精准灌溉方法及灌溉系统技术方案

本发明专利技术涉及农业灌溉领域，特别是一种基于最优控制算法的精准灌溉方法及灌溉系统。包括采集与农作物生产的相关参数；基于最优控制理论构建面向土壤

【技术实现步骤摘要】
精准灌溉方法及灌溉系统


[0001]本专利技术涉及农业灌溉领域，特别是一种基于最优控制算法的精准灌溉方法及灌溉系统。

技术介绍

[0002]水是保障国民经济与社会发展的重要基础资源。然而，近年来水资源安全问题日趋严重。尤其是我国作为一个农业大国，目前正处于产业化调整的关键阶段，农业与工业用水竞争的矛盾在所难免。而作为淡水消耗最多的农业灌溉，灌溉效率却不足40％。因此，寻求一种有效提高农业用水效率，实现精准灌溉的方法十分必要。
[0003]当土壤处于非饱和水分状态时，土壤与植物对水分运移的支配权是建立在土壤水吸力与植物根吸力的相互竞争关系之上的。水分的运移始终处于两种吸力的动态平衡当中。因此，综合考虑土壤
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植物系统的水分信息进行灌溉决策更具科学性。目前，国内外关于作物精准灌溉方法的研究多是基于选取合理的灌溉指标，该指标通常仅限于土壤或者植物单一对象的水分信息，具有较大的局限性。如测量某一深度土壤水分或者通过在土壤不同深度放置多个土壤传感器获取多点的土壤水分，显然现有的土壤传感技术势必会对作物原位土壤环境造成扰动，而且传感器探头的一致性也难以保证；对于植物水分信息的获取普遍做法是测量叶片水势、茎流速率等。但是，此类方法一般均会对植物的正常生长产生一定程度的影响，所获取的水分信息不具备代表性。可见，无创伤获取作物的土壤
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植物及其环境水分信息，结合作物生长阶段的特点，选取合理的灌溉指标是实现精准灌溉的基本前提。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种精准灌溉方法及灌溉系统，在不影响作物正常生产的前提下，无创伤采集作物根区不同深度剖面的土壤水分信息和作物茎水分信息；然后，根据作物不同生长阶段的需水特点，综合考虑土壤
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植物
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环境系统水分运移规律，利用最优控制理论综合决策得出最优灌溉指标，利用灌溉系统实现了作物的精准灌溉。
[0005]本专利技术的技术方案是：一种精准灌溉方法，其中，包括以下步骤：
[0006]S1.采集与农作物生产的相关参数，包括农田所处微气象信息、土壤环境信息、农作物的关键水分信息、地表水蒸发与下渗信息、灌溉水量；
[0007]S2.基于最优控制理论构建面向土壤
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植物
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环境连续体的水动力平衡关系模型，并结合步骤S1采集到的参数确定模型中的研究对象、状态变量、控制变量和外部扰动因素,其中状态变量包括地表水蒸发、下渗、根区土壤蓄水、作物茎流、作物茎水分、叶片蒸腾，控制变量包括灌溉水量，外部扰动因素包括温度、光照、风速、降雨数值；
[0008]S3.建立模型与参数的关系，确定最优灌溉决策和控制的目标函数，在一个有植被覆盖的、处于非饱和土壤水状态的农田中，所述土壤
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植物
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环境连续体的水动力平衡关系模型为
[0009][0010]其中，θ(t)为土壤含水量，q(t)为土壤水在x、y、z方向的三维水流通量，S(t)为源汇项，源汇项取决于植物根系对土壤水的吸收或者叶片水分蒸腾、以及土壤表层的水分蒸发，其中植物根系对土壤水的吸收或者叶片水分蒸腾由茎流参数体现，茎流参数由茎流传感器检测获得，土壤表层的水分蒸发由蒸渗仪检测获得，源汇项为两者之和；
[0011]在植物根区和根区外分别选取点，根区点的坐标为(x1,y1,z1)，根区外点的坐标为(x1,y1,z2)，在上述两点处分别放置土壤水分传感器，得到两个不同深度下的一维土壤水方程组
[0012][0013]其中，θz1、θz2为两个土壤水分传感器测得的土壤含水量，q
z1
、q
z2
为z向水流通量，S(z1,t)为源汇项；
[0014]灌溉阀门的开关决策函数为
[0015][0016]其中，threshold1与threshold2为根据具体约束条件确定的z向水流通量值q
z
所对应的土壤水含量值，将土壤水分传感器实时检测到的θz1值与threshold1对比，θz2与threshold2对比，根据公式(3)精准控制灌溉阀门的开停；
[0017]S4.根据实际需求选择不同的目标函数或是多目标函数，公式(3)中的threshold1与threshold2取决于公式(2)、目标函数和具体约束条件确定后系统方程的联合求解。
[0018]本专利技术中，所述状态变量与控制变量的限定约束条件为：(
ⅰ
)阀门流量Q有上界；(ii)土壤水变化以植物生长阻滞土壤含水量或植物萎蔫含水量为变量下界；(iii)土壤水变化以饱和土壤含水量或最大田间持水量为上界；
[0019]其中，(ii)中植物生长阻滞土壤含水量或植物萎蔫含水量的临界点来自植物茎水分信息。
[0020]步骤S4中，目标函数为减少根区以下土壤水渗漏的目标函数
[0021][0022]根据公式(4)求解得到保证土壤水渗漏最小时的q
z2
值，将q
z2
带入公式(1)中得到相应的threshold2值，将实际检测到的θz2与threshold2对比，根据公式(3)控制是否开停灌溉阀门。
[0023]本专利技术还包括一种精准灌溉系统，精准灌溉系统包括水管，水管的进水口处设有电磁阀，电磁阀处设有流量计，其中，还包括茎水分传感器、茎流传感器、三深度水分传感器、电磁阀、蒸渗仪、微气象站和主控制箱，茎水分传感器和茎流传感器固定在作物茎秆处，三深度水分传感器位于作物根区土壤内，蒸渗仪位于作物根区土壤的下方，茎水分传感器、
茎流传感器、三深度水分传感器、电磁阀、电磁阀处的流量计、蒸渗仪、微气象站分别与主控制箱连接；
[0024]所述茎水分传感器包括信号调理电路板和传感器探头支撑机构，信号调理电路板与传感器探头支撑机构电连接，传感器探头支撑机构包括作物茎秆固定滑块、滑块滑动支撑杆、传感器探头支撑块、传感器探头，作物茎秆固定滑块和传感器探头支撑块之间呈相对设置，且作物茎秆固定滑块和传感器探头支撑块之间通过滑块滑动支撑杆滑动连接，滑动支撑杆的一端与传感器探头支撑块固定连接，作物茎秆固定滑块滑动套在滑块滑动支撑杆的外侧；
[0025]所述作物茎秆固定滑块内设有用于固定作物茎秆的作物茎秆插孔，传感器探头支撑块朝向作物茎秆固定滑块的一侧设有传感器探头，传感器探头滑动设置在传感器探头支撑块内，传感器探头与信号调理电路板电连接，传感器探头与作物茎秆接触，传感器探头支撑块内还设有传感器支撑杆插孔，传感器支撑杆插孔内设有用于固定传感器探头支撑块的插杆；
[0026]所述三深度土壤水分传感器包括PVC连接杆，PVC连接杆的头部设有PVC锥头，沿PVC连接杆的高度方向间隔设置三组不同深度的土壤水分传感器电极，土壤水分传感器电极分别通过同轴电缆与信号处理电路连接。
[0027]所述作物茎秆位于作物茎秆插孔内，作物茎秆插孔处设有茎秆紧固螺丝，旋紧茎秆紧固本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种精准灌溉方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.采集与农作物生产的相关参数，包括农田所处微气象信息、土壤环境信息、农作物的关键水分信息、地表水蒸发与下渗信息、灌溉水量；S2.基于最优控制理论构建面向土壤
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植物
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环境连续体的水动力平衡关系模型，并结合步骤S1采集到的参数确定模型中的研究对象、状态变量、控制变量和外部扰动因素,其中状态变量包括地表水蒸发、下渗、根区土壤蓄水、作物茎流、作物茎水分、叶片蒸腾，控制变量包括灌溉水量，外部扰动因素包括温度、光照、风速、降雨数值；S3.建立模型与参数的关系，确定最优灌溉决策和控制的目标函数，在有植被覆盖的、处于非饱和土壤水状态的农田中，所述土壤
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植物
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环境连续体的水动力平衡关系模型为其中，θ(t)为土壤含水量，q(t)为土壤水在x、y、z方向的三维水流通量，S(t)为源汇项，源汇项取决于植物根系对土壤水的吸收或者叶片水分蒸腾、以及土壤表层的水分蒸发，其中植物根系对土壤水的吸收或者叶片水分蒸腾由茎流参数体现，茎流参数由茎流传感器检测获得，土壤表层的水分蒸发由蒸渗仪检测获得，源汇项为两者之和；在植物根区和根区外分别选取点，设根区点的坐标为(x1,y1,z1)，根区外点的坐标为(x1,y1,z2)，在上述两点处分别放置土壤水分传感器，得到两个不同深度下的一维土壤水方程组其中，为两个土壤水分传感器测得的土壤含水量，q
z1
、q
z2
为z向水流通量，S(z1,t)为源汇项；灌溉阀门的开关决策函数为其中，threshold1与threshold2为根据具体约束条件确定的z向水流通量值q
z
所对应的土壤水含量值，将土壤水分传感器实时检测到的值与threshold1对比，与threshold2对比，根据公式(3)控制灌溉阀门的开停；S4.根据实际需求选择不同的目标函数或是多目标函数，公式(3)中的threshold1与threshold2取决于公式(2)、目标函数和具体约束条件确定后系统方程的联合求解。2.根据权利要求1所述的精准灌溉方法，其特征在于，所述状态变量与控制变量的限定约束条件为：(
ⅰ
)阀门流量Q有上界；(ii)土壤水变化以植物生长阻滞土壤含水量或植物萎蔫含水量为变量下界；(iii)土壤水变化以饱和土壤含水量或最大田间持水量为上界；其中，(ii)中植物生长阻滞土壤含水量或植物萎蔫含水量的临界点来自植物茎水分信息。3.根据权利要求1所述的精准灌溉方法，其特征在于，步骤S4中，目标函数为减少根区
以下土壤水渗漏的目标函数根据公式(4)求解得到保证土壤水渗漏最小时的q
z2
值，将q
z2
带入公式(1)中得到相应的threshold2值，将实际检测到的与threshold2对比，根据公式(3)控制是否开停灌溉阀门。4.一种利用权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：员玉良，徐鹏飞，马德新，盛文溢，
申请(专利权)人：青岛农业大学，
类型：发明
国别省市：