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1、工厂化水产养殖中的自动控制技术工厂化水产养殖是集机、电、化、仪、生物工程和水处理技术为一体，建立起一个水体循环的封闭养殖工厂，在人工控制条件下进行高密度、工业化养殖生产。其生产过程通过一系列生物、物理和化学手段，对养殖水体和生态条件进行处理、监测和控制，创造出最适宜养殖生物生长的水体环境，达到最快的生产速度，从而使单位体积水体产量获得极大的提高。该养殖方式特点是养殖密度高，有利于节约用地；养殖水体循环使用，降低了水资源的损耗，减少了污染；因此，工厂化水产养殖符合“资源节约、环境友好型”的可持续发展战略，具有广阔的发展前景。自动控制技术是工厂化水产养殖技术的重要方面。应用自动控制技术，可以对养殖
2、水体和微生态环境的一些重要参数进行最佳调节和控制，最大限度的发挥工厂化养殖的效能，达到精准控制养殖生产过程的目的。养殖过程的影响因子很多，并且有些参数相互影响，变量较多，多因子全过程控制比较困难，影响较大的主要参数包括溶解O、pH值、温度、浊度、氨氮、盐度、碱度、传导率等。自动控制技术主要是研究这些参数的调节与控制方法，为工厂化养殖的自动化和精准化提供技术支持。 自动控制技术在水产养殖领域的应用，极大地促进了水产养殖行业的工业化发展。建立设备配套性能完好、技术先进、自动化程度高、系统连续稳定运行的自动控制系统,能够确保养殖系统控制的准确性、安全性和适应性，为养殖生产提供可靠的水质和生态条件。1
3、. 工厂化水产养殖自动控制系统组成1.1 自动控制系统的结构 工厂化水产养殖生产过程的影响因子很多，各种参数相互之间的影响比较大，控制规律和系统组成复杂。把多种复杂的多因子控制系统，分解为单因子的调节与控制，就变成了简化的控制系统，如图1所示。上位机可编程逻辑控制器PLC传 感 器模数转换模块（A/D）执行元件 图1 单因子自动控制系统组成 Fig.1 Automatic control system for one factor 单因子控制系统主要由上位机、可编程逻辑控制器PLC、模数转换模块（A/D）、传感器和执行原件组成。其中传感器把控制参数的现场变化转换成电信号，上传到模数转换模块，模
4、数转换模块把电信号进行模数转换，并输入到可编程逻辑控制器PLC上，PLC根据传感器测得数据，由控制逻辑方法计算出需要控制的参量，控制执行元件的动作，达到参数控制的目的。上位机一般指台式计算机，PLC将传感器的数据以及一些控制参数送至上位机中，由上位机中运行的监控工程显示出来，同时对参数进行历史记录，制作报表、曲线，便于观察和查询。此外，监控工程还根据需要修改控制参数，将修改好的参数送至下位机。自动控制系统的核心部分是可编程控制器(PLC)， 因其高可靠性和较高的性价比在工业控制中得到广泛的应用。PLC具有输入参数和输出参量多、单一PLC可有多大十几个甚至几十个输入、输出数值量，可把解O、pH值
5、、温度、浊度、氨氮、盐度、碱度、传导率等多个传感器同时探测的数值传入单一PLC，实现多参数同时控制，简化了控制结构、减少过程变量。工厂化水产养殖的设备及检测仪表相对集中,参数控制相对独立，PLC特别适用于这样的系统特性,能够完成养殖生产过程中的工业控制与状态监测。所以,工厂化水产养殖循环水系统的自动控制结构一般都采用以计算机和PLC为基础的二级监控集散模式。1.2 自动控制系统的类型应用于水产养殖的自动控制系统主要包括中心控制类和现场控制类。中心监控类主要实现集中监测的运行管理功能,中控室计算机所具有的友好人机界面(控制系统的显示监视系统) 通过对PLC 的管理，实现对全养殖场整个生产过程中所
6、有设备的监测和控制。界面具有开放性、灵活性、高可靠性和易于操作性:模块和接口界面设计都采用国际标准,应用软件由标准和专用的软件模块和功能模块组成。现场监控是指各养殖车间设有多个PLC 控制子站,根据每个车间养殖品种的不同要求，设定自身的优化程序,实现本车间内的设备调节和优化控制功能。中心控制室PLC 可通过现场PLC 站直接控制车间有关设备。如果中心控制室PLC发生故障,不会影响养殖场场内车间PLC 站的控制功能,如果PLC 网络中某个PLC 站发生故障,值班操作员可通过就地控制开关对设备进行控制。1.3 工厂化水产养殖自动控制系统设计的基本原则在设计工厂化水产养殖自动控制系统过程中，要认真考
7、虑控制参数的可控性和实现控制的可能性，有些受多因子影响的参数，就要从控制方法的角度考虑控制技术的创新性。自动控制设计的基本思想是:准确性与经济性相结合；生产过程控制功能和危险分散在PLC控制子站，控制安全的监督和管理集中到控制中心。1.3.1 自动控制的准确性原则自动控制系统要完成准确控制的功能，要确定控制的方法和控制的精度范围。首先根据特性曲线、数学模型、有关规定、测定值等对各处理单元的工艺控制过程和参数进行系统分析和准确表达；其次是根据主要干扰的频率和振幅确定相应工艺过程控制任务,协调工艺各单元之间的关系,确立整体工艺控制过程,实现准确控制目标。1.3.2 控制系统的安全性原则 安全可靠的
8、实现控制目标是设计自动控制系的根本要求。在自动控制系统中,由于需要控制的设备和元件很多,逻辑关系复杂,各种设备和单元都有可能发生故障或出现误动作,这都会造成一定的损失。工厂化水产养殖系统的设计出于安全生产的考虑,一般采用三级控制层:就地手动、现场监控和远程监控。就地手动是指通过设备旁的转换开关手动控制设备的开启和关闭；现场监控是指由现场PLC执行控制设备的任务；远程监控是指由养殖场控制中心通过控制网络对远端的设备进行监控。通过设计三级控制保障措施，对各种故障进行及时、准确的检测、显示和报警,避免生产损失,是设计控制系统时必须解决好的关键问题。1.3.3 控制系统的经济性原则工厂化水产养殖的自动
9、控制要求系统有较高的智能度和容错能力，降低建立自动控制系统的成本。在控制过程中对参数变化范围控制的越窄，建立系统所需要的设备、元件的对应参数精度要求就越高，购买的成本越大。因此，对于生产过程的参数，要合理确定控制参数的精度，在满足生产过程要求的前提下，尽量放宽控制精度等级。实现在达到控制目的的同时，降低生产成本。2、工厂化养殖生产过程控制中的控制方法 应用于工厂化水产养殖生产过程控制的方法主要是PID 控制(即比例积分微分控制)和PID增益控制，有些工程使用了模糊控制、以及应用中正在进一步发展的预测控制。2.1 PID控制在各种控制理论中，PID控制是最常用的一种控制算法。图2为常规PID控制
10、系统原理图，系统由PID控制器和被控对象组成。PID控制是一种线性控制，根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t)= r(t)- c(t) （2-1） 将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合过程控制量，对被控制对象进行控制。其控制规律为 （2-6）式中： e(t)偏差Kp比例系数TI积分时间常数TD微分时间常数比 例积 分微 分被 控 对 象e(t)r(t)u(t)c(t)图2：常规PID控制系统原理图Fag.2：General PID control system PID控制器各个校正环节作用可以简单的概括如下：比例环节是成比例地反映控制系统的偏差，偏差一旦产
11、生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。提高Kp能提高系统响应速度，但如果Kp取值过大，会引起系统振荡，破坏系统动态性能；积分环节主要用于消除系统静差，提高无差度。它对误差进行积分，对系统控制有一定的滞后作用。TI越大，积分作用越强，但积分作用过强会造成系统超调增大，甚至引起振荡；微分环节是反映偏差信号的变化趋势，并在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间，增强系统的稳定性。常规的PID控制中的比例作用实际上是一种线性放大或缩小的作用，通常是一个固定数值，很难满足被控对象非线性的特性。PID增益控制就是为了达到系统的控制要求，获得好的控
12、制效果，对控制回路的比例增益进行非线性补偿。通过变量增益算法，对PID控制器进行线性补偿改造，也称非线性变增益PID控制器，从而达到准确控制目的。2.2 模糊控制模糊控制理论是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制，是最近发展很快的一种控制理论，主要用于解决如pH值之类的大滞后、时变、非线性的过程控制，其要点不是要求掌握受控对象的精确数学模型，而是根据人工控制规则，组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小。将模糊控制和PID控制两者结合起来，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有PID控制精度高的特点。图2-4：模糊控制原理框图Fig.2-4:the frame
13、of fuzzy control theory 模糊控制的基本原理如图2-4所示，虚线框表示的就是模糊系统，也称为模糊控制器。真实输入值通常是误差信号e，模糊控制器首先将具体数值的e进行模糊化成模糊量，该模糊量可用在知识库中的模糊集表示。随后模糊控制根据知识库中的模糊算子、模糊规则和运算法则进行推理运算，得出一个用于输出控制的模糊集。由于现实控制需要的是一个确定的数值，所以对输出控制模糊集进行反模糊化处理后得到一个真实的输出值用于系统控制。2.3 预测控制预测控制具有对模型要求低、控制综合质量好、在线计算方便等特点,是一种优化控制新算法。针对一些纯滞后、大惯性参量,设计动态矩阵预测控制器,通过
14、对阶跃响应系统的处理,有效地将动态矩阵控制算法应用于纯滞后、大惯性的生产过程的参量。多种多样的预测算法可归为两大类，第一类为基于非参数模型的模型预测控制、比较有代表性的是模型算法控制(MAC)、动态矩阵控制(DMC)、模型预测启发控制(MPHC)；另一类是基于参数化模型的预测控制如广义预测控制(GPC)和广义预测极点配置控制(GPP) 等。实际应用运行结果表明:预测控制系统控制精度高、稳定性及抗干扰能力强,可有效地保证被控值的精度,在未来发展的工厂化水产养殖过程控制中具有很高的实用价值。3 工厂化水产养殖自动控制系统的监控设计3.1 监控工程的作用工厂化养殖中有许多水体参数，如温度、DO、CO
15、2、pH、浊度、氨氮等十几个参数，每个参数均由各自的传感器及其配套的变送器负责检测，一般的变送器只能显示数据，不能对数据进行保存、查询，这样不利于了解参数的变化规律和运行情况；拥有保存查询功能的变送器价格高出普通变送器很多，如果每个参数的监测都使用带有数据保存查询功能的变送器成本会增加许多。而且显示不同参数情况的变送器无论是集中放在一起还是分散放置，都不利于工作人员观察记录。除了水体参数之外，养殖工厂还有其他一些设备的情况需要随时掌握，比如阀门，增氧机，水泵等。监控工程的作用就是将所有需要监测的参数，设备的工作情况收集起来，在上位机中用曲线，表格，图形等各种可视化的手段集中显示出来，这样工作人员可以一目了然的看到想要了解的参数数值、设备状态，并且还将所需数据保存起来，工作人员可随时调用任何时刻的数据，增加对参数变化规律了解。工作人员还可以使用监控工程方便地修改下位机中的控制参数，以达到控制现场情况的目的。功能齐全的监控工程可以帮助工作人员全面、准确、及时掌握和控制整个养殖现场的情况，提高工作效率，规范养殖过程，提升养殖和管理水平，充分体现工厂化水产养殖的先进性。3.2 监控工程的功能3.2.1通讯功能 从下位机中接收数据，向下位机写入数据称为通讯，这是监控工程最基本的功能。上位机和下位机连接起来以后，上位机本身并不能获
