0引言
隨著高密度集約化的控制控系飼養(yǎng)方式發(fā)展，豬舍環(huán)境的舍環(huán)問題漸漸的弓起人們的重視，由于人們對健康的統(tǒng)設(shè)重視，對豬肉及其制品的基于境測計依賴，很多部門也十分關(guān)注豬只生長環(huán)境，但豬的生長及個體繁殖都受到豬舍空氣環(huán)境的制約。豬舍生長環(huán)境的監(jiān)控是一個復(fù)雜的過程，調(diào)控的目標(biāo)是為豬只生長繁殖提供合理的生活環(huán)境，豬舍環(huán)境氣體成份復(fù)雜，它是一個典型的非線性多變量系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制方法采用大量傳感器獨立運算和處理，很難實現(xiàn)精確控制，而模糊控制則為各個參量的精確測控提供依據(jù)，有效的解決了自動控制的問題。
1系統(tǒng)控制原理
豬舍環(huán)境含有很多氣體成份，比重較大的如二氧化碳、氨氣等，這些氣體的光度易受環(huán)境因素的影響，也受豬只個體數(shù)量及密度有密切關(guān)系，當(dāng)外界氣候是不利于氣體擴(kuò)散時，豬舍有害氣體成份會明顯增加，當(dāng)豬只個體分布密度達(dá)到一定程度時，局部有害氣體的濃度也會明顯增加，因此，從理論角度分析，豬舍環(huán)境是一個具有參數(shù)分布、延時大、耦合多變量的非線性復(fù)雜對象，針對這樣的復(fù)雜多變的環(huán)境，我們要做的主要任務(wù)是能夠完也多目標(biāo)動態(tài)的協(xié)調(diào)控制。一般情況下，現(xiàn)有的控制技術(shù)多采用測量值和設(shè)定值比較的方法來控制，也有另外一部分是采用自適應(yīng)整定算法，理論上后者也是很容易實現(xiàn)，但由于調(diào)整實驗實用的P參數(shù)和I參數(shù)是很困難的,因為不同的地方、不同的季節(jié)及不同的天氣都會有很大的影響,故不能取得良好的效果。采用模糊控制原理，正好可以很好的適應(yīng)豬舍控制的特點，具有動態(tài)響應(yīng)好、時間反應(yīng)快的優(yōu)點，更重要的是無須精確了解控制對象狀情況，因此，豬舍環(huán)境控制用模糊控制算法更為合適。
模糊控制技術(shù)是以模糊邏輯推理為作為理論基礎(chǔ)，它利用當(dāng)前流行的計算機(jī)微控制技術(shù)來實現(xiàn)的一種數(shù)字控制閉環(huán)系統(tǒng)。模糊控制的控制器在進(jìn)行模糊推理時必須是模糊量,因此如果輸入量是非模糊時，需要首先轉(zhuǎn)化為模糊量。模糊轉(zhuǎn)化的過程是把確定的量變成模糊集的過程。它的主要作用是依據(jù)輸入語言變量的隸屬度函數(shù)來確定對應(yīng)的每個語言值的隸屬度［%根據(jù)模糊規(guī)則的判定以及事先規(guī)定好的推理方法求出模糊輸出量的過程，模糊輸出量也必須轉(zhuǎn)化為非模糊的輸出，這個過程也就是將模糊集轉(zhuǎn)換成確定值的過程。本系統(tǒng)測量的參數(shù)由溫濕度、光照、CO2和NH3組成，系統(tǒng)各個參數(shù)均以模糊控制原理根據(jù)傳感器參數(shù)來控制調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，本系統(tǒng)以溫度為例采用分級模糊控制，系統(tǒng)控制原理如圖1所示。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由主控制器、溫濕度傳感器、光照變換模塊、CO2氣體傳感器、NH3氣傳感器等檢測電路構(gòu)成,控制部分由繼電器、電源電路、LCD顯示電路、通信電路構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
系統(tǒng)工作原理如下：光照傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器采用數(shù)字接口，直接接到單片機(jī)I。口上，二氧化碳?xì)鈧鞲衅骱桶睔鈧鞲衅鞑捎媚M接口，采集氣體信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)運放放大，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換輸入微控制器，LCD液晶屏顯示當(dāng)前測量的環(huán)境參數(shù)值。驅(qū)動電路根據(jù)控制信號開關(guān)繼電器和報警器指示。根據(jù)環(huán)境的控制需要事先把報警和各參數(shù)的控制閥值存儲在EEPROM內(nèi)部，系統(tǒng)用無線通信模塊經(jīng)由計算機(jī)來下達(dá)各種命令，如實時查詢各測量值，控制繼電器動作等，來達(dá)到對環(huán)境的實時監(jiān)控叫由于豬舍環(huán)境中氣體的腐蝕性較大，采用一般的空氣傳感器壽命是個問題,所以采用土壤型專用傳感器，它采用I2C總線的數(shù)據(jù)接口，與微控制器的接口及電路設(shè)計都十分簡單。這種傳感器的突出優(yōu)點是把信號處理和傳感元件集成起來，直接輸出全標(biāo)定的,能夠被直接讀出數(shù)字信號。具有極高的穩(wěn)定性卓越的可靠性,在同一集成單元內(nèi)部，集成有14位的A/D轉(zhuǎn)換器和串行總線接口，具有超強(qiáng)的抗干擾能力。
氨氣濃度檢測采用MQ-系列氣體傳感器，這種傳感器的特點是采用在干凈空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫做氣敏材料,MQ-系列氣體傳感器對氨氣的靈敏度高，反應(yīng)很快，它還可以同時檢測多種混合有含氨的氣體要樣，對有機(jī)胺的實時監(jiān)測也十分理想，另外它的成本也很低，是理想的氨氣濃度檢測選擇。換氣風(fēng)扇使用大功率的輪轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)，它的物理結(jié)構(gòu)采用先進(jìn)的前凸形彎狀葉片、低噪音的轉(zhuǎn)子采用與電機(jī)直連系統(tǒng),可置于墻壁邊或平放于地面上，風(fēng)扇電機(jī)由于功率較大，工作電壓一般為380V,普通的單片機(jī)一般工作在TTL電平，強(qiáng)電和弱電無法直接連接，因此系統(tǒng)通過繼電器來驅(qū)動電機(jī)來開關(guān)控制風(fēng)扇，這是一種常用的典型以小電流去控制大電流運作的驅(qū)動電路。
本系統(tǒng)設(shè)計采用的是STC12C5A60S2單片機(jī)，它具有運行速度高、指令周期短、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)的特點，與傳統(tǒng)的8051單片機(jī)無論從硬件引腳上，還是指令代碼上完全兼容，內(nèi)容集成有專用的復(fù)位電路，內(nèi)部資源有PWM、ADC控制器、兩個串行口，通過配置可以動態(tài)的增加RAM的大小，STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部就自帶高達(dá)60KBFLASHROM,盡管ROM的空間很大，但對它的擦除改寫一點也不受影響，STC系列單片機(jī)支持串口程序燒寫。所以只需有一個MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片即實現(xiàn)在線下載，無需另外購置下載器,因而開發(fā)成本大大降低，開發(fā)時間也大大縮短田。
光照傳感器采用BH1750,BH1750單元內(nèi)部集成有一個16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它能對環(huán)境光進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后能夠直接輸出一個數(shù)字信號，不需要做復(fù)雜的計算，只需要按照輸出的數(shù)據(jù)格式組合就得到光強(qiáng)值，更為突出的是它量個兩線制的I2C接口，可以和單片機(jī)直接相連，無需額外的驅(qū)動電路，使用起來非常方便。
3模糊控制參數(shù)的設(shè)計
豬舍環(huán)境控制系統(tǒng)的參數(shù)檢測比較多，本設(shè)計以溫度監(jiān)控為例，把溫度設(shè)定值與測量值的誤差e和誤差變化率e°作為模糊控制器的輸入量，出量為閥門開通時間T,其模糊控制器框圖如圖3所示。
工作過程如下：控制器定時采樣溫度值和溫度變化率，再與設(shè)定值進(jìn)行比較，進(jìn)而得到誤差E和誤差變化率Ec，把E和Ec作為模糊控制器的輸入量，而控制繼電器的開通時間作這模糊控制器的輸出[5]。實現(xiàn)模糊控制就是要實現(xiàn)對輸入量模糊化，做模糊推理和把模糊量變?yōu)榫_量。e和ec模糊化后的模糊量分別為E和Ec，U為模糊控制量，去模糊化后的精確量為T。根據(jù)模糊理論的控制要求，輸入變量要進(jìn)行模糊化加工，輸出變量要進(jìn)行去模糊化也就是精確化處理。把E的詞集分為七檔，記做{ NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}，含義分別是負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大，變化率ec及輸出控制量u的量化等級都為13級，論域為{ －6，－5，－4，－3，－2，－1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}。E的初值表如表1所列。
室內(nèi)溫制受天氣及風(fēng)速流動因素的影響很大，依據(jù)室溫控制經(jīng)驗及外界不同季節(jié)天氣影響的特點，如果e變化較大時,控制量選擇以平均法來克服消除誤差；當(dāng)室內(nèi)溫度誤差變化不大時，把控制的精度作為主要方面，控制的目標(biāo)是平穩(wěn)，不過沖，得出模糊控制規(guī)則如表2所列。表1變量的E賦值表和表2模糊控制規(guī)則表從輸出U的隸屬函數(shù)取出與NB0對應(yīng)的向量，可求得與另外34條模糊控制語句相對應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣R，氏，，，氏5，最后根據(jù)已知的R，(i=1,2,,,35),再通過矩陣運算得到模糊關(guān)系矩陣，這與模糊控制規(guī)則表相對應(yīng)，矩陣運算是由微處理器來完成的，在35條規(guī)則中，有一部分是可以合并的，這樣計算機(jī)的計算量可以減少。為了得到精確輸出，需要先對E求出對應(yīng)的模糊向量，對Ec求出對應(yīng)的最大隸屬度，最后進(jìn)再利用和反模糊化，得出確定的輸出。本系統(tǒng)設(shè)計的控制變量輸出信號為控制信號的持續(xù)時間，是由于豬舍環(huán)境控制對象為開關(guān)控制機(jī)構(gòu)。
表2模糊控制規(guī)則表
| E(偏差) | PB | PM | Ec(偏差變化) | NM | NB | ||
| PS | 0 | NS | |||||
| PB | NM | NB | NB | NB | NM | 0 | 0 |
| PM | NM | NB | NB | NB | NM | 0 | 0 |
| PS | NM | NM | NM | NM | 0 | PS | PS |
| 0 | NM | NM | NS | 0 | PS | PM | PM |
| NS | NS | NS | 0 | PM | PM | PM | PM |
| NM | 0 | 0 | PM | PB | PB | PB | PB |
| NB | 0 | PM | PM | PB | PB | PB | PB |
4實驗結(jié)果
對幼豬的100m2小屋內(nèi)用模糊控制溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行獨立實驗，用一周的時間進(jìn)行測量分析，把每天分為四個階段,8:00?12:00、13:00?17:00、18:00?22:00、23:00?3:00,每次3個小時的連續(xù)監(jiān)測，隨機(jī)抽取一組，實驗測得的數(shù)據(jù)如圖4所示。
從圖中可以看出，控制精度很高，基本上沒有過沖的問題,而采用傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制方法，溫度波動很大，過沖量也很大,系統(tǒng)用電量明顯增加，用模糊控制器來控制溫度，響應(yīng)速度快,溫室內(nèi)溫度變化小，有利于豬只的生長，適合規(guī)模化養(yǎng)殖的需要。
5結(jié)語
本文以幼豬生活環(huán)境的溫度應(yīng)用系統(tǒng)的為基礎(chǔ)，采用模糊控制器進(jìn)行了設(shè)計和研究，從開關(guān)量簡控制和模糊控制的實驗對比來看，表明了模糊控制器在運行時波運性很小，對豬舍環(huán)境溫度來說，過部量基本上可以忽略，模糊控制的精髓是依據(jù)經(jīng)驗根據(jù)被控制對象設(shè)計模糊控制方案，可以靈活的改變實驗數(shù)值，也可以建立模糊經(jīng)驗值數(shù)據(jù)庫，供不同條件和環(huán)境下查表使用，可提供更加靈活精確的控制，它被控對象的數(shù)學(xué)模型沒有關(guān)系，簡單易行。本項目在對其它量的測量上，如氨氣、二氧化碳?xì)怏w的濃度等的控制也采用類似的模糊控制算法，也得到良好效果，從而驗證了模糊控制技術(shù)在實際應(yīng)用上的優(yōu)越性。
20211122_619ba784e75bd__基于多傳感器模糊控制的豬舍環(huán)境測控系統(tǒng)設(shè)計
