CN107203239B - 一种密闭畜禽养殖环境解耦模糊调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种密闭畜禽舍养殖环境解耦模糊调控方法，属于自动控制领域。包括温度模糊控制器、氨气模糊控制器和温湿度与氨气之间的解耦调控。所述的解耦模糊控制方法输入变量包括温度、湿度和氨气浓度，控制方法采用模糊控制，根据专家经验生成模糊控制规则，输出控制变量包括风机、加热器和加湿器。风机受湿度和氨气浓度控制，当湿度高于设定值时，风机受湿度控制，当湿度低于设定值时，风机受氨气浓度偏差和偏差变化率控制，加湿器受湿度控制，加热器受温度控制。当开启风机造成温度和湿度下降时，分别开启加热器和加湿器进行温度和湿度补偿，从而实现三个环境变量的解耦，使畜禽舍整体环境达到舒适状态。

Description

一种密闭畜禽养殖环境解耦模糊调控方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，具体涉及一种密闭畜禽养殖环境解耦模糊调控方法。

背景技术

养殖环境对畜禽生长发育起到至关重要的作用，且动物疫病的暴发和传播与养殖环境密切相关。适宜的生长环境可以有效提高畜禽的健康水平、繁殖能力以及肉品质量，同时可以减小疾病和疫病的发生与传播，因此营造适宜的养殖环境具有重要的意义。对于北方寒冷地区，畜禽舍一般采用密闭形式，而密闭的畜禽舍内环境非常恶劣，氨气、硫化氢、二氧化碳等有害气体严重超标，为了实现良好的养殖环境，需要对畜禽舍环境进行有效的调控。畜禽舍养殖环境是一个时变的、非线性的和滞后的多环境变量相互耦合的复杂的系统，对系统任一变量的控制，都可能引起其他变量状态的变化。由于畜禽舍内部环境的复杂性无法对其精确建模，因此模糊控制更适用于对养殖环境的调控。

发明专利“禽畜养殖环境调控装置”(授权公告号：CN101650574B)，公开了一种禽畜养殖环境调控装置，该装置采用模糊控制，主要设计了温度模糊控制器，通过控制风机和雾化器来降低温度，而没有考虑到温度和湿度、氨气之间的耦合关系。

发明内容

本发明针对以上不足之处，提供了一种温度、湿度和氨气浓度解耦的模糊调控方法，其技术方案如下：

一种密闭畜禽养殖环境解耦模糊调控方法，包括温湿度、氨气解耦模糊控制器和配合所述控制器工作的其他系统或装置，具体包括数据采集系统、无线数据传输系统、控制系统和上位机软件系统；

所述的数据采集系统主要包括温度传感器、湿度传感器、氨气传感器、微处理器、存储器等，所述的无线数据传输系统主要包括ZigBee射频模块、DTU和微处理器，控制系统主要包括继电器、风机、加热器、变频器和送风管道、工业雾化加湿器，上位机软件系统主要负责信息的接收、存储、分析和处理，其中模糊调控算法在上位机系统中实现；

所述的解耦模糊调控方法工作流程为：安装在畜禽舍内的数据采集系统将采集的温度、湿度和氨气浓度信息通过无线数据传输系统传输给上位机软件系统，上位机软件系统根据采集的环境参数和环境解耦模糊调控算法，生成环境调控指令，然后将调控指令通过无线数据传输系统传送给控制系统，控制相应的调控设备工作，从而对畜禽舍环境起到调节的作用。

所述的温湿度、氨气解耦模糊控制器主要包括温度模糊控制器、通风模糊控制器、湿度控制器以及温度和湿度的解耦控制部分，模糊控制器采用二维结构，输入为偏差和偏差变化率，输出为控制变量；首先根据养殖对象所需的适宜环境参数标准设置模糊控制器输入的物理论域，环境参数包括温度、湿度和氨气浓度，各个参数使用相同的模糊论域，偏差E的模糊论域为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，对应的模糊集合为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，偏差变化率Ec的模糊论域{-2,-1,0,1,2}，对应的模糊集合为{NB,NS,ZO,PS,PB}，根据物理论域和模糊论域计算不同环境变量的量化因子，对环境变量进行模糊化，输出控制变量的模糊论域为{0,1,2,3}，对应的模糊集合为{ZO,PS,PM,PB}，模糊控制规则如下表所示：

根据不同控制变量物理论域和模糊论域计算得到不同的比例因子，然后通过模糊推理和反模糊化，得到最终的输出控制变量，各个控制变量模糊集含义如下表所示：

被控对象含义	ZO	PS	PM	PB
					风机	不开风机	开N个风机	开2N个风机	开3N个风机
加热器	不开加热器	小功率	中功率	大功率

加热器功率通过连接的变频器控制，风机、加热器和加湿器的功率和数量与畜禽舍尺寸有关，应根据实际情况确定被控对象具体值，风机用于调节氨气浓度和湿度，加热器用于调节温度，工业雾化加湿器用于调节湿度，通风模糊控制器根据当前时刻采集的湿度和氨气浓度判断开启风机个数，当湿度大于高临界值时，风机全部开启，当湿度小于高临界值时，通风模糊控制器受氨气偏差和氨气偏差变化率控制，确定开启风机个数，开启通风后，计算通风带来的温度损失和湿度损失，然后分别开启加热器和雾化加湿器进行温度补偿和湿度补偿，加热器将室外冷空气加热后通过送风管道送入舍内，当各个温度、湿度和氨气超过模糊控制区域时，属于确定控制区，则相应的调控设备开到最大。

本发明的有益效果表现在：对风机的控制采用分段条件控制，当湿度高于临界值时，采用湿度控制风机，当湿度低于临界值时采用氨气偏差和氨气偏差变化率控制，既可以解决了多个变量控制同一输出变量时可能出现的矛盾，又减小了采用湿度偏差和氨气偏差作为通风模糊控制器输入时带来的超调和震荡；同时采用了温度和湿度的解耦处理，解决了温度、湿度和氨气之间的耦合关系，从而使三个参数均保持在适宜的范围内。

附图说明

图1是多源感知节点结构框图。

图2是多源感知节点实物图。

图3是猪舍环境解耦模糊控制器结构框图。

图4是通风模糊控制器结构框图。

图5是氨气浓度变化曲线。

图6是相对湿度变化曲线。

图7是温度变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

以北方冬季密闭式空怀妊娠母猪舍为例，对解耦模糊调控方法进行进一步说明。所述的一种密闭畜禽舍养殖环境解耦模糊调控方法，包括温湿度、氨气解耦模糊控制器和配合所述控制器工作的其他系统或装置，具体包括数据采集系统、无线数据传输系统、控制系统和上位机软件系统。

本实例所采用的数据采集和传输系统为一个集成的多源感知节点，该节点结构框图和实物图分别如图1和图2所示。节点由电源、微处理器、ZigBee通讯模块、温湿度传感器、光照度传感器、二氧化碳传感器、硫化氢传感器以及氨气传感器等组成，并且通过LCD显示屏显示环境参数实时信息。一个畜禽舍内可以安装一个或者多个感知节点，根据实际需求进行安装，多个感知节点通过ZigBee无线组网的方式进行组网，各个子节点将采集的环境数据发送给汇聚节点，然后汇聚节点通过移动网络将数据上传到上位机。上位机系统将采集的数据送入解耦模糊控制器，得到输出控制变量，将控制变量通过无线方式传送到控制系统，从而控制风机、加热器和雾化加湿器等的开启与关闭，完成调节过程。

所述的解耦模糊控制结构如图3所示，主要包括温度模糊控制器、通风模糊控制器和湿度控制器，系统输入为舍内温度、湿度、氨气浓度和舍外湿度，系统输出控制变量，调控设备包括风机、加热器和加湿器。通风模糊控制器主要受氨气浓度偏差和氨气浓度偏差变化率控制，通风模糊控制器输出控制变量控制风机开启模式。风机受两个环境变量控制，一个是舍内相对湿度，一个是舍内氨气浓度。氨气和湿度之间存在耦合，当开启风机降低氨气浓度时，可能造成湿度下降，因此需要进行湿度补偿。以空怀妊娠母猪舍为例，在密闭式有采暖设备的猪舍，其适宜的相对湿度范围为55％～65％，高临界值为80％，低临界值为45％。首先判断舍内相对湿度，若高于设定的高临界值80％，则风机全部开启，需要迅速降低舍内湿度；若低于设定的高临界值80％，则风机受通风模糊控制器控制，主要用于调节舍内氨气浓度值。同时，判断舍内相对湿度是否低于设定的低临界值45％，若低于该值，则开启雾化加湿器，对猪舍进行增湿，提高舍内相对湿度。温度模糊控制器主要受温度偏差和温度偏差变化率控制，输出控制量为加热器频率，不同频率对应不同的加热器功率，从而提供不同的热量。温度与通风之间也存在耦合关系，当开启通风之后，舍外冷空气进入舍内，与舍内空气混合，会造成舍内温度下降，因此需要对通风引起的温度下降进行补偿，根据通风量和舍内与舍外空气的温度差，可以计算出需要补偿的热量，然后通过控制加热器频率或功率，将舍外的空气进行预热，然后通过送风管道送入舍内。

温度模糊控制器和通风模糊控制器结构相似，通风模糊控制器结构如图4所示，设定舍内氨气浓度变化范围，然后与舍内氨气浓度做差，将氨气浓度偏差和氨气浓度偏差变化率作为模糊器输入。首先对输入的精确值进行模糊化，然后通过模糊控制规则进行模糊推理，输出模糊的控制变量，然后再对该控制变量进行解模糊化，得到精确的控制变量，最后控制风机的开启与关闭，从而对舍内氨气浓度进行调控。温度模糊控制器原理相同，下面详细介绍一下模糊控制器工作过程。

首先设定模糊控制器的物理论域，根据中华人民 共和国规模猪场环境参数及环境管理标准(GB/T 17824.3-2008)可知，空怀妊娠母猪舍温度适宜范围为15～20℃，相对湿度舒适范围为60～70％，氨气上限值为25mg/m³，因此取温度设定值为18℃，物理论域为[-3℃,3℃]，氨气浓度设定值为12mg/m³，物理论域为[-12mg/m³,12mg/m³]，同时设定温度偏差变化率的物理论域为[-2℃,2℃]，氨气浓度偏差变化率的物理论域为[-5mg/m³,5mg/m³]。温度模糊控制器和通风模糊控制器采用相同的模糊论域，偏差E的模糊论域为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，对应的模糊集合为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，偏差变化率Ec的模糊论域{-2,-1,0,1,2}，对应的模糊集合为{NB,NS,ZO,PS,PB}。根据物理论域和模糊论域可以计算得到温度偏差和温度偏差变化率的量化因子均为1，氨气偏差的量化因子为1/4，氨气偏差变化率的量化因子为2/5。

根据专家经验，当猪舍内湿度高时，应该通风降低湿度，当湿度低时，应该进行加湿提高湿度，当猪舍内氨气浓度大时，应该加大通风量降低浓度，当猪舍温度低时应该加热，温度高时应该开通风降温。考虑冬季北方密闭猪舍，一般氨气浓度比较高，冬季舍内湿度比较大，但是外界湿度较低，舍内主要需要通过加热提高温度，不需要开启通风降温。因此，可以看到风机主要受湿度和氨气浓度两个变量控制，加湿器受湿度控制，加热器受温度控制。由于湿度和氨气浓度同时控制风机，可能出现矛盾，因此设置在不同阶段，风机受不同变量控制。当湿度大于高临界值时风机受湿度控制，否则受氨气控制。温度和通风模糊控制器采用相同的控制规则，如下表所示：

输出控制变量分别为风机个数和加热器功率，输出控制变量模糊集合为{ZO,PS,PM,PB}，基本论域为{0,1,2,3}，输出控制变量与实际猪舍尺寸有关，假设猪舍尺寸为75×25×2.8米，则对应的模糊集含义定义如下表，其中单个风机的通风量为1100m³/h。

被控对象含义	ZO	PS	PM	PB
					风机	不开风机	开2个风机	开4个风机	开6个风机
加热器	不开加热器	小功率(15kw)	中功率(20kw)	大功率(25kw)

以黑龙江省哈尔滨市呼兰区鸿福养殖场空怀妊娠母猪舍为例，对解耦模糊控制进行进一步说明。猪舍尺寸为75×25×2.8米，在舍内安装了一套多源感知节点，可以采集温度、湿度和氨气浓度等参数，该舍采用人工控制的方法对舍内环境进行调控，每天早上5-6点左右开启全部风机进行通风，至傍晚4-5点左右关闭所有风机，在开启风机的同时，开启加热器对进入舍内的冷空气进行预热，然后通过送风管道送入舍内，舍内无加湿设备。2017年3月 16日凌晨12:00至17日凌晨12:00采集的舍内数据与采用本发明提出的解耦模糊控制器调控之后的氨气浓度、湿度和温度变化曲线分别如图5～7所示。从图中可以看到，通过人工控制的方法，虽然白天氨气浓度低于国家标准，但是夜间严重超标，同时，对于氨气浓度降到一定程度即可，而白天所有风机一直开启，必然会造成电量的浪费。因此，人工调控的办法无法很好的对猪舍环境进行调控。采用模糊调控方法控制风机后，可以看到，当氨气浓度严重超标时，通过调控氨气浓度迅速下降，当下降到一定值后，通过调整部分风机的开启与关闭，使氨气浓度始终保持在一定数值内，上下波动，即使在夜间，也可以自动控制风机，降低氨气浓度，同时又可以避免开启过多风机造成不必要的能量损耗。

从湿度变化曲线可以看到，经过人工调控后，相对湿度在35％-65％之间波动，开启风机之后相对湿度偏低，经过解耦模糊调控后，相对湿度保持在55％～65％之间，比较适宜。

从温度变化曲线可以看出，舍外温度较低，未进行温度补偿的情况下，开启风机之后，温度明显下降，低于适宜温度范围，而在采用解耦模糊控制，加入温度补偿之后，温度基本恒定在18摄氏度左右。对于人工调控，由于进入舍内的空气进行了预热，也即进行了温度补偿，因此温度也较适宜。从仿真和实验结果均可看到，解耦后的调控可以使温度、湿度和氨气浓度均保持在适宜的范围内。

Claims (1)

1.一种密闭畜禽养殖环境解耦模糊调控方法，包括温湿度、氨气解耦模糊控制器和配合所述控制器工作的其他系统或装置，具体包括数据采集系统、无线数据传输系统、控制系统和上位机软件系统；

所述的数据采集系统主要包括温度传感器、湿度传感器、氨气传感器、微处理器、存储器等，所述的无线数据传输系统主要包括ZigBee射频模块、DTU和微处理器，控制系统主要包括继电器、风机、加热器、变频器和送风管道、工业雾化加湿器，上位机软件系统主要负责信息的接收、存储、分析和处理，其中模糊调控算法在上位机系统中实现；

所述的解耦模糊调控方法工作流程为：安装在畜禽舍内的数据采集系统将采集的温度、湿度和氨气浓度信息通过无线数据传输系统传输给上位机软件系统，上位机软件系统根据采集的环境参数和环境解耦模糊调控算法，生成环境调控指令，然后将调控指令通过无线数据传输系统传送给控制系统，控制相应的调控设备工作，从而对畜禽舍环境起到调节的作用；

所述的温湿度、氨气解耦模糊控制器主要包括温度模糊控制器、通风模糊控制器、湿度控制器以及温度和湿度的解耦控制部分，模糊控制器采用二维结构，输入为偏差和偏差变化率，输出为控制变量；首先根据养殖对象所需的适宜环境参数标准设置模糊控制器输入的物理论域，环境参数包括温度、湿度和氨气浓度，各个参数使用相同的模糊论域，偏差E的模糊论域为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，对应的模糊集合为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，偏差变化率Ec的模糊论域{-2,-1,0,1,2}，对应的模糊集合为{NB,NS,ZO,PS,PB}，根据物理论域和模糊论域计算不同环境变量的量化因子，对环境变量进行模糊化，输出控制变量的模糊论域为{0,1,2,3}，对应的模糊集合为{ZO,PS,PM,PB}，模糊控制规则如下表所示：

根据不同控制变量物理论域和模糊论域计算得到不同的比例因子，然后通过模糊推理和反模糊化，得到最终的输出控制变量，各个控制变量模糊集含义如下表所示：

被控对象含义 ZO PS PM PB 风机 不开风机 开N个风机 开2N个风机 开3N个风机 加热器 不开加热器 小功率 中功率 大功率

加热器功率通过连接的变频器控制，风机、加热器和加湿器的功率和数量与畜禽舍尺寸有关，应根据实际情况确定被控对象具体值，风机用于调节氨气浓度和湿度，加热器用于调节温度，工业雾化加湿器用于调节湿度，通风模糊控制器根据当前时刻采集的湿度和氨气浓度判断开启风机个数，当湿度大于高临界值时，风机全部开启，当湿度小于高临界值时，通风模糊控制器受氨气偏差和氨气偏差变化率控制，确定开启风机个数，开启通风后，计算通风带来的温度损失和湿度损失，然后分别开启加热器和雾化加湿器进行温度补偿和湿度补偿，加热器将室外冷空气加热后通过送风管道送入舍内，当各个温度、湿度和氨气超过模糊控制区域时，属于确定控制区，则相应的调控设备开到最大。

Images