海產(chǎn)育苗養(yǎng)殖水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張翠敏，楊永剛，姚青梅，胡 山

（1. 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；

2. 中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300）

海產(chǎn)育苗養(yǎng)殖水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張翠敏1，楊永剛2，姚青梅1，胡 山1

（1. 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；

2. 中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300）

0 引言

我國(guó)海水養(yǎng)殖技術(shù)和規(guī)模不斷發(fā)展和擴(kuò)大,已成為世界海水養(yǎng)殖大國(guó)。育苗是海水養(yǎng)殖過(guò)程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié),為保證水產(chǎn)苗種發(fā)育的需要,必須為不同種類(lèi)和不同發(fā)育階段的魚(yú)蝦幼體提供適宜的溫度環(huán)境,以保證幼體的成活并加快其生長(zhǎng)發(fā)育。

水溫是水產(chǎn)品生活條件中極其重要的因子,直接影響著養(yǎng)殖對(duì)象的生理代謝活動(dòng),進(jìn)而影響其生長(zhǎng)發(fā)育。目前水產(chǎn)養(yǎng)苗池調(diào)節(jié)水溫的一般方法是:由人工用溫度計(jì)到各池中測(cè)量溫度數(shù)值,把實(shí)測(cè)溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度比較,根據(jù)比較結(jié)果對(duì)供熱水閥門(mén)進(jìn)行必要的調(diào)節(jié),過(guò)一段時(shí)間后,還需再次對(duì)各水池的溫度進(jìn)行檢測(cè)以決定下一步的調(diào)節(jié)方向。上述過(guò)程需要反復(fù)進(jìn)行,加之由于熱水循環(huán)供熱的不均勻性,每次都需要在多處測(cè)量后取其平均值,費(fèi)工費(fèi)時(shí),極不方便,而且精確度低,可靠性差,從而制約和影響著育苗生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。由于育苗企業(yè)生產(chǎn)管理技術(shù)落后,仔苗的成活率較底,直接影響到育苗企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此,如何提高海水育苗的自動(dòng)化水平和仔苗的成活率,具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

目前國(guó)外有些廠(chǎng)家生產(chǎn)成套的育苗自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備,具有較高的自動(dòng)化水平。國(guó)內(nèi)一些大型水產(chǎn)育苗企業(yè)已進(jìn)行了引進(jìn)。但是由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格較高,產(chǎn)品的技術(shù)性能也不適合國(guó)內(nèi)小型育苗企業(yè),因此沒(méi)有能夠被廣泛推廣應(yīng)用。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究文獻(xiàn)報(bào)道較少。

本課題立足于中小型海水育苗企業(yè)的現(xiàn)狀,研究性能價(jià)格比較高的海水養(yǎng)殖育苗池自動(dòng)化智能溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)仔苗孵化溫度曲線(xiàn)的要求,實(shí)現(xiàn)育苗池的溫度自動(dòng)檢測(cè)和智能控制,避免由于人工調(diào)節(jié)育苗池溫度不及時(shí)造成的巨大損失。

海產(chǎn)養(yǎng)殖的水溫作為被控對(duì)象具有純滯后、非線(xiàn)性、大慣性等特點(diǎn),不同溫度段的時(shí)間常數(shù)不一樣,控制對(duì)象這種特性反映到實(shí)際中,溫度梯度在不同的溫度段有很大差別,如果采用溫度建模的方法,需要考慮多種外界環(huán)境因素的干擾,包括日照、風(fēng)速、風(fēng)向以及水下情況等,很難精確建立起相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。為此,本文根據(jù)仔苗孵化所需的適宜溫度,結(jié)合PID控制算法實(shí)現(xiàn)不同溫度段的智能恒溫控制。

1 海產(chǎn)養(yǎng)殖水溫控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)控制原理

實(shí)現(xiàn)海產(chǎn)養(yǎng)殖水溫的恒定控制,需要實(shí)時(shí)自動(dòng)采集水池內(nèi)多點(diǎn)的溫度值,反饋給控制器,控制器根據(jù)現(xiàn)在池水溫度調(diào)節(jié)PWM的占空比,進(jìn)而調(diào)節(jié)MOS柵-源電壓,控制步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖數(shù)量,從而控制熱水閥門(mén)開(kāi)啟的時(shí)間和角度來(lái)加熱池水,或者給變頻器發(fā)送控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)降低池水溫度,最終達(dá)到水溫智能控制的目的。控制原理如圖1所示,硬件系統(tǒng)主要包括控制器S3C44B0X、溫度傳感器芯片AD590、A／D、步進(jìn)電機(jī)、變頻器和風(fēng)機(jī)等。為降低系統(tǒng)成本,控制系統(tǒng)采用自主開(kāi)發(fā)基于ARM微處理器的嵌入式系統(tǒng),并采用RS485總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。RS485總線(xiàn)抗干擾能力強(qiáng),傳輸距離較遠(yuǎn),適合于較為惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,并具有成本低、可靠性高、使用方便等特點(diǎn)。

圖1 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)硬件

S3C44B0X微處理器是三星公司專(zhuān)為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提供的高性?xún)r(jià)比和高性能的微控制器解決方案,它使用ARM7TDMI核,最高工作頻率為 66MHz。S3C44B0X通 過(guò) 在ARM7TDMI內(nèi)容基礎(chǔ)上擴(kuò)展一系列完整的通用外圍器件,使系統(tǒng)費(fèi)用降至最低,并具有5個(gè)PWM定時(shí)器可以滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的要求。

ADI公司的AD590的測(cè)溫范圍為-55～+150 ℃,它有非常好的線(xiàn)性輸出性能,溫度每增加1℃,其電流增加1μA。

圖2 總體控制電路

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào),它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角,它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī) ,利用其沒(méi)有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。

1.3 熱水閥控制電路

熱水閥的開(kāi)啟角度隨著測(cè)量水溫與設(shè)定水溫的差值的變化而變化,總體控制電路和步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制分別如圖2和3所示,相對(duì)于傳統(tǒng)的恒頻脈寬調(diào)制方式,節(jié)省了鋸齒波發(fā)生電路和D/A轉(zhuǎn)換器。對(duì)于兩相雙極步進(jìn)電機(jī),在正弦波的正半周和負(fù)半周線(xiàn)圈中的電流方向是不同的,為了充分利用資源,用一個(gè)4路與門(mén)對(duì)各路PWM信號(hào)分時(shí)復(fù)用,使每個(gè)PWM口可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)線(xiàn)圈。功率輸出部分使用常見(jiàn)的雙H橋功率放大器L298N。L298N用標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平控制,與單片機(jī)接口方便,可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。

圖3 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制電路

1.4 風(fēng)機(jī)的控制

采用變頻器直接控制風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)載是一種最科學(xué)的控制方法 利用變頻器內(nèi)置調(diào)節(jié)軟件直接調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,結(jié)合水溫的當(dāng)前值,控制池水溫度的降低和保持恒定,從而滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文以蝦苗養(yǎng)殖為對(duì)象,進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),蝦苗的耐溫范圍較廣,最適宜溫度為19～23℃,設(shè)計(jì)要求達(dá)到22±2℃的恒溫控制。本文采用PID反饋調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度曲線(xiàn)的跟蹤控制,系統(tǒng)總的工作流程如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)工作流程

PID控制在很多領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用,PID控制規(guī)律表示比例-積分-微分控制。海產(chǎn)養(yǎng)殖水溫控制系統(tǒng)的PID溫控模塊的主程序流程圖如圖5所示。

PID控制算法是以連續(xù)系統(tǒng)的PID控制規(guī)律為基礎(chǔ),再將其數(shù)字化得到的。PID控制有增量式和位置式,本系統(tǒng)采用的是增量式PID控制,表達(dá)式如下:

其中,Kp為比例系數(shù),Ki為積分系數(shù),Kd為微分系數(shù)。對(duì)應(yīng)的增量式PID控制程序流程圖見(jiàn)圖6。

圖5 主程序控制流程

圖6 PID算法控制流程

工作時(shí),預(yù)先設(shè)定的溫度參數(shù)值,PID控制器把設(shè)定值與實(shí)際測(cè)量的溫度值相減,得到控制誤差,進(jìn)而通過(guò)比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)計(jì)算控制量,控制步進(jìn)電機(jī)的電壓或者變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)恒溫控制。設(shè)定溫度預(yù)設(shè)值為22℃,仿真得到增量式PID控制器的瞬態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 增量式PID控制的瞬態(tài)響應(yīng)

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

按照系統(tǒng)原理,搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),要求系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)22±2℃的恒溫控制,對(duì)池水中某一溫度測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行恒溫跟蹤控制,溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表 1 不同時(shí)刻的溫度控制結(jié)果

從表中可以看出,當(dāng)池水溫度改變時(shí),系統(tǒng)可以很快調(diào)節(jié)完畢,并且結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。因此本文設(shè)計(jì)的海產(chǎn)魚(yú)苗養(yǎng)殖溫度控制系統(tǒng),在相對(duì)比較密集的多個(gè)溫度采集與控制點(diǎn)下,可以快速實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié),節(jié)約人力成本,并能保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本文針對(duì)海產(chǎn)育苗養(yǎng)殖進(jìn)行溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),采用基于ARM的嵌入式結(jié)構(gòu),保證系統(tǒng)具有較小的體積和較低的成本。采用步進(jìn)電機(jī)并結(jié)合PID反饋調(diào)節(jié)控制熱水閥的開(kāi)啟角度實(shí)現(xiàn)池水的加熱,同時(shí)采用變頻器來(lái)控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)池水的降溫,相應(yīng)降低了系統(tǒng)的功耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,為我國(guó)海產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展提供了一定的理論基礎(chǔ)。

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Mariculture temperature control system for marine aquaculture breeding

ZHANG Cui-min1, YANG Yong-gang2, YAO Qing-Mei1, HU Shan1

水溫是水產(chǎn)生物生活條件中極其重要的因子。本文針對(duì)海產(chǎn)育苗養(yǎng)殖的溫度控制要求，采用基于ARM的嵌入式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了具有較小體積和較低成本的海產(chǎn)育苗養(yǎng)殖水溫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)并結(jié)合PID反饋調(diào)節(jié)控制熱水閥的開(kāi)啟角度實(shí)現(xiàn)池水的加熱，同時(shí)采用變頻器來(lái)控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)池水的降溫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠較好滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

海產(chǎn)養(yǎng)殖；嵌入式結(jié)構(gòu)；PID控制；恒溫檢測(cè)

張翠敏(1977－),女,講師,碩士,主要從事電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和電氣自動(dòng)化的研究工作。

TP391

A

1009-0134(2011)1(上)-0217-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.1(上).69

2010-12-03