苑立娟　汪濤

摘 要：本文旨在研究精確灌溉系統(tǒng)的控制策略，由于農(nóng)作物在灌溉需水量無法建立精確的數(shù)學模型，采用模糊控制技術，以人的經(jīng)驗和知識為依據(jù)并模仿人的思維方式和控制經(jīng)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(tǒng)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(fā)展指導計劃課題《干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)精確灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計》課題編號15ZN007

1 引言

傳統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的控制算法是建立在精確的數(shù)學模型的基礎之上，應用于節(jié)水灌溉系統(tǒng)時，難以達到節(jié)水的理想效果。由于作物灌溉需水量無法建立精確的數(shù)學模型，且節(jié)水灌溉系統(tǒng)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(jīng)驗和知識為依據(jù)知識為依據(jù)，模仿人的思維方式和控制經(jīng)驗來進行控制的一種技術，不需要建立相應的數(shù)學模型，比較適用于干旱地區(qū)的節(jié)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?！蹦：北取鼻逦彼鶕碛械男畔⑷萘扛?，內(nèi)涵更豐富，更符合客觀世界。人們常用的經(jīng)驗規(guī)則都是用模糊條件語句表達，對于農(nóng)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?？梢岳斫鉃椴僮魅藛T的控制規(guī)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(shù)學為基礎的。用模糊集合理論將專家知識或操作人員經(jīng)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(jīng)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(jù)，在設計中無需建立被控對象的精確數(shù)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(tǒng)的控制方法相比，模糊控制具有如下特點：1、控制系統(tǒng)的魯棒性強，對過程參數(shù)的變化不敏感，適應于解決常規(guī)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(tǒng)的設計是基于人類豐富的知識和經(jīng)驗，使用語言方法，不依賴于系統(tǒng)，不需建立精確的數(shù)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(jīng)驗，故能夠處理復雜的系統(tǒng)。4、語言變量代替常規(guī)的數(shù)學變量，形成專家系統(tǒng)知識庫，且控制方法簡單。5、模糊規(guī)則及合成推理是基于專家知識或操作者的成熟經(jīng)驗，通過經(jīng)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(guī)律、季節(jié)、氣候環(huán)境等一系列因素的影響，建立適應作物生長規(guī)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(jié)水灌溉系統(tǒng)的需求進行分析，得出模糊控制策略用在節(jié)水灌溉系統(tǒng)中是最佳選擇。

3 模糊控制系統(tǒng)的設計

農(nóng)業(yè)灌溉控制中，土壤溫濕度以及環(huán)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(zhí)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(xiàn)實世界中的精確數(shù)字量轉化為模糊系統(tǒng)的語言變量。它依賴于輸入量各模糊集合的隸屬函數(shù)，隸屬函數(shù)定義在輸入變量的有效范圍內(nèi)，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(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)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(jīng)過模糊化處理的輸入輸出值。模糊推理的主要作用是從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，然后將推出結果存入數(shù)據(jù)庫。

規(guī)則庫：模糊控制器的規(guī)則是基于知識或人們積累的經(jīng)驗，采用特定結構的表示形式，這些規(guī)劃組成的模糊控制器的知識庫。規(guī)則庫應該包含全部的模糊控制規(guī)則，模糊推理按照里面的規(guī)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(tǒng)的核心。它根據(jù)模糊化后的輸入，利用規(guī)則庫中的規(guī)則，由推理機經(jīng)模糊推理得到相應的模糊輸出。

解模糊：對于一個控制系統(tǒng)而言，最終要產(chǎn)生一個可以控制系統(tǒng)的確切信號，并達以對系統(tǒng)進行控制的目的。模糊推理產(chǎn)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(tǒng)能夠達到灌溉控制的要求。