高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖中溶解氧的歸一化模糊控制

（建東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州，213000） 馬鴻雁

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在高密度養(yǎng)殖系統(tǒng)中，除了自然條件外，常見的溶解氧降低主要在投飼料后，一方面因為魚類在消化食物過程中，呼吸速度大大加快，導(dǎo)致溶解氧快速下降；另一方面投飼料后魚類代謝活動增加，產(chǎn)生了排泄物，排泄物和剩余飼料的分解消耗了溶解氧，導(dǎo)致了水體中溶解氧的降低。

目前國內(nèi)增氧機(jī)主要有葉輪式、水車式、管式等。它們都基于同樣的原理：通過擴(kuò)散原理使氧氣從空氣中溶入到水體中。增氧的速率取決于三個基本因素：氧在水中的欠缺程度；水與空氣接觸的表面積大小；水體擾動的程度。增氧機(jī)的作用一是增加空氣中的氧氣向池塘水體溶解；二是促進(jìn)水體上下交換。池水上層由于浮游生物的光合作用而富含氧氣，水體中層及下層由于光照條件差、殘餌、淤泥分解耗氧大而呈貧氧狀態(tài)，使用增氧機(jī)，可促進(jìn)上下水層交換，改善和提高整個水體的溶氧狀況；三是曝氣作用。養(yǎng)殖魚類或其它水生生物的新陳代謝廢物以及殘餌、淤泥。分解所產(chǎn)生的有害氣體通過增氧機(jī)攪動水體，散逸到大氣中，從而改善池水水質(zhì)狀況[1][2]。

1.1 硬件電路工作過程

溶解氧傳感器信號經(jīng)放大后直接接入CPU（P89LPC938）內(nèi)置A/D 轉(zhuǎn)換電路輸入端，CPU 首先與設(shè)定值相比較，如果輸入CPU數(shù)字信號對應(yīng)的濃度值小于5.0mg/L，直接工頻啟動電機(jī)，增氧電機(jī)額定功率增氧；特殊情況下如果濃度值小于4.5mg/L，工頻啟動電機(jī)的同時發(fā)出聲光報警，提醒工作人員如果工頻工作不能有效提高溶氧含量則必須采取拋灑溶氧劑等應(yīng)急措施。（從成本的考慮及事件發(fā)生概率極低等原因，系統(tǒng)沒有配置自動噴撒溶氧劑設(shè)備。）如果溶氧濃度值大于5.0mg/L 小于5.5mg/L，則系統(tǒng)經(jīng)模糊歸一化計算后輸出電壓值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號，并經(jīng)放大后輸出至變頻器，變頻調(diào)速增氧電機(jī)[3]。

1.2 溶解氧傳感電路

溶解氧控制系統(tǒng)主要由溶解氧傳感器、模糊控制器、變頻器、增氧電機(jī)等組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制器根據(jù)設(shè)置的溶氧值Yr（5.5mg/L）和檢測到的實時溶氧量Yk 計算出溶解氧的誤差Ek 和誤差變化率ΔEk，（Ek＝Y(jié)r-Yk；ΔEk＝Ek-Ek-1）再利用Ek、ΔEk依據(jù)模糊控制算法求出控制系統(tǒng)的控制輸出量[4]。

1.2.1 傳感電路原理

溶氧測量采用電極法，電極的陰極由4mm黃金片組成，陽極即參比電極為銀電極，兩極的空間中充以電解液，兩端用具有通透選擇性聚四氟乙烯薄膜覆蓋，當(dāng)對金電極與銀電極間加0.7V左右的極化電壓時，水中溶解氧透過薄膜，在陰極上還原，產(chǎn)生穩(wěn)定的擴(kuò)散電流：

其中K為常數(shù)；n為反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，Pm為薄膜的滲透系數(shù)，Dm為薄膜的厚度，A為陰極面積，Cs為樣品中的氧分壓，I為擴(kuò)散電流。當(dāng)電極結(jié)構(gòu)固定，陰極面積一定，薄膜的種類與厚度一定，Pm、A、Dm為常數(shù)，則式（1）變?yōu)椋?/p>

由（2）式可知擴(kuò)散電流I 的大小與氧分壓成正比，測得電流值便可計算出溶解氧含量。

1.2.2 傳感電路校正

溶解氧傳感器輸出電流與溶解氧含量的高低成非線性關(guān)系，采用簡單的線性擬合法誤差太大。采用整段校正法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法計算量大，單片機(jī)難以滿足系統(tǒng)要求。因此系統(tǒng)采用分段折線法校正[5]。

假設(shè)Y是溶解氧濃度，I是傳感器輸出電流，如果用n 段直線逼近系統(tǒng)的非線性輸出，n 段直線有n+1 個端點（0，0）、（I1，Y1）、（I2，Y2）…（Ii，Yi）…（In，Yn）。每段直線方程為：

把每段直線的兩個端點值代入公式（3）可以得到：

單片機(jī)校正時，依據(jù)測量值大小，找到符合該測量值的校正直線段，查詢出已計算好的系數(shù)a，b的對應(yīng)值，再根據(jù)公式（3）算出實際的溶解氧含量值。

2 模糊控制

在過程參數(shù)固定、非線性現(xiàn)象不嚴(yán)重的情況下，PID控制得到了廣泛應(yīng)用，在參數(shù)變化大的過程控制中，PID控制器難以收到良好的效果，需要在參數(shù)估計基礎(chǔ)上，對PID 控制器參數(shù)在線調(diào)整。但溶解氧控制系統(tǒng)是一純滯后大慣性的系統(tǒng)，加之水位、溫度、放養(yǎng)量等參數(shù)的時變性，很難建立一個精確的數(shù)學(xué)模型對其進(jìn)行控制，而模糊控制不需要了解系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及參數(shù)，對于未知模型的系統(tǒng)具有很大的實用價值，因此系統(tǒng)采用模糊控制策略來實現(xiàn)溶解氧控制。

模糊控制以計算機(jī)語言描述人類知識，并把它表示成模糊規(guī)則或關(guān)系。在計算機(jī)控制系統(tǒng)中對控制回路的被控變量處理在時間上是離散斷續(xù)進(jìn)行的，每個被控變量的測量值與設(shè)定值比較一次，按照模糊規(guī)則與推理得到輸出值，并把它保留到下一個采樣時刻[6]。采用離散PID位置控制算法，系統(tǒng)輸出為：

上式變化得：

其中Kp為比例增益；Ki＝KpTs/Ti為積分系數(shù)；Kd=KpTd/Ts為微分系數(shù)。為了控制方便，通過多次實驗和經(jīng)驗獲得Kp的變化范圍為：[Kpmin，Kpmax]，Kd的變化范圍為[Kdmin，Kdmax]，Kp、Kd通過線型變換歸一化成0和1之間的參數(shù)Kpg、Kdg:

在參數(shù)調(diào)整中根據(jù)當(dāng)前誤差Ek 和誤差變化率ΔEk來確定參數(shù)，積分時間常數(shù)由差分時間常數(shù)決定：

積分增益由下式計算得到：

每次采樣后誤差Ek 和誤差變化率ΔEk 首先通過 C 語言中選擇語句歸類為模糊集{3，2，1，0，-1，-2，-3}的某元素如：

參數(shù)Kpg、Kdg和α由圖1所示模糊規(guī)則決定：

Kpg、Kdg、α取值依據(jù)的規(guī)則如圖1 所示，一旦得到Kpg，Kdg 后，按照式（7）和（8）就可計算出PID的參數(shù)Kp、Kd、Ki[7][8]。

圖1 Kpg、Kdg、α控制規(guī)則

系統(tǒng)控制參數(shù)Kp、Kd、Ki 產(chǎn)生的規(guī)則是：①初始階段溶解氧濃度與設(shè)定值相差較大時需要一個大的控制信號以加速上升時間，為了產(chǎn)生大的控制信號，PID控制器需要大的比例增益，大的積分增益和小的微分增量。因此比例增益Kpg可以由大模糊集表示，而微分增益Kdg由小模糊集表示，積分增益由（10）式計算得到。②在調(diào)整中期，系統(tǒng)得到適中的Kp，Kd，Ki 以保證一定的響應(yīng)速度和避免超調(diào)。③在調(diào)整后期增大Kp 以減小靜差，適當(dāng)增大Ki 以提高穩(wěn)定性，Kd 取值接近0 防止產(chǎn)生振蕩。參數(shù)α當(dāng)誤差Ek較大時選取小的參數(shù)，依據(jù)公式（10）得到一個大Ki的以盡快縮小誤差。

3 結(jié)束語

采用歸一化模糊控制系統(tǒng)后，養(yǎng)殖池溶解氧濃度能快速穩(wěn)定在在5.5mg/L 左右，從而保證了魚類攝食好、生長快的特點以及提高了飼料利用率。同時具有以下優(yōu)點：①節(jié)省了電能。增氧電機(jī)大部分時間內(nèi)是在低于額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下運(yùn)行，同時在氣壓高，風(fēng)速大的自然條件下，當(dāng)外界條件使溶解氧濃度超過設(shè)定值一定額度時，增氧機(jī)停止工作，起到節(jié)能效果。②當(dāng)一些特殊情況下溶解氧濃度低于5.0mg/L時，增氧機(jī)工作在工頻狀態(tài)下，起到了快速增氧的效果。③電機(jī)可以緩慢啟動、加速和停止，因此無沖擊電流，延長了電機(jī)的使用壽命，同時減少了對魚類的干擾。