模糊控制在水稻节水自动灌溉中的应用.pdf

第2 7 卷第4 期 1 8 2 0 1 1 年4 月 农业工程学报 T r a n s a c t io n so ft h eC S A E 、，0 1 2 7N O 4 A p r 2 0 1 1 模糊控制在水稻节水自动灌溉中的应用 匡迎春1 ，沈岳2 ，段建南3 姚帮松1 ( 1 湖南农业大学工学院，长沙4 1 0 1 2 8 ：2 湖南农业大学信息学院，长沙4 1 0 1 2 8 ： 3 湖南农业大学资源环境学院，长沙4 1 0 1 2 8 ) 摘要：根据水稻需水规律实施适时适量的自动灌溉是节水节能、提高水稻产量和质量的重要方式，但水稻生长过程需 要水层，使得水稻的自动灌溉实旖非常困难。针对这一问题，该文通过水分传感器、测针分别获取田间含水率和水层深 度作为水稻自动灌溉指标：并以田间含水率( 或水层深度) 及其变化率作为输入，灌溉时间为输出，建立模糊控制系统； 驱动农用抽水泵，实现自动灌溉。仿真结果和初步试验表明系统自动控制过程稳定，与人工控制相比，在水稻分蘖期可 节约水资源约lO ，为水稻的适时适量自动灌溉提供了思路。 关键词：水稻，自动灌溉，模糊控制，土壤含水率，水位 d o i：1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 2 6 8 1 9 2 0 1 1 0 4 0 0 4 中图分类号：T P 2 7 3文献标志码：A 文章编号：1 0 0 2 6 8 1 9 ( 2 0 1 1 ) 一0 4 0 0 1 8 0 4 匡迎春，沈岳，段建南，等模糊控制在水稻节水自动灌溉中的应用 J 农业工程学报，2 0 1 1 ，2 7 ( 4 ) ：1 8 2 1 K u a n gY in g c h u n ，S h e nY u e ，D u a nJ ia n n a n ，e ta 1 A p p lic a t io no ff u z z yc o n t r o lt oa u t o m a t icw a t e r - s a v in gir r ig a t io no fr ic e J T r a n s a c t io n so f m eC S A E ，2 0 1 1 ，2 7 ( 4 ) ：1 8 2 1 ( inC h in e s ew it hE n g lis ha b s t r a c t ) 0 引言 节水灌溉是一项保障中国经济、生态、社会持续发 展的重大战略措施。水稻是世界主要粮食之一，种植面 积非常广泛，在中国栽培面积和总产量居粮食作物的首 位。水稻生长发育过程需水量非常很大，据相关统计， 水稻耗水占农业用水量的6 5 以上，水稻生产灌溉用水 量高达1 20 0 0m 3 h m 2 ，生产1k g 稻谷需灌溉1 2t m 。 传统的过量灌溉方式，虽满足了水稻的需水要求，但造 成了宝贵水资源的巨大浪费，同时还导致大量有效养分 的流失，土壤理化性状的恶化，进而可能带来许多生态 环境问题。因此，根据水稻的需水规律，实施适时适量 的水稻节水灌溉是实现节水节能、粮食增产的重要途径。 近年来，适时适量的自动节水灌溉技术在国内受到 了高度重视，并取得了可喜的效果，如棉花、小麦、绿 地的自动灌溉技术【2 】 1 l】，然而水稻的t l动灌溉仍有待进一 步的研究。灌溉的自动控制是一个时滞、非线性过程， 难以用精确的数学表达式来描述 2 - 3 , 7 ，因此，目前常用的 控制策略是基于土水势的模糊控$ I J E 9 1 。但水稻生长过程需 要水层，给土水势的实时测量带来了困难降5 1 。水稻常通 过控制田间水层和含水率进行灌溉，灌溉方式多采用机 泵提灌；为此，本文尝试以田间含水率和水层深度作为 自动灌溉指标，通过水分传感器、测针分别获取田间土 壤含水率和水位，将其与设定的最佳值比较，得到的差 值及其变化率作为模糊控制器的输入变量，灌溉时间作 收稿日期：2 0 1 0 - 0 7 - 0 4修订日期：2 0 1 1 - 0 3 2 8 基金项目：湖南省自然基金( 0 8 J J 3 1 1 4 ) 作者简介：匡迎春( 1 9 7 1 一) 。女，湖南醴陵人，副教授，硕士导师，主要 从事农业电气化与自动化技术研究。长沙湖南农业大学工学院，4 1 0 1 2 8 。 E m a ihk y c 7 7 1 6 y a h o o c o r n c n 为模糊控制的输出量，建立模糊控制系统，驱动、控制 农用抽水泵的开启时间，实现自动灌溉，达到适时适量 的节水灌溉目的。 1 系统的构成 1 1 控制的要求 多年来，农业专家一直致力于水稻节水灌溉技术的 研究，也推广了各种节水灌溉方式，本系统采取的是单 季水稻的“控制灌溉”节水灌溉方式。“控制灌溉”1 1 0 1 【1 4 】 是指稻苗本田移栽后，田面保持5 2 5m m 薄水层返青活 苗，在返青以后的各个生育阶段，田面不建立灌溉水层， 以根层土壤含水率作为控制指标，遇雨可保持一定水层， 如表l所示。 表l水稻生育阶段土壤水分控制标准 T a b le1W a t e rc o n t r o ls t a n d a r dinr ic e Sb ir t hs t a g e 水分控制下限水分控制上限 遇雨可蓄水层 磊磊赢i丽医百丽磊赢忑源军F 深度，一 说明：水分控制上限、下限的含水率是指占饱和含水率的百分比。 1 2 系统结构 从表1 中可知，水稻的灌溉可以控制土壤水层深度 和含水率，且不同的生育期的控制要求不同。通常，水 稻灌溉采用机电提灌，通过调节灌溉时间来控制灌溉量， 使用的农用水泵大多数不需要调速，因此，农田自动灌 第4 期 匡迎春等：模糊控制在水稻节水自动灌溉中的应用1 9 溉只需控制水泵电机的开启停止，农田灌溉量的多少由 针获取田间的水位值，并将他们与设定值比较，将其差 间气候和作物叶面分布的综合反映，因此，所选取的输 入变量不仅反映了土壤情况，还反映了田间气候、作物 设定值+(襄塞要；兰兰三!雾等：重】_I一I*1 泵 娃值 d 叫删控 矧H 器H 蛊r j ( 泵 l? k 卟1 且 l水位，湿度f 感器l 注th 为田间含水率水位与设定值的偏差值量化后的值； c 为偏差值的变化率量化后 的值；七、k 为量化因子 图1 农田灌溉模糊控制系统结构图 F ig 1 F r a m e w o r ko ft h ef u z z yc o n t r o lle rf o rir r ig a t io n 2 模糊控制器的设计 2 1 输入输出量 本系统设计的模糊控制器是一个双输入单输出模糊 控制系统，2 个输入量分别为田间实际土壤含水率水位 与设定值的差值，及其变化率：输出量为灌溉时间。对 于水稻灌溉，不同的生长期对土壤水分的控制有不同的 要求，返青期还需保持一定水层：为了使不同生长期的 灌溉量具有共同的论域，比较基准的设定值由水稻生长 期的上限、下限值来决定，取喜( 上限值+ 下限值) ，量化 世 唾 昔葺 h 乱差值的隶属函数 h c b 变化率的求属函数 图2 输入变量隶属函数 F ig 2M e m b e r s h ipf u n c t io n so fin p u t s 因子h 也是根据上限和下限值来决定，实际值与设定值 的偏差值量化后，论域选取卜2 ，1 】，将其分为4 个等级， 分别为 很低，低，适中，高 表示，选取相应的4 个模 糊子集，隶属函数采用高斯型，如图2 a 中所示。 含水率水位变化率的论域为 - o 2 ，0 2 】，量化因子鲰 取值为1 ，分为5 个等级 负大，负小，零，正小，正大 ； 选取相应的5 个模糊子集，隶属函数也选取高斯型，如 图2 b 所示。 模糊控制器输出变量是拟灌溉量与最大灌溉量比 值，论域为【0 ，l】；输出量设定5 个模糊子集分别为 最小， 小，适中，大，最大，隶属函数取三角形。该比值经过 比例因子，再转换为所需灌溉的实际时间。 2 2 模糊规则 模糊决策采用m a m d 锄i决策法，解模糊采用重心法 ( c e n t r o id ) 。根据农业专家的经验，当土壤含水率很低， 且变化率较大时，实施最大量的灌溉；当土壤含水率适 中，且变化率不明显时，维持原状，不进行灌溉 ， 依此类推，建立的模糊规则表如表2 所示，一共2 0 条规 则，简化为1 4 条。一 表2 灌溉时间的模糊规则表 T a b le2F u z z yr u leo f ir r ig a t io nt im e 变化率 含水率 很低 最大 大 适中 小 最小 低 大 适中 适中 大 最小 适中 小 最小 最小 最小 最小 高 最小 最小 最小 最小 最小 负大 负小 霉 正小 正大 3 软件设计 水稻节水灌溉的自动控制主程序方框图如图3 所示， 当田间水层高于最大允许值时，进行排水；当返青期没 有水层时，实施最大量灌溉：其他情况，实施模糊控制。 图3 水稻自动灌溉流程图 F ig 3 F lo wc h a r to f t h er ic ea u t o m a t icir r ig a t io n m nJ “ m 根据以h 的模铷控制算法麻州V C 语吉，设引J 。稀 lil自础诫溉管理软州”。抖面如图4 所m ，谚软件必口 问信息采集、自动控制、报警卜体。 睁晕譬景4 考器0 诤 昆酉l 目4 农自自灌溉昔口# * 界自 F i9 4M a n a g e m e n ts o t t o f a t lcim g a d n n 4 试验与分析 1 ) 应用M A T L A B 软什对自动邋溉系统进行仿直， 系统响应结粜如图5 所示可知系统盘4 0S 左右后稳定 控制性能好。 困5 模糊控 n 8 # 真镕 F ig5 S im u la t io no f lh e 一c o n t r o lle r 2 ) 根据某水稻基地2 0 0 5 年单季稻讣蘖期柏关数据 进行了模拟节水灌溉。单季水稻生长时问从5H 下旬至9 月下旬，韭汁1 2 7d 。其中分蘸期从0 5 2 8 0 7 0 5 ，合计 3 8d ，其问没有降雨景分蘖期间根深0 - 2 0c m ，最大 问持水最为2 4 。当年采崩人工定时控制滞溉，灌避 方式是，当现场观测的土壤水分在选到下限土壤含水牢 襄3 I 控制灌溉数据 T a b le3D a t ao f m lc o n t r o lim g a t lo n 时，灌水平r 限，浠水后r | I l不保御水层，蜜自灌溉的 数据撕l表3 所示。应用所编的软件系统模拟滟溉最统 相关参数取值是，土壤泓度变化率取05 得到的灌溉数 裤 自表4 所耵， 表4 横糊控$ 0 模拟灌溉数据 T a b ie4D a t eo fs im u la t e d f u r yc o n t | 。lit r i9 2 d o n 1 mt m m 0 53 】m6 8 m l0 q “M68 “*6s * 坍”nm w6s n 0 # m 6s 啦i5 0 q 自 64 0 6 m 0 十M ” “ ”M 1 2 0 7 m“ 1 4 A er”2 比较表3 、4 数拙可知，该系统其有比人T 控制更好 的节水效粜减少灌溉量约1 0 ： 5 结论 车立咀上壤含水率和水层作为水稻的自动灌溉指 标，应用模糊理论进市丁水稻自动灌溉模糊摔制系统， 为水稻的n 动灌溉提供r 一条心踌。初步试验结论： I ) 通过谢节r 壤含水牢和水层渫窿柬实砖水稻的自 动灌溉，符台水稻口水灌溉规律具有可行性：在丹蘖 期初步试验表明与人工控制灌溉相比，节约用水量1 0 左右： 2 ) 依据农业专家经验，以土壤含水率水层与设宅值 的差值及其变化率作为输入变量，灌溉时间作为输出量， 建立水稻口水灌溉模糊控制系统，通过M A T L A B 仿真结 粜表明，柠制稳定性好。 参考立】 】1道t 林j 华，朱庭甚，等水目节水灌溉技水研R 现 # r i& 趋势J 1 晕晴与作2 0 0 3 ( 5 k3 9 4 l C h iD a la iL inW c n h u aZ h uT in y u ne ta lC t c o n d it io na n dd e v e lo p m 舯tt e n d e n c yo fr ic es a v in gw a t e r m g a t io n J R e c la im in ga 1 1 d R ic e C u h iv a t io n2 0 0 3 ( 5 ) ：3 9 4 I ( in C h in e s e w it hE n g L is ha b s t r a c t ) 【2 】 章￥富- 薛峻崎- 胡剑非- 等tG P R S S M S # g C O S 的都市绿地精准灌溉拄制系统f 】1 农业T 程学报2 0 0 9 ， 2 5r z16 Z h a n g m m c h J H uJ if e i，da l C o n t ls y s t e mo f I I r b 皿口e 扎h a dp 州is io nm lg a t io nb c do nO P R S S M S d I _ _ C o s e m b e d d e dt h n o lo g y J T r M s a c “o n so ft h e C S A E 2 0 0 9 ，2 5 ( 9 ) _ I6 ( inC h in e s e w it hE n g lis h 曲s 口a c l) f 3 1K 伟，何自，袭军，辱基于无线传感月料与模糊控制 的精细灌溉系统蛳m 】牺【k t 程学报- 2 0 0 9 ，2 5 ( 1 0 ) ：7 Z h a n gW e i H eY o n g ，删uZ h e n g j 岫Ha l D e s ig ao f p r e c is io n lr r lg a t io ns y s t e mb as e d0 n w ir c I e s ss e n B o rn e t w o r k 第4 期 匡迎春等：模糊控制在水稻节水自动灌溉中的应用 2 1 a n df u z z yc o n t r o l J T r a n s a c t io no f t h eC S A E ，2 0 0 9 ，2 5 ( 1 0 ) ： 7 一1 1 f inC h in e s ew it hE n g lis ha b s t r a c t ) 4 】 俞双恩，缪子梅，邢文刚，等以农田水位作为水稻灌排 指标的研究进展叨灌溉排水学报，2 0 1 0 ，2 9 ( 4 ) ：1 3 4 1 3 6 Y uS h u a n g e n ，M ia oZ h im e i，X in gW e n g a n g ，e ta 1 R e s e a r c h a d v a n c eo nir r ig a t io n - d r a in a g ef o rr ic eb yu s in gf ie ldw a t e r le v e la sr e g u la t io nin d e x f 1 J o u r n a lo fI r r ig a t io na n dD r a in a g e ， 2 0 1 0 ，2 9 ( 4 ) ：1 3 4 1 3 6 ( inC h in e s ew it hE n g lis ha b s t r a c t ) 5 】邵东国，孙春敏，王洪强，等稻田水肥资源高效利用与 调控模拟 J 】农业工程学报，2 0 1 0 ，2 6 ( 1 2 ) ：7 2 7 8 S h a oD o n g g u o ，S u nC h u n m in ，W a n gH o n g q ia n g ，e ta 1 S im u la t io no nr e g u la t io nf o re f f ic ie n tu t iliz a t io no fw a t e ra n d f e r t iliz e rr e S O U r C e Sin p a d d yn e ld s J T r a n s a c t io no ft h e C S A E ，2 0 1 0 ，2 6 ( 1 2 ) ：7 2 7 8 ( in C h in e s ew it h E n g lis h a b s t r a c t ) 【6 】6孙国峰，张海林，徐尚起，等轮耕对双季稻田土壤结构 及水贮量的影响 J 】农业工程学报，2 0 1 0 ，2 6 ( 9 ) ：6 6 7 1 S u nG u o f e n g ，Z h a n gH a llin ，X uS h a n g q i，e ta 1 E f f e c t so f r o t a t io n a l t illa g et r e a t m e n t so ns o il s t r u c t u r ea n dw a t e r s t o r a g eind o u b ler ic ec r o p p in gr e g io n J T r a n s a c t io no ft h e C S A E ，2 0 1 0 ，2 6 ( 9 ) ：6 6 7 1 ( inC h in e s ew it hE n g lis ha b s t r a c t ) 7 】江明，陈其工，晏行芳基于模糊控制的精确灌溉系统叨 农业工程学报，2 0 0 5 ，2 1 ( 1 0 ) ：1 7 2 0 J ia n gM in g ，C h e nQ ig o n g ，Y a hX in g f a n g P r e c is io nir r ig a t io n s y s t e mb a s e do nf u z z yc o n t r o l J T r a n s a c t io n so ft h eC S A E ， 2 0 0 5 ，2 1 ( 1 0 ) ：1 7 2 0 ( inC h in e s ew it hE n g lis ha b s t r a c t ) 【8 杨世凤，王建新，周建军，等基于变量灌溉数学模型的决 策支持系统研究叨g 处lk - I - 程学报，2 0 0 5 ，2 1 ( 9 ) ：2 9 3 2 Y a n gS h if e n g ，W a n gJ ia n x in ，Z h o uJ ia n j u n ，e ta 1 D e c is io n s u p p o r ts y s t e mb a s e do nv a r ia b leir r ig a t io nm a t h e m a t ic a l m o d e l J T r a n s a c t io n so ft h eC S A E ，2 0 0 5 ，2 l- ( 9 ) ：2 9 3 2 f inC h in e s ew it llE n g lis ha b s t r a c t ) 9 】 刘大江，封金祥精准灌溉及其前景分析【J 】节水灌溉， 2 0 0 6 ( 1 ) , 4 3 4 4 L iuD a j ia n g ，F e n gJ in x ia n g T h ea n a ly f iso fp r e c is io n ir r ig a t io na n dit sp r o s p e c t J W a t e rS a v in gI r r ig a t io n , 2 0 0 6 ( 1 ) ：4 3 一“( inC h in e s ew it hE n g lis ha b s t r a c t ) 【1 0 1 迟道才，王宣，朱庭芸，等水稻节水高产灌溉模式及土 壤水分能量调控标准研究叨农业工程学报，2 0 0 1 ，1 7 ( 3 ) ： 5 9 6 4 C h i D a o c a i，W a n gX u a n ，Z h uT in g y u n , e ta 1 W a t e rs a v in g a n dh i【g hy ie ldir r ig a t io nm o d e lso fd e ea n ds o ilm o is t u r e p o t e n t ia lc o n t r o lc r it e r ia J T r a n s a c t io n so ft h eC S A E ，2 0 0 1 ， 1 7 ( 3 ) ：5 9 6 4 ( inC h in e s e 、) I ，it hE n g lis ha b s t r a c t ) 1 1 】孙莉，陈曦，王军，等精准农业种植中棉花膜下自动控 制滴灌系统的应用 J 】干旱区资源与环境，2 0 0 6 ，2 0 ( 1 ) ： 1 8 4 一1 8 9 S u nL i，C h e r tX i，W a n gJ u n ，o ta 1 T h ea p p lic a t io no f a u t o m a t icc o n t r o ls y s t e mf o rd r ipir r ig a t io nu n d e rp la s t icf ilm o nc o R o nf a r m in g J J o u r n a lo fA r idL a n dR e s o u r c ea n d E n v ir o n m e n t ，2 0 0 6 ，2 0 ( 1 ) ：1 8 4 1 8 9 ( inC h in e s ew it h E n g lis ha b s t r a c t ) 1 2 罗家兵，张恒农业温室二氧化碳模糊控制系统算法【J 】 广东农业科学，2 0 0 9 ( 5 ) ：2 2 1 - - 2 2 4 L u oJ ia b in g ，Z h a n gH e n g C a r b o nd io x id ec o n t r o lb a s e do n f u z z yc o n t r o ls y s t e ming r e e n h o u s eo fa g r ic u lt u r o J l】G u a n g D o n gA g r ic u lt u r a lS c ie n c e ，2 0 0 9 ( 5 ) ：2 2 1 - - 2 2 4 ( inC h in e s e w it hE n g lis ha b s t r a c t ) 【1 3 】怯肇乾，宋现超嵌入式模糊智能控制系统设计叨计算 机与数字工程，2 0 0 9 ，3 7 ( 6 ) ：1 6 7 1 7 2 K a iZ h a o q ia n ，S o n gX ia n c h a o D e s ig no ft h ee m b e d d e d c o n t r o l s y s t e ma b o u tf u z z yb r a in p o w e r J C o m p u t e ra n d D i百t a lE n g ln e e r in g ，2 0 0 9 ，3 7 ( 6 ) ：1 6 7 1 7 2 ( inC h in e s ew it h E n g lis ha b s t r a c t ) 1 4 】谭成明水稻灌溉用水量探讨【J 现代农业科技2 0 0 8 ， ( 2 1 ) ：2 11 - - 2 1 2 T a nC h e n g r n in g T h ed is c u s so ft h er ic eir r ig a t io nw a t e r c a p a c it y J M o d e mA g r ic u lt u r eS c ie n c ea n dT e c h n o lo g y ， 2 0 0 8 ，( 2 1 ) ：2 11 - - 2 1 2 ( inC h in e s ew it hE n g lis ha b s t r a c t ) A p p lic a t io no ff u z z yc o n t r o lt oa u t o m a t icw a t e r - s a v in gir r ig a t io no fr ic e K u a n gY in g c h u n l，S h e nY u e 2 ，D u a nJ ia n n a n 3 ，Y a oB a n g s o n 9 1 ( 1 C o lle g eo f E n g in e e r in g , H u n a nA g r ic u lt u r a lU n iv e r s it y ，C h a n g s h a4 1 0 1 2 8 ，C h in a ； 2 C o lle g eo f ln f o r m a t io nT e c h n o lo g y ，H u n a nA g r ic u lt u r a lU n iv e r s it y ，C h a n g s h a4 1 0 1 2 8 ，C h in a ； 3 C o lle g eo f R e s o u r c e sa n d E n v ir o n m e n t , H u n a n A g r ic u lt u r a lU n iv e r s it y ，C h a n g s h a4 1 0 1 2 8 ，C h in a ) A b s t r a c t ：T im e lya n dm o d e r a t ea u t o m a t icir r ig a t io nb a s e do nt h ew a t e rr e q u ir e m e n tle v e lo fr ic eisaw a t e r - s a v in ga n d e n e r g y e f f ic ie n tw a yt oin c r c a s et h ey ie lda n