（min）。e和ec的基本論域分別為[-4%，4%]、[-2%，2%]，其模糊變量E和EC的論域均為[-6，6]，模糊集均為{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。u的基本論域為[0，30]， 其模糊變量U的論域為[0，6]， 模糊集為{O， PS， PM， PB}。 模糊控制表的求取過程參考文獻[4-6]。系統得模糊控制表如表1所示。

通過植物保護控制、開關控制和模糊控制的結合，不僅可以保證植物的正常生長，還可以保證土壤含水率穩定在用戶設定值附近，做到適量灌溉。

3.3 灌溉系統的適時灌溉

由于在實際生活中，綠地的灌溉受到氣象和人為因素的影響，例如在夏季陽光強烈的時間段或晚上進行灌溉會對植物的正常生理活動造成傷害，還容易引發草坪的病害。為此，系統在軟件中提供了相應的接口，可以設置適合灌溉的時間段，如8：00～10：00或15：00～17：00，這樣可以實現適時灌溉。

4 小結

由于土壤是一個大慣性、非線性的系統，系統的響應時間、滯后時間比較長，并且綠地的灌溉受到很多自然或人為因素的影響，因此單獨依靠專家系統或模糊控制難以滿足實際使用的需要。研究提出在模糊控制的基礎上結合了開關控制的雙模控制算法，并增加了植物保護控制和適宜灌溉時間段的設置，確保了綠地灌溉的適時適量。運用該算法自主研發的低成本節水灌溉控制系統已被成功應用于北京林業大學精準灌溉示范區。實踐證明，該算法能有效控制灌溉系統運行，可以做到適時適量灌溉，取得了良好的效果。整個系統運行可靠，節約了水資源和人工維護成本。

參考文獻：

[1] 王鵬飛，劉俊良，臧景紅.城市節水設施綜合效益分析[J].中國給水排水，2002（11）：82-84.

[2] 黃永基，陳 明.我國節水現狀、問題及對策[J].中國水利，1999（1）：42-43.

[3] 楊戰社，陳 菲.生態小區水資源的開源節流[J].住宅科技， 2005（7）：26-30.

[4] 劉葉飛，陳志剛.節水自動灌溉模糊控制系統設計[J].排灌機械， 1999（3）：51-53.

[5] 張建仁，王 莉.MATLAB在模糊控制系統仿真中的應用[J].自動化與儀表，2002（6）：53-55.

[6] 郭正琴，王一鳴，楊衛中，等.基于模糊控制的智能灌溉控制系統[J].農機化研究，2006（12）：103-108.