[發(fā)明專利]一種基于模糊控制的物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉施肥控制方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410512737.1
• 申請日: 2014-09-29
• 公開（公告）號: CN104460582B
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王永濤;張和喜;楊靜;雷薇;周琴慧
• 申請（專利權(quán)）人: 貴州省水利科學(xué)研究院
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418
• 代理公司: 北京聯(lián)創(chuàng)佳為專利事務(wù)所(普通合伙)11362
• 代理人: 郭防

1.一種基于模糊控制的物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉施肥控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)數(shù)據(jù)采集與處理：根據(jù)作物的需水規(guī)律和施肥配方，以及采集的土壤溫濕度、土壤養(yǎng)分、空氣溫濕度、風(fēng)速、雨量、流量、水池水位和管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)，來設(shè)定土壤濕度、土壤養(yǎng)分和水池水位的限值以及灌溉施肥計劃時間，并存入數(shù)據(jù)庫中；

(2)智能控制：讀取數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)數(shù)據(jù)，采用模糊控制算法和水肥耦合模型對灌溉片區(qū)的灌溉閥門和施肥閥門進行智能控制；通過比較當(dāng)前水池水位與設(shè)定的水池水位的限值，來對灌溉片區(qū)的水泵的啟停進行智能控制；通過比較灌溉管網(wǎng)的壓力實測值與管網(wǎng)限值，采用PID控制算法對灌溉片區(qū)的水泵進行調(diào)速控制；

所述模糊控制算法具體為：將土壤濕度的誤差和濕度誤差的變化分別作為二維模糊控制器的輸入和輸出變量，通過傳感器獲取濕度值并計算后，根據(jù)模糊控制規(guī)則進行模糊推理，最終得出模糊隸屬函數(shù)，得到合適的灌溉時間作為輸出量，實現(xiàn)模糊控制灌溉；

其中，設(shè)置土壤當(dāng)前濕度值為r，作物當(dāng)前所需濕度值為y，則輸入變量誤差e＝r-y，誤差變化率ec＝de/dt；輸出變量為電磁閥打開時間t，設(shè)置e的基本論域為[-8％,8％]，ec為[-2％,2％],時間t為[0,30]；設(shè)置e、ec和t相應(yīng)的模糊變量分別為E、EC和T，E和EC的模糊集均為{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}，量化論域均為{-3,-2,-1,0,1,2,3}，T的模糊集為{0,PS,PM,PB}，量化論域為{0,1,2,3}，則量化因子分別為K1＝3/8＝0.375,K2＝3/2＝1.5，比例因子為K3＝30/3＝10；從而得到E、EC和T的模糊隸屬函數(shù)；

所述模糊控制規(guī)則由模糊條件ifandthen來表達，其中分別為E、EC、U的模糊子集；

所述水肥耦合模型具體為：

Q=0.46(1-x1)x1;]]>

式中，Q是需灌水量，單位是L；x1是目標(biāo)耦合濃度，單位是％；

若灌溉片區(qū)為水庫灌區(qū)，則采用灌溉管網(wǎng)輸配水模型對灌溉管網(wǎng)的輸送水進行控制，所述灌溉管網(wǎng)輸配水模型具體為：

(1)目標(biāo)函數(shù)

選取全灌區(qū)作物的總產(chǎn)值最高和全灌區(qū)年運行費最小作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，統(tǒng)一采用經(jīng)濟量作為目標(biāo)函數(shù)；

目標(biāo)函數(shù)1：以全灌區(qū)作物的總產(chǎn)值最高為目標(biāo)函數(shù)f₁(x_ij)；

f1(xij)=max{Σi=1N[Ymi·Πj=1K(xij·ηi+Rij+ΔSij-PERCij-GijETmij)λj·Ai·pi]};]]>

式中：N為子區(qū)域個數(shù)；K為階段數(shù)目；Y_mi為第i子區(qū)域的作物最大產(chǎn)量，kg/hm²；x_ij為決策變量，即水庫向第i子區(qū)域第j階段單位面積上的實際灌溉供水量，單位m³/hm²；η_i為從水庫輸送至第i子區(qū)域的灌溉水利用系數(shù)；R_ij為第i子區(qū)域第j階段的降雨量，單位mm；ΔS_ij為第i子區(qū)域第j階段的土壤儲水增量，單位mm；PERC_ij為第i子區(qū)域第j階段的滲漏量，單位mm；G_ij為第i子區(qū)域第j階段的地表徑流，單位mm；ET_mij為第i子區(qū)域第j階段的最大騰發(fā)量，單位mm；λ_j為作物不同階段缺水對產(chǎn)量的敏感指數(shù)；A_i為第i子區(qū)域作物灌溉面積，單位hm²；p_i為第i子區(qū)域作物價格，單位元/kg；

目標(biāo)函數(shù)2：以全灌區(qū)年運行費最小為目標(biāo)函數(shù)f₂(x_ij)；

f2(xij)=min{Σi=1NΣj=1K[M1(xij)+M2(xij)+M3(xij)]};]]>

式中：M₁、M₂和M₃分別為水庫、渠道以及泵站的年運行費，單位元；N為子區(qū)域個數(shù)；K為階段數(shù)；x_ij為決策變量，即水庫向第i子區(qū)域第j階段單位面積上的實際灌溉供水量，單位m³/hm²；

(2)約束條件：

①水庫庫容約束：第j階段的水庫庫容不能大于水庫的實際興利庫容；

0≤V_j≤V_實興；

式中：V_實興為扣除泥沙淤積的水庫的興利庫容，單位m³；

②水庫供水能力約束：第j階段水庫的實際供水量不能大于水庫的供水能力；

Σi=1N(xij·Ai)≤Vjm;]]>

式中：V_jm為第j階段水庫的供水能力，單位m³；

③渠系配水能力約束：第j階段水庫向第i子區(qū)域的供水量不能超過該區(qū)域渠道的輸水能力；

x_ij·A_i≤Cap_i；

式中：Cap_i為第i子區(qū)域渠道的輸水能力，單位m³；

④最佳水資源投入量約束：第i子區(qū)域第j階段的作物實際需水量要小于最大需水量；

ET_aij≤ET_mij；

⑤非負(fù)約束：決策變量要求非負(fù)；

x_ij≥0。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模糊控制的物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉施肥控制方法，其特征在于：若當(dāng)前土壤濕度、土壤養(yǎng)分和/或水池水位超過設(shè)定的限值，則進行超限報警，并對水泵啟停、調(diào)速以及閥門開閉進行控制。