基于模糊PID解耦算法的多功能禽舍環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計

柴 鈺，于全剛

（西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西西安710054）

隨著我國禽類養(yǎng)殖的規(guī)模化發(fā)展，各種各樣的科學(xué)管理方法應(yīng)用其中，切實達到了高效、省時、省力的效果。然而固有的管理方法在不同的氣候和壞境下，產(chǎn)生的效益時好時壞，所以設(shè)計一種可靠有效而且經(jīng)濟方便的禽類環(huán)境控制系統(tǒng)來代替人工管理已是當(dāng)務(wù)之急［1－2］。目前國內(nèi)的禽類養(yǎng)殖普遍使用較低端的處理器進行溫濕度的控制，由于溫濕度之間的耦合關(guān)系，溫濕度難以同時到達設(shè)定值，針對此本研究設(shè)計出一種基于數(shù)字信號處理芯片（Digital Signal Processing，DSP）的多功能禽類環(huán)境控制系統(tǒng)，加入模糊比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）解耦算法把溫度和濕度通過解耦進行控制，較以往的控制系統(tǒng)最大的優(yōu)點在于智能化高，信息監(jiān)測實時性好。

1 控制器系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

針對我國禽類養(yǎng)殖業(yè)現(xiàn)狀，本文提出一系列可行性方案，建立了多功能禽舍環(huán)境控制系統(tǒng)。硬件控制系統(tǒng)大體可分為四個部分：主控單元、信息采集單元、執(zhí)行控制單元與遠程控制單元。系統(tǒng)硬件架構(gòu)框圖如圖1所示，主控單元包含DSP 處理器、系統(tǒng)時鐘、信息采集與發(fā)送總線，功能是分析計算與下達控制命令的中心。信息采集單元包含了影響禽類生長因素的所有傳感器，例如無線溫濕度傳感器、氣體檢測傳感器、壓力傳感器等。其中無線溫濕度傳感器能夠靈活地對不同點進行采樣，從而達到無盲區(qū)的檢測。執(zhí)行控制單元接收到DSP下達的指令，進而控制設(shè)備，例如攝像頭、熱風(fēng)機、通風(fēng)機、濕簾、噴霧器等。遠程控制單元包括上位機與手持設(shè)備，能夠把主控單元發(fā)送的數(shù)據(jù)顯示在終端上，內(nèi)容包括實時監(jiān)控畫面、調(diào)節(jié)信息、當(dāng)前禽舍環(huán)境狀況信息以及報警信息等。同時終端能夠向禽類環(huán)境控制器發(fā)送控制命令，使控制效果更佳。

通過主控單元上的觸摸屏或者上位機或者手持終端來設(shè)置主控單元；通過信息采集單元將數(shù)據(jù)采集后上傳至主控單元，然后主控單元對數(shù)據(jù)進行分析計算；主控單元將計算結(jié)果發(fā)送給上位機或者手持設(shè)備，同時向執(zhí)行控制單元發(fā)送控制指令。執(zhí)行控制單元接收到執(zhí)行指令后，進而控制設(shè)備進行調(diào)節(jié)；信息采集單元不斷將禽舍中的環(huán)境參數(shù)采集，上傳到DSP，經(jīng)過處理并顯示。

1.2 部分硬件選型

DSP選取TMS320F28335，該數(shù)字信號處理芯片為浮點型，主頻150 MHz，擁有6 個直接存儲器訪問（DMA）通道，內(nèi)存相對于同系列其他DSP 更高，在算法處理上會滿足更為復(fù)雜的運算。豐富的通訊模塊如：SCI，I2C，SPI等，可以滿足工業(yè)觸摸屏，無線通信等要求。配有16個12位ADC通道可以滿足多個傳感器的使用。12個可配置外部中斷可充分應(yīng)對復(fù)雜的外部變化。PWM 功能特色比較顯著，可產(chǎn)生更為精準(zhǔn)的PWM 波［3］。

選用的無線溫濕度傳感器模塊能夠組建基于ZigBee協(xié)議無線網(wǎng)絡(luò)，通過搭建485 轉(zhuǎn)232 模塊，可在該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中建立一個基站（上位機）。滿足多角度溫濕度檢測需求。傳感器型號為JWSK－80EW，溫度測量范圍：－20 ℃～60 ℃精度為：0.5 ℃；濕度范圍：0% RH～100% RH，精度3% RH。此外網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多，通訊距離遠以及抗干擾能力強也符合現(xiàn)代化大型養(yǎng)殖場地的要求。

由于傳統(tǒng)的鍋爐供暖會給環(huán)境帶來一定的污染，我國將逐步淘汰該供暖方式。鍋爐燃燒天然氣的代價太高，因此在該系統(tǒng)中嘗試使用電來供暖。該系統(tǒng)采用BRYS－400暖風(fēng)機，該暖風(fēng)機以水為導(dǎo)熱介質(zhì)，使得保溫更持久。

圖1 禽類環(huán)境控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)框圖Fig.1 Birdhouse environment control hardware structure diagram

圖2 主程序流程圖Fig.2 Main program flowchart

1.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

如圖2所示，該系統(tǒng)主程序是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。啟動系統(tǒng)將進行初始化，之后系統(tǒng)設(shè)置，輸入當(dāng)前雞舍參數(shù)，包括當(dāng)天入舍雞只日齡，指定風(fēng)機啟動數(shù)目等；DSP給信息采集總線模塊分配數(shù)據(jù)采集任務(wù)，傳感器開始采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過簡單數(shù)據(jù)融合后上傳到DSP；數(shù)據(jù)處理部分主要功能是將采集的數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)設(shè)置輸入的信息代入算法中運算，得到一系列將要執(zhí)行控制數(shù)據(jù)結(jié)果；執(zhí)行控制部分通過繼電器組進而控制風(fēng)機、排風(fēng)機以及加熱器等。動作完成后系統(tǒng)將實時檢測舍內(nèi)數(shù)據(jù)，待舍內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定后將檢測當(dāng)前狀態(tài)是否滿足要求；結(jié)果顯示在觸摸屏上或通過無線發(fā)送給上位機或手持終端。

此處例舉一下報警中斷子程序。報警模塊任務(wù)是當(dāng)遇到故障或者檢測到數(shù)據(jù)錯誤時實現(xiàn)報警輸出，如溫差比較大或風(fēng)機啟動數(shù)量與設(shè)置的不一樣時。為簡化程序，在外部電路中撘有硬件檢測掉電電路，實現(xiàn)掉電報警喇叭將脫離系統(tǒng)進行報警。如圖3所示為報警中斷子函數(shù)流程圖。檢測數(shù)據(jù)錯誤，如當(dāng)前室溫與理想溫度相差2 ℃以上或者濕度差距30%RH 或者風(fēng)機啟動數(shù)量與設(shè)置的數(shù)量不同等；當(dāng)檢測出錯誤后，信息上傳至DSP顯示，報警器輸出報警；系統(tǒng)得到報警信息后，調(diào)整該報警事件優(yōu)先級，采取相應(yīng)措施，如采用噴霧器強加濕措施；檢測報警是否解除，若解除系統(tǒng)正常，否則繼續(xù)報警；

2 控制算法設(shè)計

2.1 禽舍結(jié)構(gòu)與控制算法的聯(lián)系

往往采用嚴格的科學(xué)管理模式也總與理想狀態(tài)下有很大的差距，主要由于一些不可避免的外界因素的影響，例如飼養(yǎng)員消毒不徹底，氣流、溫度與濕度的不均勻性可能導(dǎo)致禽類疾病的發(fā)生［3］。因此合理的禽舍結(jié)構(gòu)布局與控制效果好的控制算法是系統(tǒng)設(shè)計的重中之重。

本系統(tǒng)充分考慮到了影響禽類生存環(huán)境的幾大因素，如溫度、濕度、通風(fēng)量等。不同家禽的習(xí)性略有不同。本系統(tǒng)暫以白羽肉雞為養(yǎng)殖對象來定向分析。如圖4所示為本系統(tǒng)所采用的高床濕簾組合的禽舍結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)顯著優(yōu)點有：通風(fēng)量均勻，風(fēng)流緩和，降溫加濕均衡以及衛(wèi)生指標(biāo)高。

進風(fēng)口位于高處，通過分流管道使得進風(fēng)量平均分散到雞舍空間中。當(dāng)禽舍需要升溫時，風(fēng)機、加熱器與排風(fēng)機開始工作，即吹進熱風(fēng)；需要降溫時濕簾與排風(fēng)機工作；加濕與降溫時，為避免靠近濕簾的雞只著涼，特別設(shè)計的隔濕墻，使?jié)穸容^高的氣流上升，越過隔濕墻后自上而下均勻擴散，較沒有隔濕墻的加濕降溫效果更合理［4］。

圖3 報警中斷程序流程圖Fig.3 Alarm interrupt program flowchart

圖4 禽舍結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Birdhouse structure diagram

2.2 被控因素的研究

白羽肉雞在37～43d，隨著日齡增加，禽舍環(huán)境的溫濕度總體呈下降趨勢。而通風(fēng)量則為上升趨

圖5 雞只日齡與溫度關(guān)系曲線圖Fig.5 Graph of relation between chicken age and temperature

該系統(tǒng)控制因素有溫濕度、通風(fēng)量、光照、氣體質(zhì)量、補水量以及飼料供給量。其中除溫濕度因素外，其他因素都是容易控制的。由于現(xiàn)實中溫濕度有嚴重的耦合現(xiàn)象，即在提高濕度時溫度會降低，提高溫度時濕度會降低。在禽舍結(jié)構(gòu)設(shè)計上也是充分考慮到溫濕度變化的均勻性，使得溫濕度控制算法更好的應(yīng)用到現(xiàn)實中。在該系統(tǒng)搭建時設(shè)想排風(fēng)機按照排風(fēng)量需求、加溫、降溫加濕而運行，溫度調(diào)節(jié)最小間隔0.5 ℃，濕度最小間隔10% RH。如圖8所示為本系統(tǒng)采用自整定模糊PID 溫濕度解耦控制算法［5－6］框圖。該算法為雙輸入輸出通道，即現(xiàn)實溫濕度輸入，輸出溫濕度調(diào)節(jié)量。其中r1與r2為溫勢，通風(fēng)量要嚴格參考每個雞只的日呼吸量以及空氣質(zhì)量。如圖5～7為白羽肉雞的日齡與溫度、濕度以及呼吸量的曲線，此外還有雞只日齡與平均體重，光照時間以及進食量有關(guān)。在實際控制中要嚴格按照該曲線執(zhí)行控制。濕度輸入量，e1與e2為輸入偏差量，ec1與ec2為輸入偏差導(dǎo)數(shù)量。PID 控制算法應(yīng)用最廣，優(yōu)點在此不作介紹。該系統(tǒng)是一個多變的復(fù)雜系統(tǒng)，而PID算法需要設(shè)定參數(shù)來滿足一個固定的數(shù)學(xué)控制模型。為使其自動調(diào)節(jié)三個參數(shù)（比例、微分、積分）而采用模糊控制算法。模糊控制算法與PID 在參數(shù)設(shè)置上類似，需要依靠經(jīng)驗來驗證參數(shù)，直到效果更佳為止。算法設(shè)計最后一部分體現(xiàn)了溫濕度的耦合關(guān)系，為使得系統(tǒng)便于控制而對其進行解耦［7－17］。

圖6 雞只日齡與濕度關(guān)系曲線圖Fig.6 Graph of relation between chicken age and humidity

2.3 自整定模糊PID 溫濕度控制算法

現(xiàn)代控制算法中PID 控制算法比重占到85%到90%，其控制優(yōu)點不言而喻，PID控制算法不再描述。對于系統(tǒng)的模糊控制部分最大的特點為雙輸入三輸出，以下詳細介紹系統(tǒng)輸入模糊化，隸屬函數(shù)的選取，推理機設(shè)計以及輸出解模糊化［18－20］。

圖7 雞只日齡與呼吸量關(guān)系曲線圖Fig.7 Graph of relation between chicken age and respiratory capacity

模糊系統(tǒng)輸入量（溫濕度偏差以及偏差導(dǎo)數(shù)）模糊化，取模糊量“正大”（PB）、“正中”（PM）、“小”（PS）、“零”（ZO）、“負小”（NS）、“負中”（NM）、“負大”（NB）?，F(xiàn)以溫度來說明，溫度最大要求不得高于或低于理論溫度2 ℃，e＝≤0.5 ℃時視為穩(wěn)定。溫度偏差模糊化后如表1所示。

溫度偏差導(dǎo)數(shù)可用兩次溫度采樣差值來表示。模糊化如溫度偏差一樣，取模糊量“正大”（PB）、“正中”（PM）、“小”（PS）、“零”（ZO）、“負小”（NS）、“負中”（NM）、“負大”（NB）。試驗中連續(xù)兩次采樣溫差最大為0.8 ℃，于是確定ec變化范圍為［－0.8，0.8］。為了便于計算取η＝5×ec，即η模糊化后如表2所示。

圖8 自整定模糊PID 溫濕度解耦控制算法框圖Fig.8 Self－turning fuzzy PID temperature and humidity decoupling control algorithm diagram

表1 偏差e模糊子集量化Table 1 Fuzzy subsets of deviation e

輸出的模糊控制量P，I，D 經(jīng)過解模糊化（kp＝

表2 誤差變化量η模糊子集量化Table 2 Fuzzy subsets of temperature deviation variationη

P／10，kI＝I／50，kI＝D／10）后可得到及kD，代入（ek－ek－1）可得到調(diào)整量，調(diào)整量根據(jù)不同的值對應(yīng)輸出控制的PWM 占空比不同，進而控制熱風(fēng)機的轉(zhuǎn)這。取模糊量“正大”（PB）、“正中”（PM）、“小”（PS）“零”（ZO）。條件推導(dǎo)語句如下：

表3 輸出P模糊子集量化Table 3 Fuzzy subsets of output P

表4 輸出I模糊子集量化Table 4 Fuzzy subsets of output I

輸出模糊子集（P，I，D）量化見表3～5。表6為模糊控制規(guī)則表。

表5 輸出D 模糊子集量化Table 5 Fuzzy subsets of output D

表6 模糊規(guī)則Table 6 Fuzzy rule

仿真后得到系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如圖9所示，系統(tǒng)穩(wěn)定時間約為0.5秒，溫濕度調(diào)節(jié)過程比較迅速，因此該響應(yīng)特性可以滿足設(shè)計要求。

2.4 溫濕度解耦控制算法

解耦方法有多種，在這里采用代單位陣解耦方法。單位陣解耦需要假設(shè)一個解耦矩陣，使其滿足關(guān)系式：

其中：

經(jīng)過反復(fù)驗證得到耦合矩陣如下：

系統(tǒng)耦合部分關(guān)系式變?yōu)椋?/p>

圖9 自整定模糊PID 溫度控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)Fig.9 Step response curve of self－turning fuzzy PID temperature and humidity control system

如圖10所示系統(tǒng)耦合部分解耦后等效圖。

圖10 解耦等效框圖Fig.10 Decoupling equivalent diagram

3 現(xiàn)場調(diào)試驗證

為驗證該系統(tǒng)在實際中應(yīng)用的效果，試驗雞舍位于山東省青島市郊外某地，為較傳統(tǒng)的非高床溫室結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)缺點，空間溫濕度均勻性不理想。經(jīng)過測試：在200m3空間內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)15min內(nèi)最大調(diào)整溫度2℃，濕度30%RH。對其記錄的24小時溫度觀測數(shù)據(jù)如圖11所示溫度調(diào)節(jié)曲線。在12∶00時設(shè)定溫度由35 ℃改為34 ℃，濕度由80%RH 改為60% RH。用過測試數(shù)據(jù)可以得到如下結(jié)果：溫度跳變范圍小于0.5 ℃，濕度變動范圍少于5%RH；氣體檢測結(jié)果CO2濃度3700PPM，NH3濃度為43PPM。

4 小結(jié)

本研究設(shè)計了一種基于DSP 的禽舍環(huán)境控制系統(tǒng)，并且采用自整定模糊PID 溫濕度解耦控制算法進行實時數(shù)據(jù)分析。該系統(tǒng)優(yōu)點是溫濕度控制精確度高，有害氣體濃度能夠控制在正常范圍以內(nèi)；采用無線實時監(jiān)測，監(jiān)測點多，可節(jié)省大量人力；適應(yīng)性高，通過修改參數(shù)設(shè)置，即可滿足不同環(huán)境下的使用要求；系統(tǒng)節(jié)能性高，衛(wèi)生性符合標(biāo)準(zhǔn)，控制效果顯著等。試驗證明該系統(tǒng)符合現(xiàn)代化養(yǎng)殖需求，具有推廣的潛力。

圖11 舍內(nèi)外溫濕度對比曲線Fig.11 Correlation curve of inside and outside temperature and humidity

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