CN108241394B - 一种海洋酸化和低氧模拟装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海洋酸化和低氧模拟装置及其控制方法，包括气源、空气干燥过滤减压器、备用安全电磁阀、CO₂过滤器、干燥过滤器、质量流量控制器、采集控制器、水质传感器、排气阀组。通过pH和溶氧传感器实时监测海水pH和溶氧值，采用双增量式PID控制的方式，调控空气、N₂、CO₂的曝气比例，以调节海水pH和溶氧水平至设定值并保持稳态。本发明可以实时监测并调整气源配比，同步控制海水的pH和溶氧含量，具有稳态精度高、动态响应好、调整时间短等优点，且在有海洋生物呼吸干扰的条件下仍可保持较高的精度。

Description

一种海洋酸化和低氧模拟装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及海洋环境模拟领域，具体地说是一种海洋酸化和低氧模拟装置及其控制方法。

背景技术

全球气候变化及近岸富营养化等人类活动的加剧，导致海洋酸化和低氧等现象往往同时发生。此类现象在我国近海环境中屡有报道，对海洋生物和海洋生态环境安全带来了巨大威胁。目前，多数研究采用单独酸化或低氧的方式开展相关胁迫实验，关于酸化和低氧协同影响的研究亟需开展。因此，研发能够精确模拟海洋酸化和低氧的装置可为开展可控模拟实验，探讨海洋酸化和低氧对生态系统的影响具有重要的意义。

国内外现有的海洋酸化和低氧的模拟方法，主要有：

1)经验控制法：对海水水体进行CO₂、N₂的单独曝气或联合曝气，待海水pH和溶氧稳定后，放入海洋生物进行实验；此种装置根据经验预先设定好了CO₂、N₂的曝气量，在海洋生物呼吸干扰下，溶氧和pH极不稳定；此种方法使用范围受限，实验结果难以重复。

2)电磁阀控制法：通过检测海水中pH和溶氧，使用电磁阀控制CO₂和N₂的通入，以达到设置的pH和溶氧。此种方法仅能简单控制气体的通入与否，而不能调整气体的配比，因此曝气不稳定，曝气量及曝气周期变化明显，不能进行精确控制。此外，气体的通入时有时无，对海洋生物行为产生影响，进而影响研究结果的准确性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种海洋酸化和低氧模拟装置及其控制方法，通过实时监测海水溶氧和pH并采用双增量式PID控制算法，进行水体溶氧和pH精确同步调节。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种海洋酸化和低氧模拟装置，

空气气源通过空气通路后接入到空气质量流量控制器6的输入端，空气质量流量控制器6的输出端连接到排气电磁阀12，将流量控制后的空气与氮气、二氧化碳气体混合；

经过减压后的氮气通入到氮气质量流量控制器7的输入端，氮气质量流量控制器7的输出端连接到排气电磁阀12，将流量控制后的氮气与空气、二氧化碳气体混合；

经过减压后的二氧化碳气体通入到二氧化碳质量流量控制器8的输入端，二氧化碳质量流量控制器8的输出端连接到排气电磁阀12，将流量控制后的二氧化碳气体与空气、氮气混合；

排气电磁阀12连通曝气阀组13，控制混合后的气体通入曝气阀组13，曝气阀组13与曝气环14连通，使气体通过曝气环14对水体进行曝气；

采集控制器9连接溶氧测量传感器10和pH测量传感器11，采集溶解氧信息和pH值信息；采集控制器9连接空气质量流量控制器6、氮气质量流量控制器7、二氧化碳质量流量控制器8、空气通路和排气电磁阀12，对其发送控制信号，并同时采集空气质量流量控制器6、氮气质量流量控制器7和二氧化碳质量流量控制器8的反馈信号，检测装置工作状态。

所述空气通路包括空气干燥过滤减压器1通过电磁阀3连接到干燥过滤器5的输入端，空气气源通过空气干燥过滤减压器1进行干燥及颗粒过滤，并对压力进行调整后将气体通过电磁阀3后进入干燥过滤器5。

还包括在电磁阀3和干燥过滤器5之间设置二氧化碳过滤管4，电磁阀3控制输出的空气通过二氧化碳过滤管4滤除二氧化碳后再通入干燥过滤器5。

所述空气干燥过滤减压器1通过备用安全电磁阀2连接曝气环14，采集控制器9连接备用安全电磁阀2，当系统上电后未按设定目标进行控制或出现故障时，控制备用安全电磁阀2打开，向水体曝空气。

所述曝气阀组13包括一组溶解氧传感器和pH测量传感器插入1个水体中，该水体通过蠕动泵15串联若干个水体，每个水体中插入一路曝气环14。

所述若干个水体为1～6个水体。

一种海洋酸化和低氧模拟控制方法，包括以下步骤：

步骤1：通过采集控制器9读取当前溶氧目标值，并与溶氧测量传感器10采集的溶氧实测值进行比较，计算出误差，并根据控制周期内的误差变化量，经主控PID算法，得到空气理论比例；

步骤2：通过采集控制器9读取当前pH目标值，并与pH测量传感器11采集的pH实测值进行比较，计算出误差，并根据控制周期内的误差变化量，经辅助PID控制算法，得到二氧化碳气体的理论流量；

步骤3：采集控制器9根据得到的空气、二氧化碳、氮气的理论流量，分别控制空气质量流量控制器6、氮气质量流量控制器7和二氧化碳质量流量控制器8的输出流量；

步骤4：采集空气、二氧化碳、氮气的实际流量，如果实际流量与输出流量相符，则返回步骤1，否则停止自动控制，打开备用安全电磁阀2，并发出报警信息。

所述主控PID算法采用增量式PID控制算法包括以下步骤：

步骤1：计算空气流量比例理论变化量：

其中，[ΔAIR％]为当前控制周期内空气流量比例的变化量；KP、KI、KD分别为空气流量比例算子、空气流量积分算子、空气流量微分算子；doerr_n为当前n时刻溶氧误差，doerr_n-1为n-1时刻溶氧误差、doerr_n-2为n-2时刻溶氧误差；

步骤2：计算空气流量占总气体流量的比例：

[AIR％]_n＝[AIR％]_n-1+[ΔAIR％]；

其中，[AIR％]_n为当前n时刻空气流量比例，式中[AIR％]_n-1为n-1时刻空气流量比例；

步骤3：计算空气质量流量控制器的输出流量：

[AIR]_n＝[all]×[AIR％]_n；

其中，[AIR]_n为当前n时刻空气的流量，[all]为总气体流量。

所述辅助PID控制算法采用增量式PID控制算法包括包括以下步骤：

步骤1：计算二氧化碳气体流量理论变化量

其中，[ΔCO₂]为当前二氧化碳的流量理论变化量，KP_f、KI_f、KD_f分别为二氧化碳气体流量比例算子、二氧化碳气体流量积分算子、二氧化碳气体流量微分算子；pherr_n为当前n时刻pH误差，pherr_n-1为n-1时刻pH误差、pherr_n-2为n-2时刻pH误差；

步骤2：计算二氧化碳的理论流量：

[CO₂]_n＝[CO₂]_n-1+[ΔCO₂]；

其中，[CO₂]_n-1为n-1时刻CO₂气体的流量；[CO₂]_n为当前n时刻CO₂气体的流量；

步骤3：计算二氧化碳质量流量控制器的输出流量：

[MFC_CO₂]_n＝[CO₂]_n-[AIR]_n×0.03％；

其中，[MFC_CO₂]为二氧化碳气体质量流量控制器应输出流量。

步骤4：计算氮气质量流量器应输出流量：

[N₂]_n＝[all]×(1-[AIR％]_n)-[CO₂]_n+[AIR]_n×0.03％；

其中，[N₂]_n为氮气质量流量器应输出流量，[AIR]_n为当前n时刻空气的流量，[AIR％]_n为当前n时刻空气流量比例。

所述空气理论比例为：空气占总气体流量的比例，总气体流量是空气、氮气及二氧化碳气体流量之和；

所述二氧化碳气体的理论流量为：二氧化碳气体的理论流量是所需的CO₂总流量，是CO₂气源及空气中CO₂成分之和。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明的基于PID的海洋酸化和低氧模拟装置，采用双增量式PID控制算法，可以根据pH和溶氧的实测值与用户设定值的差异，实时确定合适的曝气比例；相比较采用电磁阀开关的调节方式，PID算法不仅调节速度快，而且pH和溶氧稳态的保持效果，远胜于电磁阀调控方式；

2.本发明的基于PID的海洋酸化和低氧模拟装置及其控制算法，气体总流量可调，便于对不同温度和体积的海水进行pH和溶氧的同步调整，且pH和溶氧可以任意设定，克服了调整pH及溶氧相互影响的缺点；

3.本发明的基于PID的海洋酸化和低氧模拟装置及其控制算法，在有海洋生物呼吸干扰的水体中，仍能实现pH和溶氧的稳定控制，因而在海洋酸化和低氧胁迫下的海洋生物生理和行为响应等科研工作具有很好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的硬件结构图；

图2是本发明的方法原理图；

图3是本发明的控制流程；

图4是本发明的曝气水体串联示意图；

其中，1为空气干燥过滤减压器，2为备用安全电磁阀，3为三通电磁阀，4为二氧化碳过滤管，5为干燥过滤器，6为空气质量流量控制器，7为N₂质量流量控制器，8为CO₂质量流量控制器，9为采集控制器，10为溶氧测量传感器，11为pH测量传感器，12为排气电磁阀，13为曝气阀组，14为曝气环，15为蠕动泵。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

所述海洋酸化和低氧模拟装置中三路气源分别为：空气、N₂、CO₂。压缩空气经过空气干燥过滤减压器1进行干燥及颗粒过滤，并将压力调整为0.2-0.5Mpa；之后气体通过三通电磁阀3，若需要提高pH，则经过CO₂过滤管4除去空气中CO₂再进入干燥过滤器5，反之，直接进入干燥过滤器5；干燥的气体进入空气质量流量控制器6；空气质量流量控制器6可根据采集控制器9输入的模拟或数字信号精确调整空气的流量，进入排气电磁阀12并与氮气、CO₂气体混合，经曝气阀组13，曝气环14对水体进行曝气。空气质量流量控制器应大于10L/min；N₂质量流量控制器应大于10L/min；CO₂质量流量控制器应大于0.1L/min。

空气气路依次经过空气干燥过滤减压器、CO₂过滤器、干燥过滤器、空气质量流量控制器、排气阀组进入实验水体；N₂气路依次经N₂质量流量控制器、排气阀组进入实验水体；CO₂气路依次经过CO₂质量流量控制器、排气阀组进入实验水体。

CO₂过滤及干燥装置，应包含3通电磁阀、CO₂过滤器；三通电磁阀用于在CO₂过滤和不过滤两个气路间进行切换。

氮气使用标准气体经由减压器接入，接入气体压力为0.2-0.5Mpa，氮气进入氮气质量流量控制器7，并根据输入的模拟或数字信号精确调整N₂的流量，进入排气电磁阀12与空气、CO₂气体混合，经曝气阀组13，曝气环14对水体进行曝气。

CO₂使用标准气体经由减压器接入，接入气体压力为0.2-0.5Mpa，氮气进入CO₂质量流量控制器8，并根据输入的模拟或数字信号精确调整氮气的流量，进入排气电磁阀12与空气、氮气混合，经曝气阀组13，曝气环14对水体进行曝气。

所述装置包括一路备用气路，由空气干燥过滤减压器1出来的气体除了可进入三通电磁阀3，也可进入备用安全电磁阀2；当系统上电或出现故障时，备用安全电磁阀2打开，向水体曝空气。

所述装置的采集控制器9具有采集、计算、控制、驱动功能，是装置的核心设备。采集控制器9采集溶氧测量传感器10测得的溶解氧以及pH测量传感器测定的pH，经过PID及预测控制算法后，控制三通电磁阀3及质量流量控制器6、7、8及排气电磁阀12；同时采集质量流量控制计6、7、8反馈信号，及时判断装置的工作状况。采集控制器具有兼容各种pH及溶解氧传感器的接口。为了快速精确控制海水中的溶氧含量及pH，系统采用了双PID及预测控制算法，可精确控制气体的流量和配比。

所述装置的采集控制器9控制原理如图2；用户设定pH及溶氧目标曲线后，系统读取当前目标值，开始进行控制；溶氧传感器及pH传感器实时测量当前水体中溶氧及pH，系统读取后与目标值进行比对，计算出误差，并得到控制周期内的误差变化量。在经过PID主控回路和PID控制辅助回路，得到气体的精确配比；将气体的配比转换为气体流量对应的数字控制信号或模拟信号，驱动质量流量控制器，实时更改气体流量。

所述装置的采集控制器9控制流程如图3，系统上电后，根据用户操作指令执行控制流程，检测是否到测量周期，如果到测量周期，采集传感器测量值并显示记录；之后检测是否到控制周期，如果到控制周期，执行预测及PID算法，计算得到各组分气体流量；控制电磁阀，并将各组分气体流量转化为数字或模拟控制信号输出；此时系统检测质量流量计输出，如果流量计输出与控制输出不符的话，系统停止自动控制，打开备用安全阀，并发出报警信息。

所述装置的曝气阀组13，可实现1-6容器的水体的酸化及低氧的联动控制。如图4所示，只需一组溶氧及pH测量传感器，可串联控制1-6个水体，每个水体可接曝气阀组13的一路曝气头；每个水体互相通过蠕动泵15连接，以保证水体循环流动。通过蠕动泵及排气阀组，即可实现采用一组pH及溶氧传感器同步控制多个暂养水体的pH和溶氧。

一种海洋酸化和低氧模拟装置及控制算法，包括以下步骤：

第一步：系统读取当前溶氧目标值、采集溶氧传感器值，计算出误差，并根据控制周期内的误差变化量，经主控PID算法，得到空气理论比例。

主PID算法采用增量式PID控制算法，其数学表达式：

式中[ΔAIR％]为当前控制周期内空气流量比例的变化量；KP、KI、KD分别为空气流量比例算子、空气流量积分算子、空气流量微分算子，doerr_n为当前n时刻溶氧误差，doerr_n-1为n-1时刻溶氧误差、doerr_n-2为n-2时刻溶氧误差。KP、KI、KD算子的整定，根据系统的响应时间、容积大小，对PID参数推理实验，得到一个二维数组，PID[2][3]＝{{2,100,100},{0.5,1,100},{0.5,10,10}}，数组的值分别为KP、KI、KD的值；当前n时刻溶氧误差大于2mg/L时，KP、KI、KD值分别为{2,100,100},以缩短控制的时间；当前n时刻溶氧误差大于0.8mg/L，小于2mg/L时，KP、KI、KD值分别为{0.5,1,100}；当前n时刻溶氧误差小于0.8mg/L，KP、KI、KD值分别为{0.5,10,10}。

计算空气占总气体流量的比例：

[AIR％]_n＝[AIR％]_n-1+[ΔAIR％]，其中[AIR％]_n为当前n时刻空气流量比例，式中[AIR％]_n-1为n-1时刻空气流量比例。

计算空气气体流量：

[AIR]_n＝[all]×[AIR％]_n，其中[AIR]_n为当前n时刻空气的流量，[all]为总气体流量，总气体流量由操作人员设定，范围为10L/min-50L/min。

第二步：系统读取当前pH目标值、采集pH传感器值，计算出误差，并根据控制周期内的误差变化量，经辅助PID控制算法，得到CO₂气体的理论流量。辅助PID算法同样采用增量式PID控制算法，其数学表达式：

式中[ΔCO₂]为当前CO₂气体流量变化量，KP_f、KI_f、KD_f分别为CO₂气体流量比例算子、积分算子、微分算子；pherr_n为当前n时刻pH误差，pherr_n-1为n-1时刻pH误差、pherr_n-2为n-2时刻pH误差；根据系统的响应时间、容积大小，对PID参数推理实验，KP_f、KI_f、KD_f值分别是{0.5,5,5}。

计算所需CO₂气体的理论流量：

[CO₂]_n＝[CO₂]_n-1+[ΔCO₂]

其中[CO₂]_n-1为n-1时刻CO₂气体的流量。

计算CO₂气体质量流量控制器应输出流量：

[MFC_CO₂]_n＝[CO₂]_n-[AIR]_n×0.03％

其中[MFC_CO₂]_n为CO₂气体质量流量控制器应输出流量，如果此值小于0，需打开CO₂过滤阀，过滤空气中的CO₂。0.03％为CO₂在空气中的比例，用于补充空气进气量变动带来的CO₂流量变动。

计算N₂气体质量流量器应输出流量：

[N₂]_n＝[all]×(1-[AIR％]_n)-[CO₂]_n+[AIR]_n×0.03％

第三步：将气体流量转成数字或模拟电压信号，控制质量流量控制器精确输出气体流量。在一个控制周期内，精确控制质量流量控制器的气体流量；同时采集质量流量控制器反馈信号，实时得到实际气体流量，当实际流量与应输出流量相差较大时，实时调整或发出报警信息。

至此，酸化和低氧模拟装置成为一个闭环负反馈系统，具有较好的控制性能，在环境条件变动及有生物暂养的耗氧环境下仍可精确控制。

Claims (7)

1.一种海洋酸化和低氧模拟装置，其特征在于：

空气气源通过空气通路后接入到空气质量流量控制器(6)的输入端，空气质量流量控制器(6)的输出端连接到排气电磁阀(12)，将流量控制后的空气与氮气、二氧化碳气体混合；

经过减压后的氮气通入到氮气质量流量控制器(7)的输入端，氮气质量流量控制器(7)的输出端连接到排气电磁阀(12)，将流量控制后的氮气与空气、二氧化碳气体混合；

经过减压后的二氧化碳气体通入到二氧化碳质量流量控制器(8)的输入端，二氧化碳质量流量控制器(8)的输出端连接到排气电磁阀(12)，将流量控制后的二氧化碳气体与空气、氮气混合；

排气电磁阀(12)连通曝气阀组(13)，控制混合后的气体通入曝气阀组(13)，曝气阀组(13)与曝气环(14)连通，使气体通过曝气环(14)对水体进行曝气；

采集控制器(9)连接溶氧测量传感器(10)和pH测量传感器(11)，采集溶解氧信息和pH值信息；采集控制器(9)连接空气质量流量控制器(6)、氮气质量流量控制器(7)、二氧化碳质量流量控制器(8)、空气通路和排气电磁阀(12)，对其发送控制信号，并同时采集空气质量流量控制器(6)、氮气质量流量控制器(7)和二氧化碳质量流量控制器(8)的反馈信号，检测装置工作状态；

所述一种海洋酸化和低氧模拟装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：通过采集控制器(9)读取当前溶氧目标值，并与溶氧测量传感器(10)采集的溶氧实测值进行比较，计算出误差，并根据控制周期内的误差变化量，经主控PID算法，得到空气理论比例；

所述主控PID算法采用增量式PID控制算法包括以下步骤：

步骤1-1：计算空气流量比例理论变化量：

其中，[ΔAIR％]为当前控制周期内空气流量比例的变化量；KP、KI、KD分别为空气流量比例算子、空气流量积分算子、空气流量微分算子；doerr_n为当前n时刻溶氧误差，doerr_n-1为n-1时刻溶氧误差、doerr_n-2为n-2时刻溶氧误差；

步骤1-2：计算空气流量占总气体流量的比例：

[AIR％]_n＝[AIR％]_n-1+[ΔAIR％]；

其中，[AIR％]_n为当前n时刻空气流量比例，式中[AIR％]_n-1为n-1时刻空气流量比例；

步骤1-3：计算空气质量流量控制器的输出流量：

[AIR]_n＝[all]×[AIR％]_n；

其中，[AIR]_n为当前n时刻空气的流量，[all]为总气体流量；

步骤2：通过采集控制器(9)读取当前pH目标值，并与pH测量传感器(11)采集的pH实测值进行比较，计算出误差，并根据控制周期内的误差变化量，经辅助PID控制算法，得到二氧化碳气体的理论流量；

所述辅助PID控制算法采用增量式PID控制算法包括以下步骤：

步骤2-1：计算二氧化碳气体流量理论变化量

其中，[ΔCO₂]为当前二氧化碳的流量理论变化量，KP_f、KI_f、KD_f分别为二氧化碳气体流量比例算子、二氧化碳气体流量积分算子、二氧化碳气体流量微分算子；pherr_n为当前n时刻pH误差，pherr_n-1为n-1时刻pH误差、pherr_n-2为n-2时刻pH误差；

步骤2-2：计算二氧化碳的理论流量：

[CO₂]_n＝[CO₂]_n-1+[ΔCO₂]；

其中，[CO₂]_n-1为n-1时刻CO₂气体的流量；[CO₂]_n为当前n时刻CO₂气体的流量；

步骤2-3：计算二氧化碳质量流量控制器的输出流量：

[MFC_CO₂]_n＝[CO₂]_n-[AIR]_n×0.03％；

其中，[MFC_CO₂]为二氧化碳气体质量流量控制器应输出流量；

步骤2-4：计算氮气质量流量器应输出流量：

[N₂]_n＝[all]×(1-[AIR％]_n)-[CO₂]_n+[AIR]_n×0.03％；

其中，[N₂]_n为氮气质量流量器应输出流量，[AIR]_n为当前n时刻空气的流量，[AIR％]_n为当前n时刻空气流量比例；

步骤3：采集控制器(9)根据得到的空气、二氧化碳、氮气的理论流量，分别控制空气质量流量控制器(6)、氮气质量流量控制器(7)和二氧化碳质量流量控制器(8)的输出流量；

步骤4：采集空气、二氧化碳、氮气的实际流量，如果实际流量与输出流量相符，则返回步骤1，否则停止自动控制，打开备用安全电磁阀(2)，并发出报警信息。

2.根据权利要求1所述的海洋酸化和低氧模拟装置，其特征在于：

所述空气通路包括空气干燥过滤减压器(1)通过电磁阀(3)连接到干燥过滤器(5)的输入端，空气气源通过空气干燥过滤减压器(1)进行干燥及颗粒过滤，并对压力进行调整后将气体通过电磁阀(3)后进入干燥过滤器(5)。

3.根据权利要求2所述的海洋酸化和低氧模拟装置，其特征在于：

还包括在电磁阀(3)和干燥过滤器(5)之间设置二氧化碳过滤管(4)，电磁阀(3)控制输出的空气通过二氧化碳过滤管(4)滤除二氧化碳后再通入干燥过滤器(5)。

4.根据权利要求2所述的海洋酸化和低氧模拟装置，其特征在于：

所述空气干燥过滤减压器(1)通过备用安全电磁阀(2)连接曝气环(14)，采集控制器(9)连接备用安全电磁阀(2)，当系统上电后未按设定目标进行控制或出现故障时，控制备用安全电磁阀(2)打开，向水体曝空气。

5.根据权利要求1所述的海洋酸化和低氧模拟装置，其特征在于：所述曝气阀组(13)包括一组溶解氧传感器和pH测量传感器插入1个水体中，该水体通过蠕动泵(15)串联若干个水体，每个水体中插入一路曝气环(14)。

6.根据权利要求5所述的海洋酸化和低氧模拟装置，其特征在于：所述若干个水体为1～6个水体。

7.根据权利要求1所述的海洋酸化和低氧模拟装置，其特征在于：

所述空气理论比例为：空气占总气体流量的比例，总气体流量是空气、氮气及二氧化碳气体流量之和；

所述二氧化碳气体的理论流量为：二氧化碳气体的理论流量是所需的CO₂总流量，是CO₂气源及空气中CO₂成分之和。