李 頎,李常杰

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

近年來，我國(guó)畜牧業(yè)水平逐漸提升，并向規(guī)?；瘶?biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，這就要求養(yǎng)殖環(huán)境的控制能夠滿足牲畜的生長(zhǎng)需求。普通的養(yǎng)豬企業(yè)通過傳統(tǒng)的手動(dòng)控制方式或者反饋控制的自動(dòng)方式來調(diào)節(jié)豬舍環(huán)境[1-2]。手動(dòng)控制是操作工人通過觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息，調(diào)整控制設(shè)備來調(diào)整舍內(nèi)環(huán)境。反饋?zhàn)詣?dòng)控制即設(shè)置一定環(huán)境因子上下限，通過檢測(cè)是否超標(biāo)或過低來自動(dòng)打開或關(guān)閉控制設(shè)備。這些方式可大致調(diào)節(jié)豬舍的環(huán)境變化，使其穩(wěn)定在豬只適宜的參數(shù)內(nèi)，但是調(diào)節(jié)的質(zhì)量、準(zhǔn)確性都無法使豬只的生長(zhǎng)環(huán)境達(dá)到理想狀態(tài)。對(duì)于養(yǎng)殖企業(yè)，傳統(tǒng)的手動(dòng)控制方 式和普通反饋?zhàn)詣?dòng)控制方法，不能滿足大規(guī)?，F(xiàn)代養(yǎng)殖的發(fā)展，適應(yīng)性較差，對(duì)于對(duì)環(huán)境要求苛刻的分娩舍母豬和仔豬的飼養(yǎng)存在缺陷[3]。對(duì)于豬舍環(huán)境控制系統(tǒng)，豬只的生命活動(dòng)與舍外的環(huán)境信息對(duì)舍內(nèi)的環(huán)境影響比較重要，而這些信息卻容易被忽略，容易造成控制不當(dāng)而產(chǎn)生豬只疾病或豬只死亡情況，給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失，造成整體養(yǎng)殖行業(yè)管理水平和生產(chǎn)能力的低下，不能適應(yīng)大規(guī)模養(yǎng)殖企業(yè)現(xiàn)代管理的要求。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)分娩舍豬只環(huán)境的特點(diǎn)，建立了如圖1的整體方案設(shè)計(jì)，上位計(jì)算機(jī)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合監(jiān)測(cè)，并且顯示模型參數(shù)與控制參數(shù)，給下位機(jī)控制器發(fā)布模型參數(shù)等，下位機(jī)控制器要完成系統(tǒng)信息的采集，環(huán)境的控制等，上位計(jì)算機(jī)與下位機(jī)控制器通過串口進(jìn)行通信?？紤]到舍內(nèi)的環(huán)境信息與室外空氣溫濕度、風(fēng)速、季節(jié)天氣，以及豬只生長(zhǎng)的大小數(shù)量等有著密切的關(guān)系，本文利用一臺(tái)多功能氣象站進(jìn)行采集，通過串口將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。

1.1 環(huán)境信息(溫度，濕度，風(fēng)速)采集

室內(nèi)環(huán)境(溫度、濕度、風(fēng)速)采集主要用于檢測(cè)分娩舍室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。室內(nèi)平均溫度由室內(nèi)溫濕度傳感器的平均值決定，分別為風(fēng)機(jī)處的溫度，過道處的溫度，濕簾附近的溫度，加熱器附近的溫度和墻壁附近的溫度。采用SHT10數(shù)字式溫濕度一體傳感器，此傳感器采用IIC通訊接口。 采用STC15F2K60S2處理器來接收傳感器采集的數(shù)據(jù)和發(fā)送采集的數(shù)據(jù)至PC機(jī)，該處理器通過IIC總線采集SHT10溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，傳感器默認(rèn)返回14位溫度數(shù)據(jù)和12位濕度數(shù)據(jù)，采集風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，首先將STC15F2K60S2的串口電平通過MAX485轉(zhuǎn)為RS485電平，再與風(fēng)速傳感器連接。其環(huán)境信息采集框圖如圖2所示。

圖1 整體方案設(shè)計(jì)Fig.1 Diagram of overall scheme design

圖2 環(huán)境信息采集Fig.2 Diagram of environmental information collection

1.2 多功能氣象站數(shù)據(jù)采集

采用多功能氣象站將舍外環(huán)境信息、豬只數(shù)量傳到上位機(jī)。其中，豬只活動(dòng)通過體表與環(huán)境進(jìn)行能量交換，需要根據(jù)豬只數(shù)量評(píng)估其體重。本文采用對(duì)分娩舍豬只為樣本數(shù)據(jù)，作出擬合曲線，得到體重與日齡的關(guān)系圖，后將次曲線假定為標(biāo)本數(shù)據(jù)，對(duì)體重進(jìn)行評(píng)估。式1為某牧業(yè)公司分娩舍仔豬體重與日齡關(guān)系圖的擬合曲線，y表示體重，x表示日齡，它以83窩800頭仔豬為試驗(yàn)材料，從公式可以看出，剛生仔豬的體重為(1.8±0.2)kg，出欄日齡為26 d，出欄時(shí)體重平均為(9.1±0.2)kg，曲線方程為：

y=0.0043x2+0.172x+1.8

(1)

式中：y為仔豬體重，單位為kg；x為日齡。

1.3 溫度動(dòng)態(tài)模型系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立

根據(jù)能量平衡方程和熱量平衡方程建立舍內(nèi)環(huán)境熱交換模型原理：當(dāng)周圍環(huán)境與物體表面存在溫度差時(shí)，物體會(huì)與空氣進(jìn)行熱量交換，本系統(tǒng)中有空氣與豬只體表通過對(duì)流方式進(jìn)行熱傳遞，豬舍通過墻體與室外進(jìn)行熱傳遞，加熱器表面與空氣熱傳遞，風(fēng)機(jī)開啟時(shí)室內(nèi)與室外的熱傳遞等。 忽略燈光，設(shè)備等運(yùn)行時(shí)的產(chǎn)熱，影響舍內(nèi)熱交換的主要因素有舍內(nèi)外圍護(hù)熱交換、加熱器加熱、風(fēng)機(jī)濕簾降溫的空氣熱交換、豬只皮膚與空氣熱交換等，根據(jù)豬舍內(nèi)能量平衡關(guān)系，豬舍存儲(chǔ)熱量的變化率等于單位時(shí)間內(nèi)豬舍得到的熱量與散失的熱量之差。

(2)

式中：Ti為舍內(nèi)溫度變化量，單位℃； Qr為通過圍護(hù)熱交換，單位為J； Qc為豬只皮膚與空氣熱交換，單位為J； Qb為加熱通風(fēng)引起的熱量變化，單位為J； C為空氣比熱容，大小為1 030 J(kg/℃)。

按照(2)式中的方法理論建立仿真模型，本次仿真及驗(yàn)證使用的是MATLAB的Simulink仿真，包括豬體表散熱子系統(tǒng)，加熱器產(chǎn)熱子系統(tǒng)，圍體散熱子系統(tǒng)和通風(fēng)散熱子系統(tǒng)。

1.3.1 空氣通過圍護(hù)的熱交換 為圍護(hù)與外界熱交換的能量，圍護(hù)包括墻體與屋頂，它與圍護(hù)內(nèi)外表面溫度差、傳熱面積有關(guān)。則散熱公式為：

Qr=Ks(Ti-To)Fs

(3)

式中： 為圍護(hù)與外界熱交換的能量，單位為J； Ks為圍護(hù)傳熱系數(shù)，為0.405 W/ m2·K； Ti為室內(nèi)溫度，單位為℃； To為室外溫度，單位為℃； Fs為圍護(hù)面積，大小為863.6 m2。

1.3.2 豬體表與空氣熱交換 為豬只體表與空氣熱交換的能量包括輻射熱變換與空氣對(duì)流熱變換。則豬只體表與空氣熱交換的能量為：

(4)

1.3.3 加熱和降溫系統(tǒng)熱交換 為加熱系統(tǒng)和降溫系統(tǒng)與空氣交換的熱量。加熱和降溫系統(tǒng)與空氣熱交換的熱量可表示為：

Qb=paLC(Ti-To)+k(kip-Ti)dt

(5)

式中：通風(fēng)口降溫公式為：

Q3=paLC(Ti-To)

(6)

加熱系統(tǒng)產(chǎn)熱公式為：

dQ4=k(Th-Ti)dt

(7)

式中： 為空氣密度，大小為1.11 m3/kg； L為通風(fēng)量，單位為ppm； To為舍外溫度，單位為℃； dQ4是時(shí)間 內(nèi)空氣從加熱器吸收的熱量，單位為J； Th為加熱器表面的溫度，單位為℃； k為熱交換律，由于加熱器表面溫度與加熱器的額定功率P相關(guān)，則 Th=kip，由此可計(jì)算出加熱系統(tǒng)產(chǎn)熱公式為dQ4=k(kip-Ti)dt。

從以上分析即可建立出關(guān)于舍內(nèi)溫度 的數(shù)學(xué)模型。本研究的對(duì)象為豬舍的溫度控制系統(tǒng)，經(jīng)上文推到分析得出，本系統(tǒng)是一個(gè)非線性、四階、大時(shí)滯性的系統(tǒng)。該環(huán)境模型傳遞函數(shù)可以表示為：

(8)

式中：s為拉普拉斯變換的算子。

經(jīng)計(jì)算，輻射熱交換子系數(shù)nApεσ對(duì)模型影響較小，可忽略，可將系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)二階滯后的模型，表達(dá)式為：

(9)

式中：τ為時(shí)間常數(shù)?？丈釥顟B(tài)簡(jiǎn)化為一階非線滯后環(huán)節(jié)：

(10)

有豬無加熱器狀態(tài)簡(jiǎn)化為一階非線性滯后環(huán)節(jié)為。

(11)

有豬有加熱器簡(jiǎn)化為二階非線性滯后環(huán)節(jié)為：

(12)

1.4 模型參考自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)

模型參考自適應(yīng)控制通過控制被控對(duì)象跟蹤理想特性的參考模型，來獲得要求的閉環(huán)控制性能。主要由參考模型，可調(diào)機(jī)構(gòu)，自適應(yīng)機(jī)構(gòu)組成。其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

參考模型的輸出或狀態(tài)相當(dāng)于給定一個(gè)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，在豬舍環(huán)境溫度控制系統(tǒng)中，設(shè)定溫度是25℃，舍外溫度，豬只數(shù)量等目標(biāo)信號(hào)同時(shí)加在舍內(nèi)的風(fēng)機(jī)、加熱器、濕簾設(shè)備與參考模型上，通過比較豬舍環(huán)境的實(shí)時(shí)環(huán)境溫度與參考模型的輸出的設(shè)定溫度值之間的誤差信息，按照一定的規(guī)律來修正加熱器的開啟時(shí)間、風(fēng)機(jī)的開啟時(shí)間與濕簾的開啟時(shí)間，即產(chǎn)生一個(gè)自適應(yīng)控制率，使模型設(shè)定溫度與實(shí)際溫度值之間的溫度差值e趨于零，從而使環(huán)境的實(shí)時(shí)溫度跟隨參考模型的設(shè)定溫度輸出。本次設(shè)計(jì)了一階模型參考自適應(yīng)原理圖如圖4所示。

圖3模型參考自適應(yīng)結(jié)構(gòu)
Fig.3 Self-adptive structure of referential model

圖4一階模型參考自適應(yīng)原理
Fig.4 Self-adptive principle of first-order referential model

一階慣性自適應(yīng)控制過程傳遞函數(shù)為：

(13)

模型的傳遞函數(shù)設(shè)為一階參考模型為：

(14)

系統(tǒng)控制律的選擇為：

(15)

(16)

為使系統(tǒng)盡可能實(shí)現(xiàn)精確模型匹配，選擇以下控制參數(shù)：

(17)

則相應(yīng)的閉環(huán)系統(tǒng)為：

(18)

此系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型和參考模型動(dòng)態(tài)相同，從而實(shí)現(xiàn)零跟蹤誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度模型驗(yàn)證

以上述牧業(yè)公司分娩舍為試驗(yàn)地，其公司分娩舍11、13、3號(hào)為試驗(yàn)測(cè)量樣本。用2016年11月4日所測(cè)數(shù)據(jù)，其中11號(hào)分娩舍為母豬11月3日進(jìn)欄，4日當(dāng)天母豬全未分娩，加熱器關(guān)閉。13號(hào)分娩舍11月4日為空舍，風(fēng)機(jī)全開，通風(fēng)量為12.8 ppm，分娩舍沒有豬只。3號(hào)分娩舍11月4日為生產(chǎn)仔豬10日齡，仔豬數(shù)量682只，風(fēng)機(jī)關(guān)閉。

從圖5～7可以看出，模型溫度輸出與實(shí)測(cè)溫度輸出的變化趨勢(shì)一致，三種狀況下的輸出與實(shí)測(cè)溫度的誤差如表1所示，其中未分娩狀況下的平均誤差最小，無豬狀況下和仔豬10日狀況下的溫度誤差最大不超過1 ℃，平均誤差不超過0.5 ℃。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，模型在允許的誤差范圍內(nèi)是合適的。

圖5零通風(fēng)量下模型輸出溫度與實(shí)測(cè)溫度對(duì)比
Fig.5 Comparison between output temperature and measured temperature under zero ventilation model

圖6加熱器關(guān)閉，較小通風(fēng)模式下的輸出溫度與實(shí)測(cè)溫度對(duì)比
Fig.6 comparison between output temperature and measured temperature under smaller ventilation mode when heater closed

圖7通風(fēng)最大情況下輸出溫度與實(shí)測(cè)溫度對(duì)比
Fig.7 Comparison between output temperature and measured temperature under maximum ventilation

2.2 溫度模型參考自適應(yīng)控制仿真

依舍內(nèi)溫度模型，選擇空舍溫度傳遞函數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)控制器仿真，并帶有滯后環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為：

(19)

參考模型選為同階模型，其傳遞函數(shù)表示為：

(20)

建立MATLAB的simulink仿真模型，仿真結(jié)果如圖8所示。

表1 不同狀況下的實(shí)測(cè)溫度與模型輸出溫度誤差Table 1 Temperature error of measured temperature and model temperature output under different conditions and the temperature error model output

圖8 溫度輸出響應(yīng)曲線Fig.8 Response curve of temperature output

控制系統(tǒng)初始溫度為0 ℃，設(shè)定溫度為25 ℃，用模型參考自適應(yīng)控制器調(diào)節(jié)其溫控系統(tǒng)，系統(tǒng)和參考模型的初始條件都取為零，從圖中可以看出，參考模型的輸出特性非常良好，上升時(shí)間為32s，響應(yīng)加入模型參考自適應(yīng)控制后系統(tǒng)輸出溫度在40s之后穩(wěn)定25 ℃，控制效果良好。

3 小 結(jié)

本文簡(jiǎn)要的介紹了基于分娩豬舍的環(huán)境模擬仿真方法，通過試驗(yàn)與研究表明，該機(jī)理建模方法能較好的反應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)，平均誤差不超過0.5 ℃，后將模型應(yīng)用到此環(huán)境控制系統(tǒng)中，應(yīng)用模型參考自適應(yīng)控制器使溫度系統(tǒng)溫度能追隨模型溫度，使豬舍管理人員更能有效了解豬舍的環(huán)境變化，對(duì)環(huán)境控制，豬只疾病預(yù)防，豬舍能源節(jié)省等有很好的參考價(jià)值。對(duì)于現(xiàn)代畜牧生產(chǎn)方式有一定的推動(dòng)作用。

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