大田智能灌溉系统的协同控制与优化

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1、学校代码：10255学号：2151152东华大学大田智能灌溉系统的协同控制与优化COORDINATIONCONTROLANDOPTIMIZATIONFORFIELDINTELLIGENTIRRIGATIONSYSTEM学院：信息科学与技术学院专业：控制科学与工程姓名：田运学号：2151152指导教师：丁永生教授、郝矿荣教授2018年1月大田智能灌溉系统的协同控制与优化摘要灌溉是农业生产中的重要环节，当前灌溉系统面临的问题在于普遍存在的粗放式农业灌溉与逐渐发展的精准农业灌溉需求之间的矛盾。粗放式农业灌溉对于灌溉过程的控制流程细节把握粗浅，多以经验为主

2、要参考施行灌溉，导致灌溉水资源浪费严重且整体利用率低下，而精准农业所要求的灌溉过程控制是基于灌溉渠道地理分布特征得到灌溉渠内水位波动的时滞特性，设计相应的控制算法，进而实现大时滞特性的灌溉系统的良好控制性能；同时，灌溉网络的拓扑结构优化以及网络内各个灌溉结点的水资源分配优化也是在灌溉系统下要考虑并解决的实际问题。本文在大田智能灌溉背景下对微观层面的灌溉过程控制以及宏观层面的灌溉网络拓扑结构优化、水资源分配优化完成了以下工作：（1）首先对灌溉过程建模，将描述灌溉过程的偏微分方程近似转换获得灌溉过程控制模型；分析所得的灌溉过程控制模型的时滞特性，针对这

3、一特性设计合理的预测控制方法，降低或克服大时滞导致的灌溉过程控制系统不稳定性；并且利用生物智能中涉及的内分泌激素调控机制，针对灌溉过程控制输出快速准确收敛至设定目标设计了基于激素超短反馈调控机制的非线性控制器，并讨论了以非线性控制函数的参数为变量的非线性函数控制输出的几种主要形式。仿真并验证以上设计所构成的智能预测控制算法（NUPC），讨论分析其在控制设定值波动变化与被控模型参数波动变化时的控制效果。（2）结合下丘脑-胰岛轴的神经-内分泌调控原理，提出并实现了I针对灌溉过程的协同控制算法。首先，从下丘脑的血糖感知机制出发，提出并实现了感知灌溉水量并

4、输出二级控制目标的第一级类神经智能反馈控制器；其后，受胰岛α细胞与β细胞之间存在的血糖协同调控机制启发，设计了对应于灌溉过程水量调控的两类协同控制仿生函数，由设计所得的拥有互相拮抗调控特性的协同控制仿生函数构成第二级内分泌协同控制器。仿真并验证以上设计所构成的基于下丘脑-胰岛轴血糖调控机制的协同控制算法（HPCOC），讨论分析其在控制设定值波动变化与被控模型参数波动变化时的控制效果。（3）将灌溉网络的优化问题拆分为两层，第一层为灌溉网络的拓扑结构优化问题，第二层为灌溉网络的水资源分配优化问题。结合灌溉网络的实际分布，针对拓扑结构优化层，加入了近邻搜

5、索变异算子，使得拓扑结构优化算法获得较好的局部搜索能力，并获得拓扑结构的最优解；其后，针对水资源分配优化层并结合灌溉需水情况，在水资源分配优化目标中加入罚函数以解决非充分灌溉条件下水资源分配问题无解、错解的情况。设计所得的两层优化网络构成了双层灌溉智能优化算法（DLIOA），该算法在灌溉网络结点的数量级不断增长的条件下，相较于多目标粒子群算法的时间效率而言，双层优化网络在时间效率上的表现较优。最后，本文梳理了研究过程，对研究内容和结果进行了总结，并根据研究现状探讨指出可进行深化研究的内容与领域，为后续的研究工作提供建议。关键词：灌溉过程，灌溉网络，

6、激素调控机制，协同控制，双层优化IICOORDINATIONCONTROLANDOPTIMIZATIONFORFIELDINTELLIGENTIRRIGATIONSYSTEMABSTRACTIrrigationprocessisasignificantlinkinthefieldofagriculture.Currently,themainquestionoftheirrigationsystemisthecontradictionbetweenthestraightforwardagriculturalirrigationmethodandthe

7、growingdemandofpreciseagricultureirrigation.Comparedwithpreciseagricultureirrigation,theroughirrigation’sstyleconsiderslessdetailsintheirrigationcontrolprocess,whichismainlydecidedbyhuman’sexperiences,andresultsinmorewaterresource’swasteandloweravailability.Thepreciseirrigatio

8、n’sstylerequiresacontrolalgorithmwhichisaimingtorealizeabette