一種基于模糊算法的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)增氧機(jī)智能控制方案

關(guān) 輝，許璐蕾

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

0 引 言

我國(guó)是一個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖的大國(guó)，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展非常迅速。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的2019年全國(guó)漁業(yè)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示[1]：2019年全國(guó)水產(chǎn)總產(chǎn)量達(dá)到6 480.36萬(wàn)噸，其中水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量5 079.07萬(wàn)噸，水產(chǎn)養(yǎng)殖面積7 108.50千公頃。然而，在我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展的過(guò)程中也逐漸暴露出土地資源占有過(guò)大，水資源消耗過(guò)多，生產(chǎn)和管理方式比較粗放等問(wèn)題，依靠傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式通過(guò)增加水產(chǎn)養(yǎng)殖面積來(lái)提高產(chǎn)量已不能滿(mǎn)足綠色生態(tài)和漁業(yè)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)需要。因此，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等新興技術(shù)來(lái)發(fā)展現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化生產(chǎn)和管理，更加注重科技、注重生態(tài)環(huán)保、注重質(zhì)量和注重可持續(xù)是今后水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)展的重中之重。

近年來(lái)，一些水產(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)將物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等技術(shù)應(yīng)用到水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)之中。通過(guò)高精度的傳感器采集養(yǎng)殖水域中的溫度、pH值、溶氧度等環(huán)境數(shù)據(jù)，借助物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)傳輸至云計(jì)算平臺(tái)，利用云計(jì)算技術(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和處理，并將處理結(jié)果實(shí)時(shí)反饋至手機(jī)客戶(hù)端、Web頁(yè)面等各類(lèi)終端。從而幫助管理人員及時(shí)準(zhǔn)確地掌握各種環(huán)境數(shù)據(jù)和異常預(yù)警，做出正確的控制決策。這種現(xiàn)代化的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)大大提高了水產(chǎn)養(yǎng)殖的生產(chǎn)效率，節(jié)約了資源，有效促進(jìn)了精細(xì)化水產(chǎn)養(yǎng)殖的實(shí)現(xiàn)。不過(guò)，這類(lèi)系統(tǒng)中大部分只能實(shí)時(shí)展示或查詢(xún)各種水環(huán)境的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行報(bào)警，最終還是依靠管理人員人工做出決策進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備的調(diào)控，智能化程度不高。也有一部分系統(tǒng)可以通過(guò)設(shè)定相關(guān)參數(shù)的閾值，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)值超出設(shè)定的閾值范圍時(shí)，利用繼電器控制設(shè)備的啟停，從而在一定程度上實(shí)現(xiàn)了智能化控制。但是這種智能化控制存在著明顯的缺陷，比如：溶氧傳感器采集的水體溶解氧參數(shù)值低于設(shè)定的閾值時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)控制增氧機(jī)開(kāi)啟使之回歸正常區(qū)間，而后自動(dòng)關(guān)閉設(shè)備，過(guò)一會(huì)兒參數(shù)數(shù)值再次低于閾值時(shí)控制增氧機(jī)再次開(kāi)啟，回歸正常區(qū)間后又自動(dòng)關(guān)閉設(shè)備……，這樣有可能使得水體溶氧參數(shù)值一直在設(shè)定的閾值上下反復(fù)波動(dòng)引起增氧機(jī)頻繁啟停，造成設(shè)備磨損、縮短使用壽命等問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控?；诖耍疚奶岢鲆环N基于模糊算法的增氧機(jī)智能控制方案，通過(guò)兩級(jí)模糊控制器智能調(diào)控變頻器，由變頻器驅(qū)動(dòng)增氧機(jī)智能調(diào)整轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)根據(jù)養(yǎng)殖水體溶解氧參數(shù)值的變化自動(dòng)調(diào)整控制策略，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)養(yǎng)殖水體中的含氧量，達(dá)到平滑控制的效果。

1 模糊控制

在現(xiàn)代控制理論中，實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)往往具有較強(qiáng)的隨機(jī)性或滯后性。比如水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中水體的溶解氧參數(shù)就具有明顯的波動(dòng)性、趨勢(shì)性、滯后性等非線(xiàn)性特征，依靠傳統(tǒng)的控制方法很難達(dá)到讓人滿(mǎn)意的效果[2]。模糊控制是一種智能控制的方法，它以模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)，將工作人員在長(zhǎng)期觀察實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)加以描述編制成模糊規(guī)則，然后將傳感器采集的實(shí)時(shí)信號(hào)經(jīng)過(guò)模糊化處理后作為模糊規(guī)則的輸入進(jìn)行模糊推理，最后將推理后得到的輸出量經(jīng)清晰化處理后加載到執(zhí)行器上[3]，其核心和關(guān)鍵即是模糊控制器。將模糊規(guī)則存入到知識(shí)庫(kù)中，使用知識(shí)庫(kù)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行控制就可以得到模糊控制器[4]。

模糊控制器的整體結(jié)構(gòu)主要由知識(shí)庫(kù)（數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)）、模糊化接口、推理機(jī)和清晰化接口四個(gè)模塊組成，如圖1所示。

圖1 模糊控制器結(jié)構(gòu)

一般來(lái)說(shuō)，模糊控制器將被控對(duì)象實(shí)際值和設(shè)定值的偏差以及偏差的變化率作為輸入，通過(guò)隸屬度函數(shù)將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可以識(shí)別的模糊量，通過(guò)存儲(chǔ)有大量人工經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化而成的數(shù)據(jù)和控制規(guī)則的知識(shí)庫(kù)進(jìn)行推理，推理得到的控制量經(jīng)清晰化后對(duì)控制設(shè)備進(jìn)行控制輸出。

2 模糊PID控制

PID控制是比例積分微分控制的簡(jiǎn)稱(chēng)，是較早發(fā)展起來(lái)的工業(yè)過(guò)程控制策略之一。其基本工作原理是將設(shè)定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)之間的差異構(gòu)成控制偏差e(t)，把偏差按照比例P、積分I和微分D進(jìn)行線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量u(t)，從而對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制[5]，表達(dá)式為：

式中：e(t)=r(t)-y(t)代表控制偏差；KP是比例系數(shù)；KI是積分系數(shù)；KD是微分系數(shù)。

PID控制工作原理如圖2所示。圖中：P（比例）環(huán)節(jié)主要針對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前誤差進(jìn)行控制；I（積分）環(huán)節(jié)則主要針對(duì)系統(tǒng)誤差的歷史進(jìn)行控制；而D（微分）環(huán)節(jié)則主要反映系統(tǒng)誤差的變化趨勢(shì)，這三者的組合是“過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)”的完美結(jié)合[6]。

圖2 PID控制工作原理

在PID控制器的基礎(chǔ)上，利用模糊控制器對(duì)PID控制器的KP，KI，KD三個(gè)系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，就實(shí)現(xiàn)了模糊PID控制。具體過(guò)程是：將被控對(duì)象的誤差e和誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入，通過(guò)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行推理得到ΔKP，ΔKI和ΔKD三個(gè)修正量，對(duì)PID控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)分別進(jìn)行修正得到新的KP，KI和KD，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的輸出控制。

3 基于模糊算法的增氧機(jī)智能控制方案

在水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，監(jiān)測(cè)水體中的溶解氧含量可以反映出水體的污染程度，尤其是有機(jī)物污染程度，它是判斷水質(zhì)好壞的重要指標(biāo)之一[7]。漁業(yè)生產(chǎn)中，當(dāng)溶解氧含量低于4 mg/L若未及時(shí)采取增氧措施，魚(yú)類(lèi)就會(huì)因缺氧窒息而大量死亡，造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，在現(xiàn)代化的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中基本都會(huì)部署溶解氧傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)水體的溶氧濃度，并根據(jù)溶氧濃度值的高低人工或者簡(jiǎn)單地設(shè)置閾值利用繼電器控制增氧機(jī)的啟停，以維持水體中溶解氧的含量在合理的區(qū)間范圍。但這種控制模式智能化程度較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)溶解氧的精確調(diào)控，且容易造成增氧機(jī)的頻繁啟停，影響使用壽命。

本文設(shè)計(jì)了一種通過(guò)兩級(jí)模糊控制器對(duì)變頻器進(jìn)行模糊控制，由變頻器控制增氧機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)智能控制養(yǎng)殖水體溶氧濃度的方案。該方案基于模糊控制算法來(lái)自動(dòng)調(diào)整變頻器AVI端口的直流模擬電壓，并進(jìn)一步對(duì)變頻器實(shí)施模糊PID控制，智能調(diào)整增氧電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)養(yǎng)殖水體中的溶氧濃度的目的。系統(tǒng)的基本工作原理如圖3所示。

圖3 增氧機(jī)智能控制系統(tǒng)工作原理

變頻器設(shè)置為0～10 V電壓控制，對(duì)應(yīng)頻率輸出為0～50 Hz。不同的頻率輸出驅(qū)動(dòng)增氧電機(jī)產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速越快，增氧能力越強(qiáng)。

第一級(jí)模糊控制器將溶氧量設(shè)定值與溶氧傳感器獲取的實(shí)際測(cè)量值之間的偏差以及偏差的變化率作為輸入，電壓值作為輸出，隸屬度函數(shù)設(shè)置為三角形分布。偏差和偏差變化率通過(guò)隸屬度函數(shù)按照負(fù)大NB、負(fù)中NM、零ZO、正中PM和正大PB五個(gè)模糊語(yǔ)言變量進(jìn)行模糊化處理。根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖管理人員和技術(shù)人員長(zhǎng)期總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，輸出電壓值按照零ZO、正小PS、正中PM、正大PB和正極大PBB五個(gè)模糊語(yǔ)言變量。利用取小取大模糊推理法得到結(jié)果模糊集，編制出25條控制規(guī)則，形成模糊控制規(guī)則表，保存到知識(shí)庫(kù)中，推理機(jī)利用查表的方法就可以查出輸出的模糊值。通過(guò)重心法清晰化處理后轉(zhuǎn)換為實(shí)際電壓值，提供給變頻器。

目前，大多數(shù)變頻器都內(nèi)置了PID控制器，將PID控制算法固化其中。第二級(jí)模糊控制器實(shí)際上就起到模糊PID控制器的作用，主要目的就是為變頻器固定的比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI和微分系數(shù)KD進(jìn)行在線(xiàn)優(yōu)化調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)增氧機(jī)更加精準(zhǔn)的控制。由于增氧機(jī)是靠電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越快則增氧功率越大，因此將增氧電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速值經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后得到一個(gè)相對(duì)應(yīng)的電壓值ΔU，以此作為PID控制器的反饋值。并將變頻器輸入的電壓U與ΔU進(jìn)行數(shù)值比較后得到模糊PID控制器的輸入量偏差e和偏差變化率ec，把它們連續(xù)變化的區(qū)間范圍劃分為負(fù)大NB、負(fù)中NM、負(fù)小NS、零ZO、正小PS、正中PM和正大PB七個(gè)等級(jí)，隸屬度函數(shù)設(shè)置為高斯分布，進(jìn)行模糊化處理。模糊PID控制器輸出的用于實(shí)時(shí)調(diào)整PID控制器KP，KI，KD三個(gè)系數(shù)的三個(gè)修正量ΔKP，ΔKI和ΔKD同樣按連續(xù)變化的區(qū)間劃分為NB，NM，NS，ZO，PS，PM和PB七個(gè)等級(jí)，隸屬度函數(shù)設(shè)置為三角形分布。通過(guò)總結(jié)工程技術(shù)人員的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合KP，KI，KD三個(gè)系數(shù)各自不同的特性和作用，獲得ΔKP，ΔKI和ΔKD三個(gè)輸出參數(shù)的模糊規(guī)則表，各49條規(guī)則，全部存入知識(shí)庫(kù)。推理機(jī)經(jīng)查詢(xún)知識(shí)庫(kù)就可以獲得輸出的模糊值，再經(jīng)清晰化處理后即可得到實(shí)際的三個(gè)修正值ΔKP，ΔKI和ΔKD。這三個(gè)修正值輸入到內(nèi)置PID控制器的變頻器與三個(gè)固定系數(shù)KP，KI和KD分別相加，即 ：KP'=KP+ΔKP，KI'=KI+ΔKI，KD'=KD+ΔKD，從而實(shí)現(xiàn)在變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中PID參數(shù)實(shí)時(shí)在線(xiàn)調(diào)整以達(dá)到“自適應(yīng)”的目的。第二級(jí)模糊PID控制器控制流程如圖4所示。

圖4 第二級(jí)模糊PID控制器控制流程

通過(guò)兩級(jí)模糊控制，第一級(jí)實(shí)現(xiàn)變頻器輸入電壓的模糊控制，第二級(jí)實(shí)現(xiàn)變頻器PID參數(shù)的模糊控制，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)增氧機(jī)智能控制的方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案能夠使增氧機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度更快，更快地趨于穩(wěn)定，基本避免了超調(diào)，控制曲線(xiàn)更加平滑，溶氧值不會(huì)在設(shè)定值上下來(lái)回波動(dòng)影響增氧機(jī)的使用壽命。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中增氧機(jī)的智能化控制，本文設(shè)計(jì)了一種基于模糊控制算法采用兩級(jí)模糊調(diào)控、利用變頻器驅(qū)動(dòng)增氧機(jī)智能調(diào)速的方案。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確、平滑調(diào)控，運(yùn)行穩(wěn)定，有效減少了增氧機(jī)的頻繁啟?，F(xiàn)象，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，在一定程度上提升了水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能化水平，提高了生產(chǎn)效率，達(dá)到了按需自動(dòng)控制、節(jié)約能耗的目的。