本發(fā)明屬于自動(dòng)控制領(lǐng)域，具體涉及一種密閉畜禽養(yǎng)殖環(huán)境解耦模糊調(diào)控方法。
背景技術(shù)：
：養(yǎng)殖環(huán)境對(duì)畜禽生長(zhǎng)發(fā)育起到至關(guān)重要的作用，且動(dòng)物疫病的暴發(fā)和傳播與養(yǎng)殖環(huán)境密切相關(guān)。適宜的生長(zhǎng)環(huán)境可以有效提高畜禽的健康水平、繁殖能力以及肉品質(zhì)量，同時(shí)可以減小疾病和疫病的發(fā)生與傳播，因此營(yíng)造適宜的養(yǎng)殖環(huán)境具有重要的意義。對(duì)于北方寒冷地區(qū)，畜禽舍一般采用密閉形式，而密閉的畜禽舍內(nèi)環(huán)境非常惡劣，氨氣、硫化氫、二氧化碳等有害氣體嚴(yán)重超標(biāo)，為了實(shí)現(xiàn)良好的養(yǎng)殖環(huán)境，需要對(duì)畜禽舍環(huán)境進(jìn)行有效的調(diào)控。畜禽舍養(yǎng)殖環(huán)境是一個(gè)時(shí)變的、非線性的和滯后的多環(huán)境變量相互耦合的復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)任一變量的控制，都可能引起其他變量狀態(tài)的變化。由于畜禽舍內(nèi)部環(huán)境的復(fù)雜性無(wú)法對(duì)其精確建模，因此模糊控制更適用于對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境的調(diào)控。發(fā)明專利“禽畜養(yǎng)殖環(huán)境調(diào)控裝置”(授權(quán)公告號(hào)：cn101650574b)，公開(kāi)了一種禽畜養(yǎng)殖環(huán)境調(diào)控裝置，該裝置采用模糊控制，主要設(shè)計(jì)了溫度模糊控制器，通過(guò)控制風(fēng)機(jī)和霧化器來(lái)降低溫度，而沒(méi)有考慮到溫度和濕度、氨氣之間的耦合關(guān)系。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明針對(duì)以上不足之處，提供了一種溫度、濕度和氨氣濃度解耦的模糊調(diào)控方法，其技術(shù)方案如下：一種密閉畜禽養(yǎng)殖環(huán)境解耦模糊調(diào)控方法，包括溫濕度、氨氣解耦模糊控制器和配合所述控制器工作的其他系統(tǒng)或裝置，具體包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和上位機(jī)軟件系統(tǒng)；所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、氨氣傳感器、微處理器、存儲(chǔ)器等，所述的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要包括zigbee射頻模塊、dtu和微處理器，控制系統(tǒng)主要包括繼電器、風(fēng)機(jī)、加熱器、變頻器和送風(fēng)管道、工業(yè)霧化加濕器，上位機(jī)軟件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)信息的接收、存儲(chǔ)、分析和處理，其中模糊調(diào)控算法在上位機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)；所述的解耦模糊調(diào)控方法工作流程為：安裝在畜禽舍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集的溫度、濕度和氨氣濃度信息通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸給上位機(jī)軟件系統(tǒng)，上位機(jī)軟件系統(tǒng)根據(jù)采集的環(huán)境參數(shù)和環(huán)境解耦模糊調(diào)控算法，生成環(huán)境調(diào)控指令，然后將調(diào)控指令通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳送給控制系統(tǒng)，控制相應(yīng)的調(diào)控設(shè)備工作，從而對(duì)畜禽舍環(huán)境起到調(diào)節(jié)的作用。所述的溫濕度、氨氣解耦模糊控制器主要包括溫度模糊控制器、通風(fēng)模糊控制器、濕度控制器以及溫度和濕度的解耦控制部分，模糊控制器采用二維結(jié)構(gòu)，輸入為偏差和偏差變化率，輸出為控制變量；首先根據(jù)養(yǎng)殖對(duì)象所需的適宜環(huán)境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置模糊控制器輸入的物理論域，環(huán)境參數(shù)包括溫度、濕度和氨氣濃度，各個(gè)參數(shù)使用相同的模糊論域，偏差e的模糊論域?yàn)閧-3,-2,-1,0,1,2,3}，對(duì)應(yīng)的模糊集合為{nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb}，偏差變化率ec的模糊論域{-2,-1,0,1,2}，對(duì)應(yīng)的模糊集合為{nb,ns,zo,ps,pb}，根據(jù)物理論域和模糊論域計(jì)算不同環(huán)境變量的量化因子，對(duì)環(huán)境變量進(jìn)行模糊化，輸出控制變量的模糊論域?yàn)閧0,1,2,3}，對(duì)應(yīng)的模糊集合為{zo,ps,pm,pb}，模糊控制規(guī)則如下表所示：根據(jù)不同控制變量物理論域和模糊論域計(jì)算得到不同的比例因子，然后通過(guò)模糊推理和反模糊化，得到最終的輸出控制變量，各個(gè)控制變量模糊集含義如下表所示：被控對(duì)象含義zopspmpb風(fēng)機(jī)不開(kāi)風(fēng)機(jī)開(kāi)n個(gè)風(fēng)機(jī)開(kāi)2n個(gè)風(fēng)機(jī)開(kāi)3n個(gè)風(fēng)機(jī)加熱器不開(kāi)加熱器小功率中功率大功率加熱器功率通過(guò)連接的變頻器控制，風(fēng)機(jī)、加熱器和加濕器的功率和數(shù)量與畜禽舍尺寸有關(guān)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定被控對(duì)象具體值，風(fēng)機(jī)用于調(diào)節(jié)氨氣濃度和濕度，加熱器用于調(diào)節(jié)溫度，工業(yè)霧化加濕器用于調(diào)節(jié)濕度，通風(fēng)模糊控制器根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻采集的濕度和氨氣濃度判斷開(kāi)啟風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)，當(dāng)濕度大于高臨界值時(shí)，風(fēng)機(jī)全部開(kāi)啟，當(dāng)濕度小于高臨界值時(shí)，通風(fēng)模糊控制器受氨氣偏差和氨氣偏差變化率控制，確定開(kāi)啟風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)，開(kāi)啟通風(fēng)后，計(jì)算通風(fēng)帶來(lái)的溫度損失和濕度損失，然后分別開(kāi)啟加熱器和霧化加濕器進(jìn)行溫度補(bǔ)償和濕度補(bǔ)償，加熱器將室外冷空氣加熱后通過(guò)送風(fēng)管道送入舍內(nèi)，當(dāng)各個(gè)溫度、濕度和氨氣超過(guò)模糊控制區(qū)域時(shí)，屬于確定控制區(qū)，則相應(yīng)的調(diào)控設(shè)備開(kāi)到最大。本發(fā)明的有益效果表現(xiàn)在：對(duì)風(fēng)機(jī)的控制采用分段條件控制，當(dāng)濕度高于臨界值時(shí)，采用濕度控制風(fēng)機(jī)，當(dāng)濕度低于臨界值時(shí)采用氨氣偏差和氨氣偏差變化率控制，既可以解決了多個(gè)變量控制同一輸出變量時(shí)可能出現(xiàn)的矛盾，又減小了采用濕度偏差和氨氣偏差作為通風(fēng)模糊控制器輸入時(shí)帶來(lái)的超調(diào)和震蕩；同時(shí)采用了溫度和濕度的解耦處理，解決了溫度、濕度和氨氣之間的耦合關(guān)系，從而使三個(gè)參數(shù)均保持在適宜的范圍內(nèi)。附圖說(shuō)明圖1是多源感知節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖。圖2是多源感知節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖。圖3是豬舍環(huán)境解耦模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖。圖4是通風(fēng)模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖。圖5是氨氣濃度變化曲線。圖6是相對(duì)濕度變化曲線。圖7是溫度變化曲線。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。以北方冬季密閉式空懷妊娠母豬舍為例，對(duì)解耦模糊調(diào)控方法進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。所述的一種密閉畜禽舍養(yǎng)殖環(huán)境解耦模糊調(diào)控方法，包括溫濕度、氨氣解耦模糊控制器和配合所述控制器工作的其他系統(tǒng)或裝置，具體包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和上位機(jī)軟件系統(tǒng)。本實(shí)例所采用的數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)為一個(gè)集成的多源感知節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖和實(shí)物圖分別如圖1和圖2所示。節(jié)點(diǎn)由電源、微處理器、zigbee通訊模塊、溫濕度傳感器、光照度傳感器、二氧化碳傳感器、硫化氫傳感器以及氨氣傳感器等組成，并且通過(guò)lcd顯示屏顯示環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)信息。一個(gè)畜禽舍內(nèi)可以安裝一個(gè)或者多個(gè)感知節(jié)點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行安裝，多個(gè)感知節(jié)點(diǎn)通過(guò)zigbee無(wú)線組網(wǎng)的方式進(jìn)行組網(wǎng)，各個(gè)子節(jié)點(diǎn)將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，然后匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。上位機(jī)系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)送入解耦模糊控制器，得到輸出控制變量，將控制變量通過(guò)無(wú)線方式傳送到控制系統(tǒng)，從而控制風(fēng)機(jī)、加熱器和霧化加濕器等的開(kāi)啟與關(guān)閉，完成調(diào)節(jié)過(guò)程。所述的解耦模糊控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括溫度模糊控制器、通風(fēng)模糊控制器和濕度控制器，系統(tǒng)輸入為舍內(nèi)溫度、濕度、氨氣濃度和舍外濕度，系統(tǒng)輸出控制變量，調(diào)控設(shè)備包括風(fēng)機(jī)、加熱器和加濕器。通風(fēng)模糊控制器主要受氨氣濃度偏差和氨氣濃度偏差變化率控制，通風(fēng)模糊控制器輸出控制變量控制風(fēng)機(jī)開(kāi)啟模式。風(fēng)機(jī)受兩個(gè)環(huán)境變量控制，一個(gè)是舍內(nèi)相對(duì)濕度，一個(gè)是舍內(nèi)氨氣濃度。氨氣和濕度之間存在耦合，當(dāng)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)降低氨氣濃度時(shí)，可能造成濕度下降，因此需要進(jìn)行濕度補(bǔ)償。以空懷妊娠母豬舍為例，在密閉式有采暖設(shè)備的豬舍，其適宜的相對(duì)濕度范圍為55％～65％，高臨界值為80％，低臨界值為45％。首先判斷舍內(nèi)相對(duì)濕度，若高于設(shè)定的高臨界值80％，則風(fēng)機(jī)全部開(kāi)啟，需要迅速降低舍內(nèi)濕度；若低于設(shè)定的高臨界值80％，則風(fēng)機(jī)受通風(fēng)模糊控制器控制，主要用于調(diào)節(jié)舍內(nèi)氨氣濃度值。同時(shí)，判斷舍內(nèi)相對(duì)濕度是否低于設(shè)定的低臨界值45％，若低于該值，則開(kāi)啟霧化加濕器，對(duì)豬舍進(jìn)行增濕，提高舍內(nèi)相對(duì)濕度。溫度模糊控制器主要受溫度偏差和溫度偏差變化率控制，輸出控制量為加熱器頻率，不同頻率對(duì)應(yīng)不同的加熱器功率，從而提供不同的熱量。溫度與通風(fēng)之間也存在耦合關(guān)系，當(dāng)開(kāi)啟通風(fēng)之后，舍外冷空氣進(jìn)入舍內(nèi)，與舍內(nèi)空氣混合，會(huì)造成舍內(nèi)溫度下降，因此需要對(duì)通風(fēng)引起的溫度下降進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)通風(fēng)量和舍內(nèi)與舍外空氣的溫度差，可以計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)臒崃?，然后通過(guò)控制加熱器頻率或功率，將舍外的空氣進(jìn)行預(yù)熱，然后通過(guò)送風(fēng)管道送入舍內(nèi)。溫度模糊控制器和通風(fēng)模糊控制器結(jié)構(gòu)相似，通風(fēng)模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示，設(shè)定舍內(nèi)氨氣濃度變化范圍，然后與舍內(nèi)氨氣濃度做差，將氨氣濃度偏差和氨氣濃度偏差變化率作為模糊器輸入。首先對(duì)輸入的精確值進(jìn)行模糊化，然后通過(guò)模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，輸出模糊的控制變量，然后再對(duì)該控制變量進(jìn)行解模糊化，得到精確的控制變量，最后控制風(fēng)機(jī)的開(kāi)啟與關(guān)閉，從而對(duì)舍內(nèi)氨氣濃度進(jìn)行調(diào)控。溫度模糊控制器原理相同，下面詳細(xì)介紹一下模糊控制器工作過(guò)程。首先設(shè)定模糊控制器的物理論域，根據(jù)中國(guó)人民共和國(guó)規(guī)模豬場(chǎng)環(huán)境參數(shù)及環(huán)境管理標(biāo)準(zhǔn)(gb/t17824.3-2008)可知，空懷妊娠母豬舍溫度適宜范圍為15～20℃，相對(duì)濕度舒適范圍為60～70％，氨氣上限值為25mg/m3，因此取溫度設(shè)定值為18℃，物理論域?yàn)閇-3℃,3℃]，氨氣濃度設(shè)定值為12mg/m3，物理論域?yàn)閇-12mg/m3,12mg/m3]，同時(shí)設(shè)定溫度偏差變化率的物理論域?yàn)閇-2℃,2℃]，氨氣濃度偏差變化率的物理論域?yàn)閇-5mg/m3,5mg/m3]。溫度模糊控制器和通風(fēng)模糊控制器采用相同的模糊論域，偏差e的模糊論域?yàn)閧-3,-2,-1,0,1,2,3}，對(duì)應(yīng)的模糊集合為{nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb}，偏差變化率ec的模糊論域{-2,-1,0,1,2}，對(duì)應(yīng)的模糊集合為{nb,ns,zo,ps,pb}。根據(jù)物理論域和模糊論域可以計(jì)算得到溫度偏差和溫度偏差變化率的量化因子均為1，氨氣偏差的量化因子為1/4，氨氣偏差變化率的量化因子為2/5。根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)豬舍內(nèi)濕度高時(shí)，應(yīng)該通風(fēng)降低濕度，當(dāng)濕度低時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行加濕提高濕度，當(dāng)豬舍內(nèi)氨氣濃度大時(shí)，應(yīng)該加大通風(fēng)量降低濃度，當(dāng)豬舍溫度低時(shí)應(yīng)該加熱，溫度高時(shí)應(yīng)該開(kāi)通風(fēng)降溫?？紤]冬季北方密閉豬舍，一般氨氣濃度比較高，冬季舍內(nèi)濕度比較大，但是外界濕度較低，舍內(nèi)主要需要通過(guò)加熱提高溫度，不需要開(kāi)啟通風(fēng)降溫。因此，可以看到風(fēng)機(jī)主要受濕度和氨氣濃度兩個(gè)變量控制，加濕器受濕度控制，加熱器受溫度控制。由于濕度和氨氣濃度同時(shí)控制風(fēng)機(jī)，可能出現(xiàn)矛盾，因此設(shè)置在不同階段，風(fēng)機(jī)受不同變量控制。當(dāng)濕度大于高臨界值時(shí)風(fēng)機(jī)受濕度控制，否則受氨氣控制。溫度和通風(fēng)模糊控制器采用相同的控制規(guī)則，如下表所示：輸出控制變量分別為風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)和加熱器功率，輸出控制變量模糊集合為{zo,ps,pm,pb}，基本論域?yàn)閧0,1,2,3}，輸出控制變量與實(shí)際豬舍尺寸有關(guān)，假設(shè)豬舍尺寸為75×25×2.8米，則對(duì)應(yīng)的模糊集含義定義如下表，其中單個(gè)風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量為1100m3/h。被控對(duì)象含義zopspmpb風(fēng)機(jī)不開(kāi)風(fēng)機(jī)開(kāi)2個(gè)風(fēng)機(jī)開(kāi)4個(gè)風(fēng)機(jī)開(kāi)6個(gè)風(fēng)機(jī)加熱器不開(kāi)加熱器小功率(15kw)中功率(20kw)大功率(25kw)以黑龍江省哈爾濱市呼蘭區(qū)鴻福養(yǎng)殖場(chǎng)空懷妊娠母豬舍為例，對(duì)解耦模糊控制進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。豬舍尺寸為75×25×2.8米，在舍內(nèi)安裝了一套多源感知節(jié)點(diǎn)，可以采集溫度、濕度和氨氣濃度等參數(shù)，該舍采用人工控制的方法對(duì)舍內(nèi)環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，每天早上5-6點(diǎn)左右開(kāi)啟全部風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，至傍晚4-5點(diǎn)左右關(guān)閉所有風(fēng)機(jī)，在開(kāi)啟風(fēng)機(jī)的同時(shí)，開(kāi)啟加熱器對(duì)進(jìn)入舍內(nèi)的冷空氣進(jìn)行預(yù)熱，然后通過(guò)送風(fēng)管道送入舍內(nèi)，舍內(nèi)無(wú)加濕設(shè)備。2017年3月16日凌晨12:00至17日凌晨12:00采集的舍內(nèi)數(shù)據(jù)與采用本發(fā)明提出的解耦模糊控制器調(diào)控之后的氨氣濃度、濕度和溫度變化曲線分別如圖5～7所示。從圖中可以看到，通過(guò)人工控制的方法，雖然白天氨氣濃度低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但是夜間嚴(yán)重超標(biāo)，同時(shí)，對(duì)于氨氣濃度降到一定程度即可，而白天所有風(fēng)機(jī)一直開(kāi)啟，必然會(huì)造成電量的浪費(fèi)。因此，人工調(diào)控的辦法無(wú)法很好的對(duì)豬舍環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。采用模糊調(diào)控方法控制風(fēng)機(jī)后，可以看到，當(dāng)氨氣濃度嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)，通過(guò)調(diào)控氨氣濃度迅速下降，當(dāng)下降到一定值后，通過(guò)調(diào)整部分風(fēng)機(jī)的開(kāi)啟與關(guān)閉，使氨氣濃度始終保持在一定數(shù)值內(nèi)，上下波動(dòng)，即使在夜間，也可以自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)，降低氨氣濃度，同時(shí)又可以避免開(kāi)啟過(guò)多風(fēng)機(jī)造成不必要的能量損耗。從濕度變化曲線可以看到，經(jīng)過(guò)人工調(diào)控后，相對(duì)濕度在35％-65％之間波動(dòng)，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)之后相對(duì)濕度偏低，經(jīng)過(guò)解耦模糊調(diào)控后，相對(duì)濕度保持在55％～65％之間，比較適宜。從溫度變化曲線可以看出，舍外溫度較低，未進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)那闆r下，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)之后，溫度明顯下降，低于適宜溫度范圍，而在采用解耦模糊控制，加入溫度補(bǔ)償之后，溫度基本恒定在18攝氏度左右。對(duì)于人工調(diào)控，由于進(jìn)入舍內(nèi)的空氣進(jìn)行了預(yù)熱，也即進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，因此溫度也較適宜。從仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均可看到，解耦后的調(diào)控可以使溫度、濕度和氨氣濃度均保持在適宜的范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)12