精準(zhǔn)灌溉設(shè)備的控制算法

戴薛

摘要：提出了一種開關(guān)控制與模糊控制相結(jié)合的雙?？刂扑惴ǎm用于以土壤含水率為被控對(duì)象的灌溉控制系統(tǒng)，屬于自動(dòng)閉環(huán)控制。此算法應(yīng)用于自主研發(fā)的低成本節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果證明該算法能有效控制土壤含水率，可以適時(shí)適量灌溉，達(dá)到了精準(zhǔn)灌溉的要求。同時(shí)該算法使得灌溉系統(tǒng)不僅節(jié)約了水資源，還節(jié)省了人工維護(hù)成本。

關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)灌溉；雙?？刂扑惴?；土壤含水率

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jiǎn)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(tǒng)的研究工作，（電話）13476008529（電子信箱）

daixue2000@163.com。

隨著數(shù)字農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對(duì)農(nóng)業(yè)所涉及對(duì)象和全過程需要進(jìn)行數(shù)字化、可視化的表達(dá)、設(shè)計(jì)、控制和管理，其根本目的是以最少或最節(jié)省的投入，獲得最高的經(jīng)濟(jì)收益和最佳的環(huán)境效益。如何節(jié)約農(nóng)業(yè)用水，降低農(nóng)業(yè)園區(qū)的維護(hù)成本，目前已成為人們共同關(guān)注的焦點(diǎn)。在充分利用中水和雨水進(jìn)行灌溉的同時(shí)，還需要發(fā)展節(jié)水新技術(shù)新手段[1，2]。近20年的節(jié)水實(shí)踐證明，節(jié)水技術(shù)與設(shè)施的投入是解決水資源短缺問題的關(guān)鍵之一[3]。

噴灌滴灌技術(shù)的推廣應(yīng)用，使灌溉水資源在傳輸過程的損耗已經(jīng)降低，進(jìn)一步提高水資源的利用效率則需要推廣精準(zhǔn)灌溉，從改進(jìn)灌溉策略和灌溉系統(tǒng)控制算法的角度入手，依據(jù)植物生長(zhǎng)所需含水量，精確控制土壤含水率，保證植物生長(zhǎng)，同時(shí)避免灌溉水資源的浪費(fèi)。

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(dǎo)依據(jù)，是近年發(fā)展起來的革命性的節(jié)水新路徑，它檢測(cè)植物在水分脅迫下的各種生理反應(yīng)，依此判斷植物的水分脅迫狀況，計(jì)算植物當(dāng)前需水量并指導(dǎo)灌溉。很多學(xué)者在此方面進(jìn)行了研究，多采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，取得了一定的成果。此類方法目前存在的瓶頸是直接對(duì)植物的生理信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)難以滿足在線和實(shí)時(shí)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(guān)系。通過監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)性的難題。

以土壤含水率為控制對(duì)象的精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)發(fā)展較快，控制算法各有特色，如專家系統(tǒng)和模糊控制。采用專家系統(tǒng)的一個(gè)主要困難是專家知識(shí)庫的建立需要大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)間的關(guān)系復(fù)雜。采用模糊控制的優(yōu)點(diǎn)是避免了建立土壤含水率變化數(shù)學(xué)模型，不足之處是控制規(guī)則來源于人工經(jīng)驗(yàn)。由于土壤是一個(gè)大慣性、非線性的系統(tǒng)，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、滯后時(shí)間比較長(zhǎng)，單純依靠模糊控制可能會(huì)出現(xiàn)過量灌溉或植物長(zhǎng)時(shí)間缺水的情況。本研究提出在模糊控制的基礎(chǔ)上添加開關(guān)控制組成雙模控制算法，可以有效避免這種情況的發(fā)生。

2 控制系統(tǒng)介紹

本研究提出算法對(duì)應(yīng)的灌溉控制系統(tǒng)由上位計(jì)算機(jī)、灌溉監(jiān)測(cè)控制器、土壤水分傳感器和閥門控制器組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，上位計(jì)算機(jī)與灌溉監(jiān)測(cè)控制器采用無線通訊方式，灌溉監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)土壤含水率，閥門控制器用于控制噴灌系統(tǒng)的電磁閥，電磁閥開啟的時(shí)間長(zhǎng)度與灌溉量成正比。

上位計(jì)算機(jī)定時(shí)通過無線通訊模塊向灌溉監(jiān)測(cè)控制器發(fā)送數(shù)據(jù)采集請(qǐng)求；灌溉監(jiān)測(cè)控制器對(duì)上位計(jì)算機(jī)的請(qǐng)求進(jìn)行分析，并通過RS-485總線向相應(yīng)的土壤水分傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令；土壤水分傳感器采集土壤含水率數(shù)據(jù)，通過RS-485總線將數(shù)據(jù)返回給灌溉監(jiān)測(cè)控制器，再由灌溉監(jiān)測(cè)控制器返回給上位計(jì)算機(jī)；上位計(jì)算機(jī)按照控制算法對(duì)土壤含水率數(shù)據(jù)作分析處理，并根據(jù)處理結(jié)果向灌溉監(jiān)測(cè)控制器發(fā)送閥門開關(guān)請(qǐng)求，經(jīng)灌溉監(jiān)測(cè)控制器向閥門控制器發(fā)送開關(guān)閥門的控制命令；閥門控制器根據(jù)控制命令控制閥門的開關(guān)狀態(tài)，并將相關(guān)信息經(jīng)由灌溉監(jiān)測(cè)控制器返回給上位計(jì)算機(jī)。周而復(fù)始，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。

3 算法介紹

3.1 系統(tǒng)控制原理及控制參數(shù)endprint

開關(guān)控制與模糊控制相結(jié)合的雙?？刂扑惴?，系統(tǒng)控制原理框圖如圖2所示。

根據(jù)開關(guān)和模糊雙模控制系統(tǒng)的控制需要，設(shè)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(shè)定值為sv。可由用戶根據(jù)具體植物的需水特性設(shè)置。控制系統(tǒng)以此作為控制目標(biāo)，使土壤含水率保持在該值附近。

3）模糊控制限為b。該數(shù)值為正數(shù)，用于計(jì)算模糊控制上下限，當(dāng)系統(tǒng)采集的土壤含水率介于該范圍時(shí)，系統(tǒng)采用模糊控制算法，超出該范圍時(shí)采用開關(guān)控制算法。

4）系統(tǒng)控制周期T（min）。由于土壤是復(fù)雜的大滯后系統(tǒng)，建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)含水率變化存在極大困難，因此設(shè)置此變量，控制系統(tǒng)每隔時(shí)間T對(duì)土壤含水率進(jìn)行一次采集調(diào)控，用于減低輸入滯后的影響，防止系統(tǒng)誤操作。

控制算法中用到的其他變量可依據(jù)下列方式計(jì)算得出：

植物保護(hù)閾值：r=R+c，其中c為常數(shù)。當(dāng)土壤含水率接近或達(dá)到植物生存的土壤含水率閾值時(shí)，水脅迫對(duì)植物的正常生命活動(dòng)已經(jīng)構(gòu)成了比較嚴(yán)重的影響，此時(shí)再進(jìn)行灌溉已經(jīng)難以避免對(duì)植物造成的傷害。因此，系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制需要一定的提前量，植物保護(hù)閾值正是為此而設(shè)置，當(dāng)土壤含水率接近或達(dá)到該值時(shí)，系統(tǒng)即采取相應(yīng)動(dòng)作。對(duì)土壤含水率變化長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的結(jié)果，在北京地區(qū)夏季晴天情況下，草坪土壤含水率日均下降2個(gè)百分點(diǎn)（傳感器埋放深度為12 cm）。因此，c值可設(shè)為2，即將系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間提前1 d，保證植物的正常生長(zhǎng)。模糊控制上限為sv+b，下限為sv-b。

3.2 控制算法

系統(tǒng)的控制算法由3部分組成，分別為植物保護(hù)控制、開關(guān)控制和模糊控制。各部分分工、相互協(xié)調(diào)保證灌溉控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

1）植物保護(hù)控制。在整個(gè)控制過程中，植物保護(hù)控制是實(shí)時(shí)起作用的。若土壤含水率低于r，則啟動(dòng)植物保護(hù)程序，系統(tǒng)打開相應(yīng)的閥門，直到土壤含水率上升至模糊控制范圍內(nèi)。

2）開關(guān)控制。當(dāng)系統(tǒng)的控制周期來臨時(shí)，系統(tǒng)采集土壤含水率數(shù)據(jù)，進(jìn)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(dāng)誤差e>b時(shí)，系統(tǒng)打開輸出相應(yīng)閥門的開啟時(shí)間長(zhǎng)度，進(jìn)行灌溉；當(dāng)誤差e<-b時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉相應(yīng)的閥門，停止灌溉。

3）模糊控制。當(dāng)系統(tǒng)的控制周期來臨時(shí)，系統(tǒng)采集土壤含水率數(shù)據(jù)，進(jìn)行誤差判別，當(dāng)-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(shí)間長(zhǎng)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?yàn)閇0，30]， 其模糊變量U的論域?yàn)閇0，6]， 模糊集為{O， PS， PM， PB}。 模糊控制表的求取過程參考文獻(xiàn)[4-6]。系統(tǒng)得模糊控制表如表1所示。

通過植物保護(hù)控制、開關(guān)控制和模糊控制的結(jié)合，不僅可以保證植物的正常生長(zhǎng)，還可以保證土壤含水率穩(wěn)定在用戶設(shè)定值附近，做到適量灌溉。

3.3 灌溉系統(tǒng)的適時(shí)灌溉

由于在實(shí)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(qiáng)烈的時(shí)間段或晚上進(jìn)行灌溉會(huì)對(duì)植物的正常生理活動(dòng)造成傷害，還容易引發(fā)草坪的病害。為此，系統(tǒng)在軟件中提供了相應(yīng)的接口，可以設(shè)置適合灌溉的時(shí)間段，如8：00～10：00或15：00～17：00，這樣可以實(shí)現(xiàn)適時(shí)灌溉。

4 小結(jié)

由于土壤是一個(gè)大慣性、非線性的系統(tǒng)，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、滯后時(shí)間比較長(zhǎng)，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(dú)依靠專家系統(tǒng)或模糊控制難以滿足實(shí)際使用的需要。研究提出在模糊控制的基礎(chǔ)上結(jié)合了開關(guān)控制的雙?？刂扑惴?，并增加了植物保護(hù)控制和適宜灌溉時(shí)間段的設(shè)置，確保了綠地灌溉的適時(shí)適量。運(yùn)用該算法自主研發(fā)的低成本節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)已被成功應(yīng)用于北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)灌溉示范區(qū)。實(shí)踐證明，該算法能有效控制灌溉系統(tǒng)運(yùn)行，可以做到適時(shí)適量灌溉，取得了良好的效果。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，節(jié)約了水資源和人工維護(hù)成本。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 黃永基，陳 明.我國(guó)節(jié)水現(xiàn)狀、問題及對(duì)策[J].中國(guó)水利，1999（1）：42-43.

[3] 楊戰(zhàn)社，陳 菲.生態(tài)小區(qū)水資源的開源節(jié)流[J].住宅科技， 2005（7）：26-30.

[4] 劉葉飛，陳志剛.節(jié)水自動(dòng)灌溉模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].排灌機(jī)械， 1999（3）：51-53.

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

[6] 郭正琴，王一鳴，楊衛(wèi)中，等.基于模糊控制的智能灌溉控制系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006（12）：103-108.

開關(guān)控制與模糊控制相結(jié)合的雙?？刂扑惴?，系統(tǒng)控制原理框圖如圖2所示。

根據(jù)開關(guān)和模糊雙模控制系統(tǒng)的控制需要，設(shè)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(shè)定值為sv?？捎捎脩舾鶕?jù)具體植物的需水特性設(shè)置?？刂葡到y(tǒng)以此作為控制目標(biāo)，使土壤含水率保持在該值附近。

3）模糊控制限為b。該數(shù)值為正數(shù)，用于計(jì)算模糊控制上下限，當(dāng)系統(tǒng)采集的土壤含水率介于該范圍時(shí)，系統(tǒng)采用模糊控制算法，超出該范圍時(shí)采用開關(guān)控制算法。

4）系統(tǒng)控制周期T（min）。由于土壤是復(fù)雜的大滯后系統(tǒng)，建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)含水率變化存在極大困難，因此設(shè)置此變量，控制系統(tǒng)每隔時(shí)間T對(duì)土壤含水率進(jìn)行一次采集調(diào)控，用于減低輸入滯后的影響，防止系統(tǒng)誤操作。

控制算法中用到的其他變量可依據(jù)下列方式計(jì)算得出：

植物保護(hù)閾值：r=R+c，其中c為常數(shù)。當(dāng)土壤含水率接近或達(dá)到植物生存的土壤含水率閾值時(shí)，水脅迫對(duì)植物的正常生命活動(dòng)已經(jīng)構(gòu)成了比較嚴(yán)重的影響，此時(shí)再進(jìn)行灌溉已經(jīng)難以避免對(duì)植物造成的傷害。因此，系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制需要一定的提前量，植物保護(hù)閾值正是為此而設(shè)置，當(dāng)土壤含水率接近或達(dá)到該值時(shí)，系統(tǒng)即采取相應(yīng)動(dòng)作。對(duì)土壤含水率變化長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的結(jié)果，在北京地區(qū)夏季晴天情況下，草坪土壤含水率日均下降2個(gè)百分點(diǎn)（傳感器埋放深度為12 cm）。因此，c值可設(shè)為2，即將系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間提前1 d，保證植物的正常生長(zhǎng)。模糊控制上限為sv+b，下限為sv-b。

3.2 控制算法

系統(tǒng)的控制算法由3部分組成，分別為植物保護(hù)控制、開關(guān)控制和模糊控制。各部分分工、相互協(xié)調(diào)保證灌溉控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

1）植物保護(hù)控制。在整個(gè)控制過程中，植物保護(hù)控制是實(shí)時(shí)起作用的。若土壤含水率低于r，則啟動(dòng)植物保護(hù)程序，系統(tǒng)打開相應(yīng)的閥門，直到土壤含水率上升至模糊控制范圍內(nèi)。

2）開關(guān)控制。當(dāng)系統(tǒng)的控制周期來臨時(shí)，系統(tǒng)采集土壤含水率數(shù)據(jù)，進(jìn)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(dāng)誤差e>b時(shí)，系統(tǒng)打開輸出相應(yīng)閥門的開啟時(shí)間長(zhǎng)度，進(jìn)行灌溉；當(dāng)誤差e<-b時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉相應(yīng)的閥門，停止灌溉。

3）模糊控制。當(dāng)系統(tǒng)的控制周期來臨時(shí)，系統(tǒng)采集土壤含水率數(shù)據(jù)，進(jìn)行誤差判別，當(dāng)-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(shí)間長(zhǎng)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?yàn)閇0，30]， 其模糊變量U的論域?yàn)閇0，6]， 模糊集為{O， PS， PM， PB}。 模糊控制表的求取過程參考文獻(xiàn)[4-6]。系統(tǒng)得模糊控制表如表1所示。

通過植物保護(hù)控制、開關(guān)控制和模糊控制的結(jié)合，不僅可以保證植物的正常生長(zhǎng)，還可以保證土壤含水率穩(wěn)定在用戶設(shè)定值附近，做到適量灌溉。

3.3 灌溉系統(tǒng)的適時(shí)灌溉

由于在實(shí)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(qiáng)烈的時(shí)間段或晚上進(jìn)行灌溉會(huì)對(duì)植物的正常生理活動(dòng)造成傷害，還容易引發(fā)草坪的病害。為此，系統(tǒng)在軟件中提供了相應(yīng)的接口，可以設(shè)置適合灌溉的時(shí)間段，如8：00～10：00或15：00～17：00，這樣可以實(shí)現(xiàn)適時(shí)灌溉。

4 小結(jié)

由于土壤是一個(gè)大慣性、非線性的系統(tǒng)，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、滯后時(shí)間比較長(zhǎng)，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(dú)依靠專家系統(tǒng)或模糊控制難以滿足實(shí)際使用的需要。研究提出在模糊控制的基礎(chǔ)上結(jié)合了開關(guān)控制的雙?？刂扑惴?，并增加了植物保護(hù)控制和適宜灌溉時(shí)間段的設(shè)置，確保了綠地灌溉的適時(shí)適量。運(yùn)用該算法自主研發(fā)的低成本節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)已被成功應(yīng)用于北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)灌溉示范區(qū)。實(shí)踐證明，該算法能有效控制灌溉系統(tǒng)運(yùn)行，可以做到適時(shí)適量灌溉，取得了良好的效果。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，節(jié)約了水資源和人工維護(hù)成本。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 劉葉飛，陳志剛.節(jié)水自動(dòng)灌溉模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].排灌機(jī)械， 1999（3）：51-53.

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

[6] 郭正琴，王一鳴，楊衛(wèi)中，等.基于模糊控制的智能灌溉控制系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006（12）：103-108.

開關(guān)控制與模糊控制相結(jié)合的雙?？刂扑惴ǎ到y(tǒng)控制原理框圖如圖2所示。

根據(jù)開關(guān)和模糊雙模控制系統(tǒng)的控制需要，設(shè)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(shè)定值為sv?？捎捎脩舾鶕?jù)具體植物的需水特性設(shè)置?？刂葡到y(tǒng)以此作為控制目標(biāo)，使土壤含水率保持在該值附近。

3）模糊控制限為b。該數(shù)值為正數(shù)，用于計(jì)算模糊控制上下限，當(dāng)系統(tǒng)采集的土壤含水率介于該范圍時(shí)，系統(tǒng)采用模糊控制算法，超出該范圍時(shí)采用開關(guān)控制算法。

4）系統(tǒng)控制周期T（min）。由于土壤是復(fù)雜的大滯后系統(tǒng)，建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)含水率變化存在極大困難，因此設(shè)置此變量，控制系統(tǒng)每隔時(shí)間T對(duì)土壤含水率進(jìn)行一次采集調(diào)控，用于減低輸入滯后的影響，防止系統(tǒng)誤操作。

控制算法中用到的其他變量可依據(jù)下列方式計(jì)算得出：

植物保護(hù)閾值：r=R+c，其中c為常數(shù)。當(dāng)土壤含水率接近或達(dá)到植物生存的土壤含水率閾值時(shí)，水脅迫對(duì)植物的正常生命活動(dòng)已經(jīng)構(gòu)成了比較嚴(yán)重的影響，此時(shí)再進(jìn)行灌溉已經(jīng)難以避免對(duì)植物造成的傷害。因此，系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制需要一定的提前量，植物保護(hù)閾值正是為此而設(shè)置，當(dāng)土壤含水率接近或達(dá)到該值時(shí)，系統(tǒng)即采取相應(yīng)動(dòng)作。對(duì)土壤含水率變化長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的結(jié)果，在北京地區(qū)夏季晴天情況下，草坪土壤含水率日均下降2個(gè)百分點(diǎn)（傳感器埋放深度為12 cm）。因此，c值可設(shè)為2，即將系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間提前1 d，保證植物的正常生長(zhǎng)。模糊控制上限為sv+b，下限為sv-b。

3.2 控制算法

系統(tǒng)的控制算法由3部分組成，分別為植物保護(hù)控制、開關(guān)控制和模糊控制。各部分分工、相互協(xié)調(diào)保證灌溉控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

1）植物保護(hù)控制。在整個(gè)控制過程中，植物保護(hù)控制是實(shí)時(shí)起作用的。若土壤含水率低于r，則啟動(dòng)植物保護(hù)程序，系統(tǒng)打開相應(yīng)的閥門，直到土壤含水率上升至模糊控制范圍內(nèi)。

2）開關(guān)控制。當(dāng)系統(tǒng)的控制周期來臨時(shí)，系統(tǒng)采集土壤含水率數(shù)據(jù)，進(jìn)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(dāng)誤差e>b時(shí)，系統(tǒng)打開輸出相應(yīng)閥門的開啟時(shí)間長(zhǎng)度，進(jìn)行灌溉；當(dāng)誤差e<-b時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉相應(yīng)的閥門，停止灌溉。

3）模糊控制。當(dāng)系統(tǒng)的控制周期來臨時(shí)，系統(tǒng)采集土壤含水率數(shù)據(jù)，進(jìn)行誤差判別，當(dāng)-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(shí)間長(zhǎng)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?yàn)閇0，30]， 其模糊變量U的論域?yàn)閇0，6]， 模糊集為{O， PS， PM， PB}。 模糊控制表的求取過程參考文獻(xiàn)[4-6]。系統(tǒng)得模糊控制表如表1所示。

通過植物保護(hù)控制、開關(guān)控制和模糊控制的結(jié)合，不僅可以保證植物的正常生長(zhǎng)，還可以保證土壤含水率穩(wěn)定在用戶設(shè)定值附近，做到適量灌溉。

3.3 灌溉系統(tǒng)的適時(shí)灌溉

由于在實(shí)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(qiáng)烈的時(shí)間段或晚上進(jìn)行灌溉會(huì)對(duì)植物的正常生理活動(dòng)造成傷害，還容易引發(fā)草坪的病害。為此，系統(tǒng)在軟件中提供了相應(yīng)的接口，可以設(shè)置適合灌溉的時(shí)間段，如8：00～10：00或15：00～17：00，這樣可以實(shí)現(xiàn)適時(shí)灌溉。

4 小結(jié)

由于土壤是一個(gè)大慣性、非線性的系統(tǒng)，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、滯后時(shí)間比較長(zhǎng)，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(dú)依靠專家系統(tǒng)或模糊控制難以滿足實(shí)際使用的需要。研究提出在模糊控制的基礎(chǔ)上結(jié)合了開關(guān)控制的雙模控制算法，并增加了植物保護(hù)控制和適宜灌溉時(shí)間段的設(shè)置，確保了綠地灌溉的適時(shí)適量。運(yùn)用該算法自主研發(fā)的低成本節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)已被成功應(yīng)用于北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)灌溉示范區(qū)。實(shí)踐證明，該算法能有效控制灌溉系統(tǒng)運(yùn)行，可以做到適時(shí)適量灌溉，取得了良好的效果。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，節(jié)約了水資源和人工維護(hù)成本。

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