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精确灌溉系统的控制策略研究 摘 要：本文旨在研究精确灌溉系统的控制策略，由于农作物在灌溉需水量无法建立精确的数学模型，采用模糊控制技术，以人的经验和知识为依据并模仿人的思维方式和控制经验来进行控制。主要介绍了模糊控制技术、模糊控制器以及模糊控制系统的设计等核心知识。 关键词：模糊控制；GPRS；精确灌溉 课题：保定市科学技术研究与发展指导计划课题干旱地区农业精确灌溉远程监控系统的研究与设计课题编号15ZN007 1 引言 传统自动控制系统的控制算法是建立在精确的数学模型的基础之上，应用于节水灌溉系统时，难以达到节水的理想效果。由于作物灌溉需水量无法建立精确的数学模型，且节水灌溉系统具有大惯性、非线性和滞后性的特点，模糊控制技术是以人的经验和知识为依据知识为依据，模仿人的思维方式和控制经验来进行控制的一种技术，不需要建立相应的数学模型，比较适用于干旱地区的节水灌概方式 2 模糊控制技术 “模糊”是人类感知万物，获取知识，思维推理，决策实施的重要特征。”模糊”比”清晰”所拥有的信息容量更大，内涵更丰富，更符合客观世界。人们常用的经验规则都是用模糊条件语句表达，对于农作物灌溉来说，像水量”较少”、”较多”、”小一些”、”很小”等，这些表示水位和控制阀门动作的概念都具有模糊性。可以理解为操作人员的控制规则是具有模糊性的。 模糊控制就是利用计算机来模拟人的思维方式，是以模糊数学为基础的。用模糊集合理论将专家知识或操作人员经验形成的语言直接转化为自动控制策略。它是一种基于知识或者经验的控制。它直接采用语言进行控制，以相关专家的知识为依据，在设计中无需建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。 与传统的控制方法相比，模糊控制具有如下特点：1、控制系统的鲁棒性强，对过程参数的变化不敏感，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞后等问题。2、模糊控制系统的设计是基于人类丰富的知识和经验，使用语言方法，不依赖于系统，不需建立精确的数学模型，适用于无法精确解析建模的复杂过程与模糊性对象。3、控制推理采用”不精确推理”（ApproximateReasoning）。推理过程模仿人的思维过程。由于介入了人类的经验，故能够处理复杂的系统。4、语言变量代替常规的数学变量，形成专家系统知识库，且控制方法简单。5、模糊规则及合成推理是基于专家知识或操作者的成熟经验，通过经验积累不断更新，故具有智能性和自学性。 综上所述，由于作物生长受其生长规律、季节、气候环境等一系列因素的影响，建立适应作物生长规律的灌溉模型较困难。通过对模糊控制技术的学习和分析，并对节水灌溉系统的需求进行分析，得出模糊控制策略用在节水灌溉系统中是最佳选择。 3 模糊控制系统的设计 农业灌溉控制中，土壤温湿度以及环境温湿度是衡量是否灌溉以及灌溉时间长短的主要指标。因此，在设计模糊控制器时，土壤温湿度以及大气温湿度作为输入变量，灌溉时间长短作为输出变量。通过对土壤温湿度以及大气温湿度几个输入变量进行模糊化、模糊推理及解模糊得到输出变量灌溉时间的精确值，进而去控制执行器电磁阀的操作，从而达到精确灌溉的目标。模糊控制结构图如下图： 模糊化：模糊化是由精确量到模糊值的转化过程，即把现实世界中的精确数字量转化为模糊系统的语言变量。它依赖于输入量各模糊集合的隶属函数，隶属函数定义在输入变量的有效范围内，形式可以有多种。三角形分布、高斯分布、梯形分布作为一般的选择。 数据库：数据库所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属变矢量值，包括了经过模糊化处理的输入输出值。模糊推理的主要作用是从数据库中获取数据，然后将推出结果存入数据库。 规则库：模糊控制器的规则是基于知识或人们积累的经验，采用特定结构的表示形式，这些规划组成的模糊控制器的知识库。规则库应该包含全部的模糊控制规则，模糊推理按照里面的规则得出相应的结论。 模糊推理：模糊推理，也可以称之为推理机，是模糊控制系统的核心。它根据模糊化后的输入，利用规则库中的规则，由推理机经模糊推理得到相应的模糊输出。 解模糊：对于一个控制系统而言，最终要产生一个可以控制系统的确切信号，并达以对系统进行控制的目的。模糊推理产生的是模糊量，需要对模糊量进行处理，使之变成精确量。解模糊化常用的有两种：最大值解模糊化方法和中心平