精確灌溉系統的控制策略研究

苑立娟　汪濤

摘 要：本文旨在研究精確灌溉系統的控制策略，由于農作物在灌溉需水量無法建立精確的數學模型，采用模糊控制技術，以人的經驗和知識為依據并模仿人的思維方式和控制經驗來進行控制。主要介紹了模糊控制技術、模糊控制器以及模糊控制系統的設計等核心知識。

關鍵詞：模糊控制；GPRS；精確灌溉

課題：保定市科學技術研究與發展指導計劃課題《干旱地區農業精確灌溉遠程監控系統的研究與設計》課題編號15ZN007

1 引言

傳統自動控制系統的控制算法是建立在精確的數學模型的基礎之上，應用于節水灌溉系統時，難以達到節水的理想效果。由于作物灌溉需水量無法建立精確的數學模型，且節水灌溉系統具有大慣性、非線性和滯后性的特點，模糊控制技術是以人的經驗和知識為依據知識為依據，模仿人的思維方式和控制經驗來進行控制的一種技術，不需要建立相應的數學模型，比較適用于干旱地區的節水灌概方式

2 模糊控制技術

“模糊”是人類感知萬物，獲取知識，思維推理，決策實施的重要特征。”模糊”比”清晰”所擁有的信息容量更大，內涵更豐富，更符合客觀世界。人們常用的經驗規則都是用模糊條件語句表達，對于農作物灌溉來說，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則是具有模糊性的。

模糊控制就是利用計算機來模擬人的思維方式，是以模糊數學為基礎的。用模糊集合理論將專家知識或操作人員經驗形成的語言直接轉化為自動控制策略。它是一種基于知識或者經驗的控制。它直接采用語言進行控制，以相關專家的知識為依據，在設計中無需建立被控對象的精確數學模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設計簡單，便于應用。

與傳統的控制方法相比，模糊控制具有如下特點：1、控制系統的魯棒性強，對過程參數的變化不敏感，適應于解決常規控制難以解決的非線性、時變及滯后等問題。2、模糊控制系統的設計是基于人類豐富的知識和經驗，使用語言方法，不依賴于系統，不需建立精確的數學模型，適用于無法精確解析建模的復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驗，故能夠處理復雜的系統。4、語言變量代替常規的數學變量，形成專家系統知識庫，且控制方法簡單。5、模糊規則及合成推理是基于專家知識或操作者的成熟經驗，通過經驗積累不斷更新，故具有智能性和自學性。

綜上所述，由于作物生長受其生長規律、季節、氣候環境等一系列因素的影響，建立適應作物生長規律的灌溉模型較困難。通過對模糊控制技術的學習和分析，并對節水灌溉系統的需求進行分析，得出模糊控制策略用在節水灌溉系統中是最佳選擇。

3 模糊控制系統的設計

農業灌溉控制中，土壤溫濕度以及環境溫濕度是衡量是否灌溉以及灌溉時間長短的主要指標。因此，在設計模糊控制器時，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，進而去控制執行器電磁閥的操作，從而達到精確灌溉的目標。模糊控制結構圖如下圖：

模糊化：模糊化是由精確量到模糊值的轉化過程，即把現實世界中的精確數字量轉化為模糊系統的語言變量。它依賴于輸入量各模糊集合的隸屬函數，隸屬函數定義在輸入變量的有效范圍內，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。

數據庫：數據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，包括了經過模糊化處理的輸入輸出值。模糊推理的主要作用是從數據庫中獲取數據，然后將推出結果存入數據庫。

規則庫：模糊控制器的規則是基于知識或人們積累的經驗，采用特定結構的表示形式，這些規劃組成的模糊控制器的知識庫。規則庫應該包含全部的模糊控制規則，模糊推理按照里面的規則得出相應的結論。

模糊推理：模糊推理，也可以稱之為推理機，是模糊控制系統的核心。它根據模糊化后的輸入，利用規則庫中的規則，由推理機經模糊推理得到相應的模糊輸出。

解模糊：對于一個控制系統而言，最終要產生一個可以控制系統的確切信號，并達以對系統進行控制的目的。模糊推理產生的是模糊量，需要對模糊量進行處理，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 結束語

基于模糊推理的智能灌溉模塊的主要設計目標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，設計了模糊控制系統能夠達到灌溉控制的要求。