CN114326882A - 适用于楼房养猪的环境控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及楼房动物养殖技术领域，公开了一种适用于楼房养猪的环境控制方法及系统，系统包括：分控系统，包括若干个楼层，每个楼层内包括若干单元，每个单元内设置有环境参数传感器、湿帘、通风窗以及扰流风机，环境参数传感器采集实时环境参数，湿帘安装在通风窗一侧，依靠通风井负压向每个单元内引进新鲜空气排出污浊空气；主控系统，包括主控制器和显示屏，采集分控系统中每个单元的环境参数信息，主控制器发送控制指令给每个单元，每个单元的参数信息、室外温度、通风井负压预制基础级别、通风井结构以及各单元栋舍大小均能够在显示屏上实时查询得到。本发明系统利用自调整、自适应的优点解决了楼房养殖中环控通风这一难题。

Description

适用于楼房养猪的环境控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种适用于楼房养猪的环境控制方法及系统，属于楼房动物养殖技术领域。

背景技术

2020年以来，楼房养殖成为养殖行业的一大热点，许多楼房养殖项目如雨后春笋般涌现，各大养殖公司的养殖型楼房拔地而起。新的楼房养殖设计中，由于其生物安全等级更高、智能化程度更先进、配套设施更完善、产能更大而备受青睐。然而新型的养殖模式就必然面对着新的挑战。相对于以往的单栋舍养殖模式，楼房养殖把所有的通风风机放在了楼顶，通过各自的通风道连接到下面的栋舍实现每个单元通风换气。然而这种集中通风模式，还是存在许多弊端，同一风井下的各单元相互影响，如何准确调整风井内通风量供给则成为解决这一难题的关键之处。本控制系统利用多点自调整，多点自适应，多点自优化的无模型自适应算法解决了楼房养殖中的环控通风这一难题，该系统为楼房立体养殖提供技术保障。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种适用于楼房养猪的环境控制方法及系统。

本发明所述的一种适用于楼房养猪的环境控制系统，包括分控系统和主控系统，其中：

分控系统，包括若干个楼层，每个楼层内包括若干单元，每个单元内设置有环境参数传感器、湿帘、通风窗以及扰流风机，环境参数传感器采集实时环境参数，湿帘安装在通风窗一侧，依靠通风井负压向每个单元内引进新鲜空气排出污浊空气；

主控系统，包括主控制器和显示屏，采集分控系统中每个单元的环境参数信息，根据室外温度和通风井负压预制基础级别计算每个单元的控制情况，主控制器发送控制指令给每个单元的分控制器从而控制湿帘、通风窗及扰流风机，控制湿帘开启关闭频率、通风窗进风口大小开度以及扰流风机开启的频率以实时调整每个单元的通风模式、通风级别和通风量；每个单元的环境参数信息、室外温度、通风井负压预制基础级别、通风井结构以及各单元栋舍大小均能够在显示屏上实时查询得到。

优选地，所述环境参数传感器包括高精度温湿度传感器、气体传感器、负压传感器以及风速传感器，高精度温湿度传感器采集单元内温度和湿度，气体传感器包括二氧化碳传感器或氨气传感器，分别采集各单元内的二氧化碳含量或氨气含量，负压传感器采集单元内负压大小，风速传感器采集单元内风速大小。

优选地，所述通风模式包括最小通风、过渡通风和横向通风。

本发明所述的适用于楼房养猪的环境控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：预设目标参数：针对具有不同功能的单元设定好所需的环境指标；

步骤S2：信息采集：分控系统每个单元内的环境参数传感器采集单元舍内的实时环境参数信息并传送给主控制器；主控制器采集室外温度和通风井负压预制基础级别；

步骤S3：计算控制因子：若某个单元内的实时环境参数信息不符合设定好所需的环境指标，则主控制器计算这个单元的控制情况，得出控制因子；

步骤S4：执行调整：根据步骤S3中得到的控制因子，主控制器发出控制指令给每个单元内的湿帘、通风窗及扰流风机，实时调整湿帘开启关闭频率、通风窗进风口大小开度以及扰流风机开启频率，实时调整通风级别和通风量从而达到养殖所需环境参数信息。

优选地，所述步骤S1中环境指标包括目标温度、目标负压及目标通风量。

优选地，所述步骤S1中环境指标是根据养殖畜禽日龄曲线算法得出。

优选地，所述步骤S3中主控制器采用无模型自适应算法计算每个单元的控制情况，具体算法如下：

各个分控单元的相对偏差：Δn＝α*T_n+β*P_n

其中，T_n、P_n为各分控单元实时温度及舍内压力与理想值的相对偏差，α、β是这两种控制因素的比例因子，n为大于等于1的自然数；

主控环境变量：Δm＝δ*(η*T_m+θ*P_m)

其中，T_m为调整周期内主控采集室外温度的相对差值，P_m为调整周期内管道通风井内平均压力的相对差值，η、θ是这两种控制因素的比例因子，δ为偏差调节因子，控制效果不理想可手动或自动调节，调整周期根据现场楼层高度、风机频率变换参数手动进行相应调整；

过程变量：S＝∫Δ1+∫Δ2+……+∫Δn

其中过程变量S为所有分控单元的相对偏差积分求和；

过程变量：M＝∫Δm

其中过程变量M为主控环境变量积分；

控制因素：Air＝|Air₁|+|Air₂|+……+|Air_n|

其中，Air为各分控单元环境控制质量，最大取零,负的越大代表环境不合格，|Air_n|为个单元目标二氧化碳或氨气值减去实际的二氧化碳或者氨气值，n取大于等于1的自然数；

判断上述控制因子：

若F_n＝(M>S&&Air<＝0)满足，则主控系统根据设定好的风机位置逐步降低管道内风井压力P_m；

若F_n＝(M>S&&Air<＝0)不满足，则主控系统根据设定好的风机位置逐步升高管道内风井压力P_m。

优选地，所述步骤S4中，执行调整过程中，还包括风窗校准功能，消除由于使用不同规格的进风、排风扇带来的开度偏差。

优选地，所述步骤S4中，执行调整过程中，还包括夜间补偿功能，根据昼夜温差、气压不同，实时调整各时段不同功能的单元设定好所需的环境指标。

本发明所述的适用于楼房养猪的环境控制方法及系统，具有以下有益效果：

(1)自适应控制，分控系统每单元自主控制，主控系统根据各个单元的整体情况，计算控制因子反馈到主控逻辑，实现了整个楼房环境控制系统的自调整、自优化；

(2)精密通风、按需通风，主控系统实时检测风井内通风量，调整通风级别，实现无极调速，风量增加或减小的过程更加平滑，减少猪只的应激反应；

(3)节能增效，主控系统采用最优控制逻辑，实时根据各个单元的通风量、温度、湿度、CO2有毒气体等数据调整运行风机，以达到最优的通风效果；

(4)信息全面化，能够在主控系统中的显示屏上轻易得到各舍温度、湿度、CO2、负压、风速；风景内风速、负压等信息全面汇集，便于操作人员查看；

(5)精准及时，主控系统采集分控系统的信息，秒级更新，实现对整个楼房环境控制系统的控制。

附图说明

图1是本发明的系统连接框图。

图2是本发明的方法流程框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本发明所述的适用于楼房养猪的环境控制系统，包括分控系统和主控系统两部分，其中：

分控系统，包括若干个楼层，每个楼层内包括若干单元，每个单元内设置有分控制器、环境参数传感器、湿帘、通风窗以及扰流风机，环境参数传感器采集实时环境参数，湿帘安装在通风窗一侧，扰流风机向每个单元内引进新鲜空气排出污浊空气；环境参数传感器包括高精度温湿度传感器、气体传感器、负压传感器以及风速传感器，高精度温湿度传感器采集单元内温度和湿度，气体传感器包括二氧化碳传感器或氨气传感器，分别采集各单元内的二氧化碳含量或氨气含量，负压传感器采集单元内负压大小，风速传感器采集单元内风速大小；高精度湿温度传感器采用负系数高精度温度采集探头，这样采集到的数据更加准确和稳定。

每个楼层内根据功能或猪群种类不同划分为若干单元，例如幼猪单元、成猪单元、妊娠单元、分娩单元等，分控制器对环境参数传感器采集到的实时环境参数进行分析处理，根据单元内实时的环境状态，接受主控系统的指令控制湿帘、通风窗、扰流风机等设备的运行在符合所在区域内的参数。

主控系统，包括主控制器和显示屏，采集分控系统中每个单元的环境参数信息，根据室外温度和通风井负压预制基础级别计算每个单元的控制情况，主控制器发送控制指令给每个单元的分控制器从而控制湿帘、通风窗及扰流风机，控制湿帘开启关闭频率、通风窗进风口大小开度以及扰流风机开启的频率以实时调整每个单元的通风模式、通风级别和通风量。每个单元的环境参数信息、室外温度、通风井负压预制基础级别、通风井结构以及个单元栋舍大小均能够在显示屏上实时查询得到。主控制器采用ST公司的CORTEX-M4内核的32位控制器STM32F429IGT6，其工作主频为180Mhz，处理能力较强，可高效的进行多环境数据的采集和、运算处理和输出；显示屏采用彩色触摸屏，使人机交互更加便捷。

通风模式包括最小通风、过渡通风和横向通风等多种模式。在不同的模式下，每个单元的湿帘、通风穿及扰流风机的工作状况也各不相同。

实施例2：

如图2所示，本发明所述的适用于楼房养猪的环境控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：预设目标参数：针对具有不同功能的单元设定好所需的环境指标；在显示屏上人工设定好环境指标，环境指标指不同功能、种群单元生活所需要的最适宜的栋舍环境目标参数值，比如各单元栋舍内的目标温度、目标负压及目标通风量。

目标温度可通过养殖畜禽日龄曲线算法获得，养殖畜禽日龄曲线算法：根据预设好的日龄曲线计算实时目标环境温度(设定D₁、T₁为第一段目标日龄、目标温度；D₂、T₂为第二段目标日龄、目标温度；D为当前日龄，H为当前小时；T为所计算平均温度；S为中间过程变量)

当前日龄处于D₁-D₂日龄段内，以小时为单位执行计算当前目标温度：

S＝(T₂–T₁)/(D₂–D₁)/24

T＝((D–D₁)*24+H)*S

设备最多支持设置十段日龄曲线，出场预设好常规品种曲线格式，现场可根据养殖工艺进行调整。

目标负压由现场工作人员根据现场猪只情况自行设定理想值，目标通风量是根据现场猪只的日龄和数量计算得出，计算公式为目前现有已公开的。

步骤S2：信息采集：分控系统每个单元内的环境参数传感器采集单元舍内的实时环境参数信息并传送给主控制器；主控制器采集室外温度和通风井负压预制基础级别；

步骤S3：计算控制因子：若某个单元内的实时环境参数信息不符合设定好所需的环境指标，则主控制器计算这个单元的控制情况，得出控制因子。

主控制器采用无模型自适应算法计算每个单元的控制情况，具体算法如下：

各个分控单元的相对偏差：Δn＝α*T_n+β*P_n

其中，T_n、P_n为各分控单元实时温度及舍内压力与理想值的相对偏差，α、β是这两种控制因素的比例因子，n为大于等于1的自然数；

主控环境变量：Δm＝δ*(η*T_m+θ*P_m)

其中，T_m为调整周期内主控采集室外温度的相对差值，P_m为调整周期内管道通风井内平均压力的相对差值，η、θ是这两种控制因素的比例因子，δ为偏差调节因子，控制效果不理想可手动或自动调节，调整周期根据现场楼层高度、风机频率变换参数手动进行相应调整；

过程变量：S＝∫Δ1+∫Δ2+……+∫Δn

其中过程变量S为所有分控单元的相对偏差积分求和；

过程变量：M＝∫Δm

其中过程变量M为主控环境变量积分；

控制因素：Air＝|Air₁|+|Air₂|+……+|Air_n|

其中，Air为各分控单元环境控制质量，最大取零,负的越大代表环境不合格，|Air_n|为个单元目标二氧化碳或氨气值减去实际的二氧化碳或者氨气值，n取大于等于1的自然数，；

判断上述控制因子：

若F_n＝(M>S&&Air<＝0)满足，则主控系统根据设定好的风机位置逐步降低管道内风井压力Pm；

若F_n＝(M>S&&Air<＝0)不满足，则主控系统根据设定好的风机位置逐步升高管道内风井压力，直到达到满足条件的适宜稳定状态。

步骤S4：执行调整：根据步骤S3中得到的控制因子，主控制器发出控制指令给每个单元内的湿帘、通风窗及扰流风机，实时调整湿帘开启关闭频率、通风窗进风口大小开度以及扰流风机开启频率，实时调整通风级别和通风量从而达到养殖所需环境参数信息。

执行调整过程中，还包括风窗校准功能，消除由于使用不同规格的进风、排风扇带来的开度偏差，精确控制进风量；执行调整过程中，还包括夜间补偿功能，根据昼夜温差、气压不同，实时调整各时段不同功能的单元设定好所需的环境指标，使得栋舍内温度平稳变化，减少猪只的应激反应，为猪只生长提供良好的生活环境。风窗校准功能是为了设配不同厂家的风窗而设计的风窗开度加权计算功能，可在运行前提针对不同风窗的开启速度、开度对应进风量等参数进行加权平均计算，保证在自动调整过程中实现平稳过渡通风；夜间补偿功能是为了应对设备使用的不同地理位置带来的昼夜温差过大的情况，可通过设置夜间补偿参数，当外界温度下降明显时，适当调整舍内目标温度和体感温度，避免由于昼夜温差过大给畜禽带来不必要的应急反应。

通风级别最多可设置三十级，每级之间通风量相差不大，这样可实现通风量平缓过渡增加或减少的效果；通风量是主控系统根据现场使用的风机规格、通风井结构以及各单元栋舍的大小进行计算得到的，能够满足各单元所需通风量足够的前提下，避免过度通风造成资源浪费的情况；另外主控系统实施采集室外温度、通风井内风速及负压情况，综合运算调整风机开启的数量，达到最佳的通风效果。根据顶楼安装的风机规格和数量可计算总通风量，风井结构则各自分配通风量，其分配规则取决于各自垂直位置安装风机的数量，各单元栋舍通风量根据养殖个数，栋舍面积，舍内风速计算得出，根据不同楼层分配通风，保证每栋舍对应风井位置处通风量大于其栋舍内部需求风量；当计算某处风井内风量小于其栋舍需求风量，则增加风机数量或风机开启频率，反之减少风机数量。

实施例3：

下面实例现场楼层八层，共安装风机420台，实际调试时间一个月：

现场猪只日龄较小，由于对温度比较敏感，设定α＝0.6，β＝0.2，温度调节加权系数较重，δ＝1关闭δ自调节选项；

在此设置下，各分控设定值如下(设定t₁为上次计算周期末时间，t₂为本机计算周期开始时间):

Δ1＝0.6*T₁+0.2*P₁

Δ2＝0.6*T₂+0.2*P₂

……

Δn＝0.6*T_n+0.2*P_n

(T_n和P_n为现场各单元t₁->t₂时间段内温度和舍内压力的变化值，n为大于等于以1的自然数)

对各单元变化加权值在t₁->t₂时间段内积分求和，即：

过程变量S＝∫Δ1+∫Δ2+……+∫Δn

主控设定值：

主控设定值在t₁->t₂时间段内变化差值为：

Δm＝0.6*T_m+0.2*P_m

(主控设定η、θ值同α、β)

对主控变化加权值在t₁->t₂时间段内积分，即：

M＝∫Δm

控制因素：

控制因素Air反应各栋舍空气质量情况，根据舍内CO2或NH3计算得出，当超过最佳空气质量后，Air出现负值，负数越大，表示当前空气质量越差。主控采集各单元控制因素Air并进行取绝对值求和处理，即：

控制因素：Air＝|Air₁|+|Air₂|+……+|Air_n|

结果处理：

当在t₁->t₂时间段内计算值M>S时，证明当前各单元舍总体温度、舍内压力环境变化平稳且总需求量低于主控总提供量；并且控制因素Air＝0，证明此时各单元舍内空气质量较好，可执行减小P_m即减少通风井内压力，表现为降低顶层风机开启数量；反之，如果两个条件有不满足情况，则须加大通风井压力，表现为增加顶层风机开启频率或数量。

循环：

执行风机动作后，主控进入调整状态，到下个时间t₃循环执行。其中，调整时间可根据现场楼层高度，风机频率变换相应等手动调整，本现场最后调整设置调整时间300S。

在全过程控制中，工作人员随时调整任意分控单元理想环境温度，全系统逐步自调整，维持所有分控单元达到理想状态。

本发明可广泛运用于楼房动物养殖场合。

涉及到电路和电子元器件和模块均为现有技术，本领域技术人员完全可以实现，无需赘言。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种适用于楼房养猪的环境控制系统，其特征在于，包括分控系统和主控系统，其中：

分控系统，包括若干个楼层，每个楼层内包括若干单元，每个单元内设置有环境参数传感器、湿帘、通风窗以及扰流风机，环境参数传感器采集实时环境参数，湿帘安装在通风窗一侧，依靠通风井负压向每个单元内引进新鲜空气排出污浊空气；

主控系统，包括主控制器和显示屏，采集分控系统中每个单元的环境参数信息，根据室外温度和通风井负压预制基础级别计算每个单元的控制情况，主控制器发送控制指令给每个单元的分控制器从而控制湿帘、通风窗及扰流风机，控制湿帘开启关闭频率、通风窗进风口大小开度以及扰流风机开启的频率以实时调整每个单元的通风模式、通风级别和通风量；每个单元的环境参数信息、室外温度、通风井负压预制基础级别、通风井结构以及各单元栋舍大小均能够在显示屏上实时查询得到。

2.根据权利要求1所述的适用于楼房养猪的环境控制系统，其特征在于，所述环境参数传感器包括高精度温湿度传感器、气体传感器、负压传感器以及风速传感器，高精度温湿度传感器采集单元内温度和湿度，气体传感器包括二氧化碳传感器或氨气传感器，分别采集各单元内的二氧化碳含量或氨气含量，负压传感器采集单元内负压大小，风速传感器采集单元内风速大小。

3.根据权利要求1所述的适用于楼房养猪的环境控制系统，其特征在于，所述通风模式包括最小通风、过渡通风和横向通风。

4.基于权利要求1～权利要求3任意一项所述的适用于楼房养猪的环境控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：预设目标参数：针对具有不同功能的单元设定好所需的环境指标；

步骤S2：信息采集：分控系统每个单元内的环境参数传感器采集单元舍内的实时环境参数信息并传送给主控制器；主控制器采集室外温度和通风井负压预制基础级别；

步骤S3：计算控制因子：若某个单元内的实时环境参数信息不符合设定好所需的环境指标，则主控制器计算这个单元的控制情况，得出控制因子；

步骤S4：执行调整：根据步骤S3中得到的控制因子，主控制器发出控制指令给每个单元内的湿帘、通风窗及扰流风机，实时调整湿帘开启关闭频率、通风窗进风口大小开度以及扰流风机开启频率，实时调整通风级别和通风量从而达到养殖所需环境参数信息。

5.根据权利要求1所述的适用于楼房养猪的环境控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中环境指标包括目标温度、目标负压及目标通风量。

6.根据权利要求1所述的适用于楼房养猪的环境控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中环境指标是根据养殖畜禽日龄曲线算法得出。

7.根据权利要求1所述的适用于楼房养猪的环境控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S3中主控制器采用无模型自适应算法计算每个单元的控制情况，具体算法如下：

各个分控单元的相对偏差：Δn＝α*T_n+β*P_n

其中，T_n、P_n为各分控单元实时温度及舍内压力与理想值的相对偏差，α、β是这两种控制因素的比例因子，n为大于等于1的自然数；

主控环境变量：Δm＝δ*(η*T_m+θ*P_m)

其中，T_m为调整周期内主控采集室外温度的相对差值，P_m为调整周期内管道通风井内平均压力的相对差值，η、θ是这两种控制因素的比例因子，δ为偏差调节因子，控制效果不理想可手动或系统自动调节，调整周期根据现场楼层高度、风机频率变换参数手动进行相应调整；

过程变量：S＝∫Δ1+∫Δ2+……+∫Δn

其中过程变量S为所有分控单元的相对偏差积分求和；

过程变量：M＝∫Δm

其中过程变量M为主控环境变量积分；

控制因素：Air＝|Air₁|+|Air₂|+……+|Air_n|

其中，Air为各分控单元环境控制质量，最大取零,负的越大代表环境不合格，|Air_n|为个单元目标二氧化碳或氨气值减去实际的二氧化碳或者氨气值，n取大于等于1的自然数；

判断上述控制因子：

若F_n＝(M>S&&Air<＝0)满足，则主控系统根据设定好的风机位置逐步降低管道内风井压力P_m；

若F_n＝(M>S&&Air<＝0)不满足，则主控系统根据设定好的风机位置逐步升高管道内风井压力P_m。

8.根据权利要求1所述的适用于楼房养猪的环境控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，执行调整过程中，还包括风窗校准功能，消除由于使用不同规格的进风、排风扇带来的开度偏差。

9.根据权利要求1所述的适用于楼房养猪的环境控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，执行调整过程中，还包括夜间补偿功能，根据昼夜温差、气压不同，实时调整各时段不同功能的单元设定好所需的环境指标。

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