本發(fā)明涉及一種基于廣義預(yù)測(cè)控制的灌溉系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

精細(xì)農(nóng)業(yè)是一種新型的田間管理方式，農(nóng)田中田間土壤、作物的特性都不是均一的，一般隨著時(shí)間、空間而變化，而傳統(tǒng)的農(nóng)田管理則認(rèn)為這些因素都是均一的，所以采用統(tǒng)一的施肥時(shí)間、施肥量以及灌溉處理。精細(xì)農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，主要有以下3個(gè)特點(diǎn)：1.合理施用化肥，降低生產(chǎn)成本；2.減少并節(jié)約水資源；3.節(jié)本增效，省工省時(shí)，優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)是精細(xì)農(nóng)業(yè)中一個(gè)重要的組成部分。

目前，許多研究人員設(shè)計(jì)了有效的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)：石建飛,曹洪軍,衣淑娟等在“基于plc的寒地水稻水肥一體化灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)”中設(shè)計(jì)了以plc為控制核心、通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻農(nóng)田的土壤水分、水位、設(shè)備工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析的系統(tǒng)，提高了灌溉和施肥的均勻性、及時(shí)性和簡(jiǎn)便性。魏義長(zhǎng),王振營(yíng),王同朝等在“土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”中利用擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的土壤水分傳感器、數(shù)據(jù)采集控制模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、管道流量計(jì)等硬件以及自己編制的土壤墑情監(jiān)測(cè)與精準(zhǔn)灌溉控制軟件,實(shí)現(xiàn)了節(jié)約用水、提高產(chǎn)量、改善作物品質(zhì)的效果。魏凱,安進(jìn)強(qiáng),賈曄等在“基于zigbee技術(shù)的恒壓灌溉系統(tǒng)研究”中基于zigbee技術(shù),采用hmi與plc交互平臺(tái)的模糊pid閉環(huán)控制系統(tǒng),研制了一種可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)精確控制灌溉水量和恒定管網(wǎng)壓力的滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)。shinjh,parkjs,sonje在estimatingtheactualtranspirationratewithcompensatedlevelsofaccumulatedradiationfortheefficientirrigationofsoillessculturesofpaprikaplants中記載了為無(wú)土栽培系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于plc的滴灌灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)考慮了光照、蒸騰作用以及排水系統(tǒng)等因素對(duì)無(wú)土栽培用水量的影響。上述的方案大多主要是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)土壤的濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，根據(jù)檢測(cè)的土壤濕度值實(shí)時(shí)地控制灌溉水量與時(shí)間，有的考慮了光照、蒸騰作用的影響，設(shè)計(jì)了更為精細(xì)的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，其節(jié)水效果較好。

現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案主要根據(jù)土壤濕度對(duì)水分進(jìn)行適量的補(bǔ)償，但鮮有研究考慮基于廣義預(yù)測(cè)控制的灌溉系統(tǒng)，導(dǎo)致自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的用水量與控制成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于廣義預(yù)測(cè)控制的灌溉系統(tǒng)，能夠在實(shí)現(xiàn)普通商業(yè)灌溉系統(tǒng)灌溉性能的同時(shí)，明顯地降低灌溉成本與控制成本。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于廣義預(yù)測(cè)控制的灌溉系統(tǒng)，包括事件產(chǎn)生模塊，所述的事件產(chǎn)生模塊包含兩個(gè)部分：事件檢測(cè)器與事件控制器，事件檢測(cè)器決定是否將新發(fā)生的事件通知控制器，事件控制器由一組廣義預(yù)測(cè)控制器組成，當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)新的事件時(shí)，根據(jù)時(shí)間點(diǎn)選擇其中一個(gè)廣義預(yù)測(cè)控制器。

進(jìn)一步地，事件產(chǎn)生模塊采樣溫室過(guò)程的輸出，采樣時(shí)間為tbase，如果采樣到控制行為，則根據(jù)事件發(fā)生的頻率調(diào)節(jié)變化的采樣時(shí)間tf；tf是tbase的倍數(shù)(tf＝ftbase,f∈[1,nmax])，且tf≤tmax，tmax＝nmaxtbase是最大的采樣時(shí)間值；事件產(chǎn)生模塊根據(jù)每個(gè)基本采樣周期監(jiān)控控制過(guò)程的輸出。

進(jìn)一步地，事件檢測(cè)器使用該信息驗(yàn)證溫室過(guò)程的輸出是否滿(mǎn)足一些指定條件，如果滿(mǎn)足了這些條件，則使用采樣周期tf產(chǎn)生一個(gè)事件，從而節(jié)約一次控制活動(dòng)；否則，僅在t＝t+tmax時(shí)產(chǎn)生一個(gè)控制活動(dòng)；基于變化的采樣時(shí)間tf計(jì)算控制活動(dòng)，因此使用一組gpc控制器，每個(gè)gpc控制器對(duì)應(yīng)一個(gè)采樣時(shí)間tf＝ftbase，f∈[1,nmax]。

進(jìn)一步地，控制過(guò)程使用gpc算法作為反饋控制器，使用一組gpc控制器，每個(gè)控制器對(duì)應(yīng)一個(gè)采樣時(shí)間tf，f∈[1,nmax]，該控制器集合中每個(gè)控制器通過(guò)使用對(duì)應(yīng)的離散時(shí)間模型實(shí)現(xiàn)經(jīng)典的gpc算法；gpc控制器的目標(biāo)是最小化多個(gè)階段的成本函數(shù)：

式中是在系統(tǒng)輸出預(yù)測(cè)之前最優(yōu)的j步，t為當(dāng)前時(shí)間，δu^f(t+j-1)是未來(lái)控制增量，w(t+j)是未來(lái)參考軌跡，包含采樣時(shí)間tf(t＝ktf,k∈z⁺)內(nèi)的所有信號(hào)；此外，調(diào)優(yōu)參數(shù)分別是最小預(yù)測(cè)水平、最大預(yù)測(cè)水平、控制水平、未來(lái)誤差、控制加權(quán)因子δ^f與λ^f；預(yù)測(cè)水平定義為與加權(quán)因子δ^f＝1；gpc的目標(biāo)是計(jì)算未來(lái)的控制序列即通過(guò)最小化j，推導(dǎo)出接近于w(t+j)的農(nóng)作物未來(lái)輸出y^f(t+j)。

進(jìn)一步地，通過(guò)事件產(chǎn)生器模塊管理事件的采樣，該模塊使用兩個(gè)不同的條件產(chǎn)生新的事件，如果一個(gè)條件變?yōu)閠rue，則產(chǎn)生一個(gè)新的事件，將過(guò)程的當(dāng)前信號(hào)傳輸至控制模塊，根據(jù)該信號(hào)計(jì)算一個(gè)新的控制活動(dòng)；

第一個(gè)條件使用蒸騰模型來(lái)決定事件的時(shí)間，且使用異步采樣；如果農(nóng)作物蒸騰的總量y(t)大于指定的閾值β，則產(chǎn)生一個(gè)新的事件，y(t)的計(jì)算方法如下所示：

式中是最后的事件ei產(chǎn)生的時(shí)間；如果y(t)超過(guò)β，則將其值設(shè)為0；如果丟失的總水量達(dá)到指定閾值β，則生成新的控制系統(tǒng)事件，顯然β值決定了本系統(tǒng)事件產(chǎn)生的頻率；

第二個(gè)條件是一個(gè)基于時(shí)間的條件，該條件用于提高穩(wěn)定性；該條件定義為兩個(gè)控制信號(hào)的計(jì)算時(shí)間差值，設(shè)為tmax：

使用最小的采樣時(shí)隙tbase檢查第二個(gè)條件，使用變化的采樣時(shí)間tf＝ftbase，f∈[1,nmax]對(duì)所有事件進(jìn)行檢查。

進(jìn)一步地，還包括信號(hào)重建與重新采樣技術(shù)：使用變化的采樣時(shí)間段tf決定一個(gè)新控制活動(dòng)，因此，為了實(shí)現(xiàn)gpc控制算法，過(guò)程變量的過(guò)去值與控制信號(hào)必須是可用的(采樣時(shí)間間隔為tf)，所以需要重建對(duì)應(yīng)的信號(hào)；

假設(shè)一個(gè)控制信號(hào)為ub，每隔tbase時(shí)間使用該變量來(lái)保存控制信號(hào)值；首先，計(jì)算所需的過(guò)去信息，更新信號(hào)ub；假設(shè)產(chǎn)生一個(gè)新的事件，導(dǎo)致一個(gè)新的采樣周期tf＝ftbase，因?yàn)槭褂胻base采樣ub的值，所以使用ub中過(guò)去f個(gè)值的平均值重建的過(guò)去值；

式中i＝pu,...,1，j＝k-1-(pu-i)f，與pu分別是u^f的過(guò)去值與所需的過(guò)去值數(shù)量；首先，根據(jù)ub中的過(guò)去值計(jì)算新采樣時(shí)間tf的過(guò)去信息，保存于一個(gè)變量中(設(shè)為)，使用該信息與過(guò)去的過(guò)程輸出數(shù)據(jù)(設(shè)為yf)計(jì)算新的控制活動(dòng)，通過(guò)保持兩個(gè)連續(xù)事件的常量值來(lái)更新ub信號(hào)，u^f(tf)＝u^b(k)；

根據(jù)上述基于事件的gpc工作原則，使用異步采樣監(jiān)控的過(guò)程輸出變量，為了恢復(fù)兩個(gè)連續(xù)事件之間的信息，采用拉格朗日公式方法重建該信。

本發(fā)明所達(dá)到的有益效果是：

本發(fā)明使用事件產(chǎn)生器管理gpc控制器，根據(jù)控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的激活頻率。不同天氣條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本控制系統(tǒng)減少了控制成本、提高了控制精度。與普通的on/off控制器相比，本控制系統(tǒng)可在保持與之接近的灌溉性能的情況下，減少20％的用水量。

附圖說(shuō)明

附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是控制器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2本發(fā)明控制系統(tǒng)在晴天天氣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

圖3是本發(fā)明控制系統(tǒng)在多云天氣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

圖4是本普通溫室灌溉系統(tǒng)的結(jié)果；

圖5是本控制系統(tǒng)第6天的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

一種基于廣義預(yù)測(cè)控制的灌溉系統(tǒng)，包括事件產(chǎn)生模塊，所述的事件產(chǎn)生模塊包含兩個(gè)部分：事件檢測(cè)器與控制器。事件檢測(cè)器決定是否將新發(fā)生的事件通知控制器，控制器由一組gpc(廣義預(yù)測(cè)控制)控制器組成，當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)新的事件時(shí)，根據(jù)時(shí)間點(diǎn)選擇其中一個(gè)gpc控制器。圖1所示是控制器的完整結(jié)構(gòu)，包含了處理器、執(zhí)行器、控制器與事件產(chǎn)生器。本控制器的設(shè)計(jì)思想如下所示：

1.事件產(chǎn)生器模塊采樣溫室過(guò)程的輸出，采樣時(shí)間為tbase，如果采樣到控制行為，則根據(jù)事件發(fā)生的頻率調(diào)節(jié)變化的采樣時(shí)間tf。

2.tf是tbase的倍數(shù)(tf＝ftbase,f∈[1,nmax])，且tf≤tmax，tmax＝nmaxtbase是最大的采樣時(shí)間值。

3.事件產(chǎn)生模塊根據(jù)每個(gè)基本采樣周期(tbase)監(jiān)控控制過(guò)程的輸出。檢測(cè)模塊使用該信息驗(yàn)證溫室過(guò)程的輸出是否滿(mǎn)足一些指定條件，如果滿(mǎn)足了這些條件，則使用采樣周期tf產(chǎn)生一個(gè)事件，從而節(jié)約一次控制活動(dòng)；否則，僅在t＝t+tmax時(shí)產(chǎn)生一個(gè)控制活動(dòng)。

4.基于變化的采樣時(shí)間tf計(jì)算控制活動(dòng)，因此使用一組gpc控制器，每個(gè)gpc控制器對(duì)應(yīng)一個(gè)采樣時(shí)間tf＝ftbase，f∈[1,nmax]。

廣義預(yù)測(cè)控制算法

本控制過(guò)程使用gpc算法作為反饋控制器。使用一組gpc控制器，每個(gè)控制器對(duì)應(yīng)一個(gè)采樣時(shí)間tf，f∈[1,nmax]，該控制器集合中每個(gè)控制器通過(guò)使用對(duì)應(yīng)的離散時(shí)間模型實(shí)現(xiàn)經(jīng)典的gpc算法。gpc控制器的目標(biāo)是最小化多個(gè)階段的成本函數(shù)：

式中是在系統(tǒng)輸出預(yù)測(cè)之前最優(yōu)的j步，t為當(dāng)前時(shí)間，δu^f(t+j-1)是未來(lái)控制增量，w(t+j)是未來(lái)參考軌跡，包含采樣時(shí)間tf(t＝ktf,k∈z⁺)內(nèi)的所有信號(hào)。此外，調(diào)優(yōu)參數(shù)分別是最小預(yù)測(cè)水平、最大預(yù)測(cè)水平、控制水平、未來(lái)誤差、控制加權(quán)因子δ^f與λ^f。預(yù)測(cè)水平定義為與加權(quán)因子δ^f＝1。gpc的目標(biāo)是計(jì)算未來(lái)的控制序列即通過(guò)最小化j，推導(dǎo)出接近于w(t+j)的農(nóng)作物未來(lái)輸出y^f(t+j)。

基于事件的信號(hào)采樣

從圖1可看出通過(guò)事件產(chǎn)生器模塊管理事件的采樣，該模塊使用兩個(gè)不同的條件產(chǎn)生新的事件，如果一個(gè)條件變?yōu)閠rue，則產(chǎn)生一個(gè)新的事件，將過(guò)程的當(dāng)前信號(hào)傳輸至控制模塊，根據(jù)該信號(hào)計(jì)算一個(gè)新的控制活動(dòng)。

第一個(gè)條件使用蒸騰模型來(lái)決定事件的時(shí)間，且使用異步采樣。如果農(nóng)作物蒸騰的總量y(t)大于指定的閾值β，則產(chǎn)生一個(gè)新的事件，y(t)的計(jì)算方法如下所示：

式中是最后的事件ei產(chǎn)生的時(shí)間。如果y(t)超過(guò)β，則將其值設(shè)為0。如果丟失的總水量達(dá)到指定閾值β，則生成新的控制系統(tǒng)事件，顯然β值決定了本系統(tǒng)事件產(chǎn)生的頻率。

第二個(gè)條件是一個(gè)基于時(shí)間的條件，該條件用于提高穩(wěn)定性。該條件定義為兩個(gè)控制信號(hào)的計(jì)算時(shí)間差值，設(shè)為tmax：

使用最小的采樣時(shí)隙tbase檢查第二個(gè)條件，使用變化的采樣時(shí)間tf＝ftbase，f∈[1,nmax]對(duì)所有事件進(jìn)行檢查。

信號(hào)重建與重新采樣技術(shù)

如上文描述，使用變化的采樣時(shí)間段tf決定一個(gè)新控制活動(dòng)，因此，為了實(shí)現(xiàn)gpc控制算法，過(guò)程變量的過(guò)去值與控制信號(hào)必須是可用的(采樣時(shí)間間隔為tf)，所以需要重建對(duì)應(yīng)的信號(hào)。

過(guò)去控制信號(hào)的重建

假設(shè)一個(gè)控制信號(hào)為ub，每隔tbase時(shí)間使用該變量來(lái)保存控制信號(hào)值。首先，計(jì)算所需的過(guò)去信息，更新信號(hào)ub。假設(shè)產(chǎn)生一個(gè)新的事件，導(dǎo)致一個(gè)新的采樣周期tf＝ftbase，因?yàn)槭褂胻base采樣ub的值，所以使用ub中過(guò)去f個(gè)值的平均值重建的過(guò)去值。

式中i＝pu,...,1，j＝k-1-(pu-i)f，與pu分別是u^f的過(guò)去值與所需的過(guò)去值數(shù)量。首先，根據(jù)ub中的過(guò)去值計(jì)算新采樣時(shí)間tf的過(guò)去信息，保存于一個(gè)變量中(設(shè)為)，使用該信息與過(guò)去的過(guò)程輸出數(shù)據(jù)(設(shè)為yf)計(jì)算新的控制活動(dòng)，通過(guò)保持兩個(gè)連續(xù)事件的常量值來(lái)更新ub信號(hào)，u^f(tf)＝u^b(k)。

過(guò)程輸出的重建

根據(jù)上述基于事件的gpc工作原則，使用異步采樣監(jiān)控的過(guò)程輸出變量，為了恢復(fù)兩個(gè)連續(xù)事件之間的信息，本文采用拉格朗日公式方法^[11]重建該信息。

結(jié)果

仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件

仿真研究使用圖1的溫室灌溉系統(tǒng)與2016春季的氣象資料，為了獲得可靠的數(shù)據(jù)，在天氣條件不同的10天內(nèi)測(cè)試所有的控制系統(tǒng)。使用pwm技術(shù)驅(qū)動(dòng)電磁on/off，將控制器的連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為寬度變化的脈沖，脈沖的寬度由控制信號(hào)決定，范圍為0％～100％，將pwm的調(diào)制頻率設(shè)為0.02hz。

模型參數(shù)的設(shè)置

控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中首先要捕獲過(guò)程的動(dòng)態(tài)，所以選擇期望操作點(diǎn)附近的變量進(jìn)行幾組實(shí)驗(yàn)。灌溉過(guò)程描述為積分過(guò)程，如下所示：g(s)＝0.005/s。本灌溉過(guò)程控制的gpc參數(shù)設(shè)為以下的值：控制水平設(shè)為nu＝5，預(yù)測(cè)水平設(shè)為n2＝15，通過(guò)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)控制信號(hào)的加權(quán)參數(shù)λ，將λ設(shè)為5來(lái)獲得期望的控制系統(tǒng)性能。gpc控制器的最小采樣間隙設(shè)為5分鐘。

為了分析控制系統(tǒng)的性能，對(duì)5分鐘采樣時(shí)間的普通on/off控制器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采用絕對(duì)積分誤差(iae)決定每組配置參數(shù)的控制性能，：

該式計(jì)算了設(shè)定值與控制變量的誤差。該指標(biāo)廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)中，用水量wu定義為：1m²區(qū)域灌溉的總用水量，事件指標(biāo)定義為：每組配置參數(shù)產(chǎn)生的事件數(shù)量。

首先，分析控制系統(tǒng)的采樣時(shí)隙對(duì)性能的影響，將β變量設(shè)為以下幾個(gè)值：β＝{0,0.1,0.5,0.75,1,1,5,2,2.5}。β＝0的配置對(duì)應(yīng)于經(jīng)典的系統(tǒng)，其過(guò)程輸出為固定的采樣時(shí)隙(5分鐘)。對(duì)于其他的β值，因?yàn)楫惒降赜|發(fā)控制器，所以是基于事件的系統(tǒng)，事件邏輯的寬度值對(duì)事件產(chǎn)生模塊觸發(fā)的事件數(shù)量具有直接的影響，并且決定了控制系統(tǒng)的性能。寬度值越小，事件數(shù)量越高，控制性能越好；否則，事件數(shù)量越低，控制系統(tǒng)的性能越差。β值決定了控制成本與控制性能，因?yàn)閛n/off控制器是溫室灌溉系統(tǒng)使用最為廣泛的控制器，所以同時(shí)對(duì)on/off控制器進(jìn)行了仿真。

表2所示是不同配置的控制性能指標(biāo)，可看出β＝0獲得了最優(yōu)的控制性能，但該配置的控制成本是其中最高的。本系統(tǒng)有六組配置的性能優(yōu)于on/off控制器，并且wu值降低了10％，明顯地降低了用水量。表2顯示使用較大的寬度值可明顯地減少控制系統(tǒng)的成本，但同時(shí)降低了控制的精度，所以必須在兩者之間進(jìn)行權(quán)衡。對(duì)于溫室灌溉系統(tǒng)，本控制系統(tǒng)的控制精度高于on/off控制器，且控制成本亦較低，本系統(tǒng)基于事件采樣實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)，所以本系統(tǒng)優(yōu)于on/off控制器。

本控制器使用β＝1.5獲得了與on/off控制器相同的控制性能，兩者的iae分別等于14.5與14.6。本系統(tǒng)的控制成本為wu＝27.11，比on/off控制系統(tǒng)降低了約20％的用水量。因?yàn)閛n/off控制器已經(jīng)完全滿(mǎn)足了當(dāng)前溫室灌溉應(yīng)用的需求，所以本系統(tǒng)選擇β＝1.5進(jìn)行后續(xù)的分析。

表2不同配置的控制性能指標(biāo)

圖2與圖3分別是本控制系統(tǒng)(β＝1.5)對(duì)于實(shí)驗(yàn)第2與9天的結(jié)果。圖2顯示了本控制器對(duì)于晴天的控制性能，晴天導(dǎo)致蒸騰作用劇烈，作物需水量提高，導(dǎo)致供水閥的控制信號(hào)變化劇烈，且事件-產(chǎn)生器頻繁地觸發(fā)事件。圖中可看出土壤的濕度始終保持設(shè)定值，當(dāng)蒸騰作用發(fā)生變化時(shí)控制器才激活。

圖3顯示了本控制器(β＝1.5)對(duì)于多云天氣的控制性能。因?yàn)檎趄v作用降低，所以這一天的需水量降低，導(dǎo)致供水閥的控制信號(hào)變化頻率較低，事件產(chǎn)生器產(chǎn)生事件的頻率明顯降低。比較第二與第九天的控制信號(hào)，可看出本控制器可根據(jù)實(shí)際的需求調(diào)節(jié)所需的控制成本，該特點(diǎn)在溫室灌溉系統(tǒng)中特別重要，該特點(diǎn)可減少用水量，降低溫室的維護(hù)成本。

圖2本控制系統(tǒng)在晴天天氣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：(a)光輻射強(qiáng)度的變化曲線(xiàn)(b)蒸騰水量的變化曲線(xiàn)(c)濕度的變化曲線(xiàn)(d)水控制閥的變化曲線(xiàn)(e)控制系統(tǒng)事件的變化曲線(xiàn)

圖3本控制系統(tǒng)在多云天氣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：(a)光輻射強(qiáng)度的變化曲線(xiàn)(b)蒸騰水量的變化曲線(xiàn)(c)濕度的變化曲線(xiàn)(d)水控制閥的變化曲線(xiàn)(e)控制系統(tǒng)事件的變化曲線(xiàn).

實(shí)驗(yàn)評(píng)估

統(tǒng)計(jì)5月4號(hào)到10號(hào)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因?yàn)樘鞖廨^暖，所以作物的產(chǎn)量與蒸騰量較高，導(dǎo)致供水量較高。

以分布式的方式實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的配置，溫室中設(shè)置了傳感器與執(zhí)行器，使用ni(國(guó)家儀器)的兼容-fieldpoint硬件來(lái)進(jìn)行感知與激活任務(wù)。每個(gè)兼容-fieldpoint單元裝備了ad(模數(shù)轉(zhuǎn)換)與da(數(shù)模轉(zhuǎn)換)模塊。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的pc中建立控制器節(jié)點(diǎn)，控制器節(jié)點(diǎn)使用基于labview的軟件執(zhí)行本控制器，編程環(huán)境為matlab2011b。為了便于實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)的所有節(jié)點(diǎn)通過(guò)一個(gè)專(zhuān)用的以太網(wǎng)連接。

開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)的第一步是抓取控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)，為了獲得動(dòng)態(tài)的過(guò)程響應(yīng)，對(duì)期望操作點(diǎn)周?chē)淖宰兞窟M(jìn)行幾組實(shí)驗(yàn)。將灌溉過(guò)程建模為線(xiàn)性規(guī)劃形式：g(s)＝0.0005/秒。因?yàn)檫^(guò)程是動(dòng)態(tài)的變化，將灌溉過(guò)程控制的gpc參數(shù)設(shè)置為以下的值：控制水平被設(shè)置為nu＝5，預(yù)測(cè)水平設(shè)為n2＝10(抓取主要的過(guò)程動(dòng)態(tài))，控制信號(hào)的權(quán)重因子λ設(shè)為2，拉格朗日公式的度設(shè)為2。gpc控制器設(shè)置7分鐘的采樣時(shí)間，所有分析中土壤濕度的設(shè)定值設(shè)為60％。根據(jù)上一節(jié)的實(shí)驗(yàn)，設(shè)置β＝1.5。

首先，使用廣泛使用的商業(yè)溫室灌溉系統(tǒng)^[12]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖4所示是具有代表性一天的溫室灌溉過(guò)程，圖中可看出，成功地將土壤濕度維持在期望值附近，使用一個(gè)固定的模式實(shí)現(xiàn)水的注入。商業(yè)的灌溉系統(tǒng)中，wd值是總用水量的20％左右，本控制方案明顯地降低了wd值。必須指出：通過(guò)調(diào)節(jié)β值可調(diào)節(jié)控制性能與控制成本之間的關(guān)系。

圖5中是本文控制系統(tǒng)第6天的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從控制信號(hào)的變化可看出蒸騰作用導(dǎo)致本控制器調(diào)節(jié)水的供應(yīng)量，蒸騰作用越高，供水量越高。因?yàn)楸究刂葡到y(tǒng)根據(jù)作物的真實(shí)需求調(diào)節(jié)供水量，所以減少了總用水量，同時(shí)，本控制系統(tǒng)維護(hù)的機(jī)制濕度更加接近于期望值，所以本控制系統(tǒng)的控制性能更好?？傮w而言，本控制系統(tǒng)提高了控制精度、降低了控制成本。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。