Управління вологозабезпеченістю сільськогосподарських рослин при підгрунтовому зволоженні на основі нечіткої логіки

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 631.432:626.86

Національний університет водного господарства та природокористування

УПРАВЛІННЯ ВОЛОГОЗАБЕЗПЕЧЕНІСТЮ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ РОСЛИН ПРИ ПІДГРУНТОВОМУ ЗВОЛОЖЕННІ НА ОСНОВІ НЕЧІТКОЇ ЛОГІКИ

Пастушенко В.Й.

Стеценко А.М.

Пропонується модель та технічна реалізація автоматизованої системи керування вологозабезпеченістю сільськогосподарських культур при підгрунтовому зволоженні з використанням методів нечіткої логіки.

A model and technical realization of the automated control system of water well being of agricultural cultures with the underground moistening by the use of fuzzy logic methods is proposed.

Процедура прийняття рішень при вирощуванні сільськогосподарських культур є складним завданням, зв`язаним з інтенсифікацією процесів, що відбуваються в умовах зрошення, стохастичним характером зміни погодних умов, просторовою розподіленістю та неповною інформацією про водно-фізичні та гідрологічні характеристики грунту. Постійно зростаюча вартість помилкових рішень вимагає вдосконалення методик розрахунку режимів зрошення і розробки нових програмно-технічних засобів їх автоматизації.

У публікації [1] розглянуті науково-методичні та організаційні засади з управління водогосподарсько-меліоративними об`єктами у зоні надлишкового та нестійкого зволоження України на рівнях стратегічного та тактичного планування на основі поєднання короткотермінового та довготермінового метеорологічних прогнозів. У роботах [2, 3, 4] розроблені методики розрахунку режимів управління рівнем ґрунтових вод (РГВ) при підгрунтовому зволоженні та технічні засоби для автоматизації таких режимів, однак не врахована поведінка системи в умовах невизначеності впливу випадкових зовнішніх факторів.

У роботі поставлена задача розробки алгоритму керування вологозабезпеченістю сільськогосподарських культур при підгрунтовому зволоженні з врахуванням стохастичних збурюючих факторів і технічна реалізація такої системи. Оскільки в описі системи присутня невизначеність, яка ускладнює застосування точних кількісних методів і підходів при її моделюванні і застосуванні класичних алгоритмів управління її параметрами, пропонується розробити алгоритм управління вологозабезпеченістю сільськогосподарських культур на базі нечіткої логіки, яка служить основою для реалізації методів нечіткого керування і дозволяє оперативно враховувати випадкові зміни зовнішніх факторів.

Структурну схему каскадно-комбінованої автоматизованої системи регулювання (АСР) вологості грунту за допомогою зміни рівня грунтових вод наведено на рис. 1. Внутрішнім контуром регулювання є контур регулювання рівня води у керуючому колодязі (об`єкт керування ОК1), а зовнішнім, задаючим, - контур регулювання вологості грунту, який призначений для можливості самонавчання системи у процесі функціонування [6]. Об`єкт керування ОК2 представляє собою ділянку грунту з колекторно-дренажною системою. Він представлений на схемі у вигляді двох ланок. Перша ланка ОК2.1 відображає колекторно-дренажну систему та насичену зону грунту і перетворює рівень води у керуючому колодязі у напір у дренажній системі, а напір - у РГВ Lгр.в.. Друга ланка ОК2.2 представляє собою ненасичену зону грунту і перетворює РГВ модульної ділянки у вологість кореневмісного шару грунтуW. На об`єкт керування ОК2 діють наступні збурення (F): 1-температура навколишнього середовища, 2-опади, 3-освітленість, 4-швидкість вітру, 5-відносна вологість повітря, 6-структура грунту, 7-фаза розвитку рослини. Збурення 1-5 постійно змінюються в часі, а збурення 6 і 7 є сталими на протязі певного достатньо великого проміжку часу. Крім того, величини збурень 1-5 можна передбачати з певною точністю на основі даних метеоспостережень. Для підвищення точності регулювання і рівня технічної експлуатації ОЗС необхідно врахувати вплив збурень на систему.

Рис. 1. Структурна схема каскадно-комбінованої автоматизованої системи регулювання вологості грунту за допомогою зміни рівня грунтових вод. вологозабезпеченість культура гідрорегулятор водоподача

Wз - задана вологість грунту; Wгр - реальна вологість грунту; EW = Wз - Wгр - різниця між заданою і реальною вологістю грунту; Lз - заданий рівень води у керуючому колодязі; L - реальний рівень води у керуючому колодязі; EL=Lз-L - різниця між заданим і реальним рівнем води у керуючому колодязі; Lгр.в. - рівень грунтових вод; F - збурення; PW - регулятор вологості грунту; PL - регулятор рівня води у керуючому колодязі; ВМ - виконавчий механізм; РО - регулюючий орган; ОК1 - об`єкт керування №1 (керуючий колодязь); ОК2 - об`єкт керування №2 (грунтовий масив); LE1 - давач рівня води у керуючому колодязі; ME1 - давач вологості грунту; ME2 - давач вологості повітря; TE - давач температури повітря; LE2 - опадомір; RE - давач освітленості; SE - давач швидкості вітру

У даній АСР сигнал керування зовнішнього регулятора корегується на основі даних про відносну вологість і температуру повітря, освітленість, швидкість вітру, кількість опадів та даних короткотермінового метеорологічного прогнозу.

Проведемо розрахунок режиму зволоження за допомогою методів нечіткої логіки для ґрунтів суглинистого і супіщаного механічного складу Рівненської дослідної сільськогосподарської станції, водно-фізичні характеристики яких наведені в [4]. Розрахунок заданого рівня ґрунтових вод на масиві виконаємо з наступними вхідними параметрами: температура повітря, відносна вологість повітря, кількість опадів, прогнозована кількість опадів (короткотерміновий метеорологічний прогноз). Для зменшення кількості нечітких лінгвістичних правил [5], за якими буде здійснюватися керування, згрупуємо 2 вхідні величини - температуру і відносну вологість повітря. Введемо проміжну змінну - дефіцит вологості повітря, який будемо визначати за формулою [1]:

, мм

де - відносна вологість повітря, %; - температура повітря, град. С; - емпіричний коефіцієнт, який має зональний характер і для зони достатнього та нестійкого зволоження України змінюється в межах від 0,90 до 1,10.

Отже, 4 вхідні параметри зведено до 3-х: дефіцит вологості повітря, кількість опадів та їх прогнозована кількість.

Проведемо фазифікацію вхідних параметрів, тобто встановимо відповідність між конкретним числовим значенням окремої вхідної змінної системи нечіткого виведення і значенням функції приналежності відповідного їй терму вхідної лінгвістичної змінної.

У якості терм-множини першої лінгвістичної змінної (дефіцит вологості повітря) будемо використовувати множину Т1={“дуже низький”, “низький”, “середній”, “високий”, “дуже високий”} або у символічному вигляді Т1={NB, NS, Z, PS, PB} з функціями приналежності, зображеними на рис. 2. У якості терм-множини другої лінгвістичної змінної (кількість опадів) будемо використовувати множину Т2={“дуже мала кількість опадів”, “невеликі опади”, “помірні”, “сильні”, “дуже сильні”} [1] або у символічному вигляді Т2={NB, NS, Z, PS, PB} з функціями приналежності, зображеними на рис. 3. У якості терм-множини третьої лінгвістичної змінної (прогнозована кількість опадів) будемо використовувати множину Т3={“дуже мала кількість опадів”, “невеликі опади”, “помірні”, “сильні”, “дуже сильні”} або у символічному вигляді Т3={NB, NS, Z, PS, PB} з функціями приналежності, зображеними на рис. 4. У якості терм-множини вихідної лінгвістичної змінної (заданий рівень ґрунтових вод на масиві від світлової поверхні ґрунту) будемо використовувати множину Т4={“дуже глибоко”, “велика глибина”, “глибина між великою і середньою”, “середня глибина”, “глибина між малою і середньою”, “мала глибина”, “дуже мала глибина”} або у символічному вигляді Т4={NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB} з функціями приналежності, зображеними на рис. 5. Обґрунтування конкретних значень РГВ для даних грунтів проведено за методикою [4].

Рис. 2. Функції приналежності змінної „дефіцит вологості повітря

Рис. 3. Функції приналежності змінної „кількість опадів”

Рис. 4. Функції приналежності змінної „прогнозована кількість опадів”

Рис. 5. Функції приналежності змінної „заданий РГВ на масиві”

Наведемо частину бази нечітких лінгвістичних правил у вигляді наступних таблиць.

Таблиця 1 База нечітких правил при прогнозуванні дуже малої кількості опадів або їх відсутності: is NB.

Таблиця 2 База нечітких правил при прогнозуванні невеликих опадів: is NS.

Таблиця 3 База нечітких правил при прогнозуванні дуже сильних опадів: is PB.

Як видно, таблиці 1-3 нечітких правил кардинально відрізняються. Це свідчить про необхідність використання короткотермінового прогнозу кількості опадів при складанні бази нечітких лінгвістичних правил. Врахування короткотермінового прогнозу опадів дозволить підвищити точність керування та зменшити енергозатрати.

Система нечіткого моделювання для визначення потрібного РГВ на модульній ділянці змодельована у пакеті Fuzzy Logic Toolbox середовища Matlab. Проведено порівняльний аналіз отриманих результатів з результатами експериментальних досліджень по керуванню вологістю кореневмісного шару грунту за допомогою зміни РГВ, які проводилися Пастушенком В.Й. на Рівненській дослідній сільськогосподарській станції за період з травня по вересень 1982 року. Моделювання проводилося для погодних умов вказаного періоду (рис. 6, 7).

При проведенні експериментальних досліджень РГВ змінювався в межах 0,8-1,1 м, що забезпечило оптимальну вологість в шарі грунту глибиною 0,1-0,3 м на протязі всього 54% вегетаційного періоду через відсутність врахування впливу випадкових погодних факторів. Аналіз результатів моделювання (рис. 8) показує, що підйом РГВ слід було виконувати якраз в періоди підвищення дефіциту вологості повітря, що дозволило б збільшити тривалість підтримання оптимального діапазону вологості в кореневому шарі грунту.

Рис. 6. Зміна кількості опадів в часі за дослідний період

Технічна реалізація АСР вологозабезпеченістю сільськогосподарських рослин за вказаною методикою можлива з використанням сучасних засобів вимірювання технологічних параметрів, контролерів та засобів телекомунікацій. Зокрема, для проточної системи водорегулювання пропонується використати регулятори дренажного стоку (РДС) та водоподачі (РВ) (рис. 9). РДС та РВ повинні бути оснащені мікропроцесорними модулями, які виконують наступні функції: вимірювання даних технологічних параметрів, розрахунок потрібного рівня грунтових вод, а, отже, і рівня води у керуючому колодязі за методикою, описаною вище, здійснення керуючого впливу на електромагнітний клапан 2 гідрорегулятора, передача даних про хід процесу на віддаль та прийом даних від диспетчера.

Рис. 7. Зміна дефіциту вологості в часі за дослідний період

Рис. 8. Зміна глибини РГВ експериментальна (а) та рекомендована без врахування прогнозу по опадах (б), з врахуванням прогнозу по опадах (в)

Для вимірювання даних основних технологічних параметрів пропонується використати наступні давачі: давач температури повітря Dallas DS18S20, давач вологості повітря Honeywell HIH-3610, давач швидкості вітру Fischer 451231, давач рівня опадів Fischer 441301, давач вологості грунту Honeywell ST015PV2SPCF, давач рівня води Freescale MPX2010GP. Мікропроцесорний модуль керування базується на 8-бітному RISC мікроконтролері ATmega 164P, до якого підключено LCD-дисплей і матрична клавіатура для налагодження та діагностики системи. Розроблену нечітку модель розрахунку рівня грунтових вод можна дослідити і перетворити у програмний код на одній з мов програмування з наступним записом у мікроконтролер у програмі fuzzyTECH фірми Inform Software Corporation. Блок керування гідрорегулятором відкриває та закриває запірний орган гідрорегулятора за допомогою електромагнітного клапану Buschjost 8240250, який являє собою бістабільний запірний орган і споживає енергію лише при переключенні. Для зв`язку між силовим колом соленоїда клапана та колом керування використовується твердотільне реле. Для зв`язку з диспетчерською використовується GSM-модем з інтерфейсом RS-232.

Рис. 9. Будова гідрорегуляторів водоподачі (а) та дренажного стоку (б): 1 - запірний орган; 2 - електромагнітний клапан; 3 - рівнемір; 4 - опадомір; 5 - давач вологості ґрунту; 6 - фільтр

Розроблена методика моделювання режиму РГВ при підгрунтовому зволоженні з використанням методів нечіткої логіки дозволяє керувати процесом вологозабезпечення сільськогосподарських культур з врахуванням стохастичних збурюючих факторів. Технічна реалізація такої системи керування можлива з використанням сучасних засобів автоматизації.

1. Науково-методичні та організаційні засади управління водогосподарсько-меліоративними об`єктами гумідної зони України за короткотерміновим метеорологічним прогнозом. Методичні рекомендації. / д. т. н. А.М. Рокочинський, Я.Я. Зубик, Л.В. Зубик, Є.І. Покладньов; за участю спеціалістів Держводгоспу України к. т. н. В.А. Сташук, В.Д. Крученюк. - НУВГП, Рівне, 2005, 53 с. 2. Тимчасові рекомендації по встановленню і експлуатації автоматичних гідрорегуляторів рівнів на осушувально-зволожувальних системах Західного Полісся (на прикладі Житомирської області). - НУВГП, Рівне, 2006, 20 с. 3. П.І. Коваленко, М.В. Яцик, В.Л. Поляков Управління вологозабезпеченістю сільськогосподарських культур на меліорованих землях з урахуванням динаміки факторів зовнішнього середовища. // Меліорація і водне господарство, 1996. Вип.. 82. 4. В.Й. Пастушенко, С.К. Матус, С.О. Терновцов Інформаційне забезпечення систем управління вологозабезпеченістю на осушувально-зволожувальних системах з підгрунтовим зволоженням. - Рівне, „Вісник НУВГП”, 2007. 5. А.В. Леоненков Нечёткое моделирование в среде Matlab и fuzzyTech. - Санкт Петербург, «БХВ-Петербург», 2005, 719 с. 6. Ричард К. Дорф, Роберт Х. Бишоп Современные системы управления. Перевод с англ. Б. И. Копылова. - Москва, «Лаборатория базовых знаний», 2004, 831 с.

Размещено на Allbest.ru