Page 5 - Biosystems Engineering

iv Co n t e n t s

2.4 System Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.4.1 Excitation Experiments . . . . . . . . . . . 59
2.4.2 Evaluating Experimental Data . . . . . 60
2.4.3 Estimating Nonlinearities . . . . . . . . . . 62
2.4.4 Parameter Estimation . . . . . . . . . . . . . 64
2.5 Feedback Controller Design . . . . . . . . . . . . . . 67
2.5.1 Feedback Control Structure . . . . . . . . 67
2.5.2 Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.5.3 Loop-Shaping Controller Design . . . 69
2.5.4 Controller Design Example: Depth
Control for Slurry Injection . . . . . . . . . 73
2.6 Nonlinear Optimization Example: Cruise
Control on a Combine Harvester . . . . . . . . . . 75
2.6.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.6.2 System Description . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.6.3 Control Objective . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.6.4 System Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.6.5 Nonlinear MPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.6.6 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . 86
2.6.7 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3 Soil and Water Conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.2 Hydrological Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.3 Precipitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.3.1 Rainfall Measurement . . . . . . . . . . . . . 97
3.3.2 Mean Areal Rainfall Depth . . . . . . . . . 98
3.4 Evaporation and Evapotranspiration . . . . . . . 99
3.4.1 Some Relevant Concepts and
Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.4.2 Energy Balance Method for
Estimating Evaporation . . . . . . . . . . . . 101
3.4.3 Dalton’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.4.4 Pan Evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.4.5 Evapotranspiration . . . . . . . . . . . . . . . 103

3.5 Infiltration and Runoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.5.1 Infiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

3.5.2 Runoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.5.3 SCS Curve Number Method . . . . . . . 108
3.5.4 Rational Method . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.6 Soil Erosion and Sediment Transport . . . . . . . 110
3.6.1 Mechanics of Soil Detachment
and Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110