1、工廠化水產養殖中的自動控制技術工廠化水產養殖是集機、電、化、儀、生物工程和水處理技術為一體，建立起一個水體 循環的封閉養殖工廠，在人工控制條件下進行高密度、工業化養殖生產。具生產過程通過一 系列生物、物理和化學手段，對養殖水體和生態條件進行處理、監測和控制，創造出最適宜 養殖生物生長的水體環境，達到最快的生產速度，從而使單位體積水體產量獲得極大的提高。 該養殖方式特點是養殖密度高，有利于節約用地；養殖水體循環使用，降低了水資源的損耗， 減少了污染；因此，工廠化水產養殖符合“資源節約、環境友好型”的可持續發展戰略，具 有廣闊的發展前景。自動控制技術是工廠化水產養殖技術的重要方面。應用自動控制技術

2、，可以對養殖水體 和微生態環境的一些重要參數進行最佳調節和控制，最大限度的發揮工廠化養殖的效能，達 到精準控制養殖生產過程的目的。養殖過程的影響因子很多，并且有些參數相互影響，變量 較多，多因子全過程控制比較困難，影響較大的主要參數包括溶解O、pH值、溫度、濁度、氨氮、鹽度、堿度、傳導率等。自動控制技術主要是研究這些參數的調節與控制方法，為工 廠化養殖的自動化和精準化提供技術支持。自動控制技術在水產養殖領域的應用，極大地促進了水產養殖行業的工業化發展。建立 設備配套性能完好、技術先進、自動化程度高、系統連續穩定運行的自動控制系統，能夠確保養殖系統控制的準確性、安全性和適應性，為養殖生產提供可靠

3、的水質和生態條件。1.工廠化水產養殖自動控制系統組成1.1自動控制系統的結構工廠化水產養殖生產過程的影響因子很多，各種參數相互之間的影響比較大，控制規律 和系統組成復雜。把多種復雜的多因子控制系統，分解為單因子的調節與控制，就變成了簡 化的控制系統，如圖1所示。上位機圖1單因子自動控制系統組成Fig.1 Automatic control system for one factor單因子控制系統主要由上位機、可編程邏輯控制器PLC、模數轉換模塊（A/D ）、傳感器和執行原件組成。其中傳感器把控制參數的現場變化轉換成電信號，上傳到模數轉換模塊， 模數轉換模塊把電信號進行模數轉換，并輸入到可編程邏

4、輯控制器PLC上，PLC根據傳感器測得數據，由控制邏輯方法計算出需要控制的參量，控制執行元件的動作，達到參數控制的目 的。上位機一般指臺式計算機，PLC將傳感器的數據以及一些控制參數送至上位機中，由上位機中運行的監控工程顯示出來，同時對參數進行歷史記錄，制作報表、曲線，便于觀察和 查詢。止匕外，監控工程還根據需要修改控制參數，將修改好的參數送至下位機。自動控制系統的核心部分是可編程控制器（PLC）,因其高可靠性和較高的性價比在工業控制中得到廣泛的應用。PLC具有輸入參數和輸出參量多、單一 PLC可有多大十幾個甚至幾十 個輸入、輸出數值量，可把解 O、pH值、溫度、濁度、氨氮、鹽度、堿度、傳導率

5、等多個傳 感器同時探測的數值傳入單一 PLC,實現多參數同時控制，簡化了控制結構、減少過程變量。 工廠化水產養殖的設備及檢測儀表相對集中，參數控制相對獨立，PLC特別適用于這樣的系統 特性，能夠完成養殖生產過程中的工業控制與狀態監測。所以，工廠化水產養殖循環水系統的自動控制結構一般都采用以計算機和PLC為基礎的二級監控集散模式。1.2 自動控制系統的類型應用于水產養殖的自動控制系統主要包括中心控制類和現場控制類。中心監控類主要實 現集中監測的運行管理功能，中控室計算機所具有的友好人機界面（控制系統的顯示監視系統） 通過對PLC的管理，實現對全養殖場整個生產過程中所有設備的監測和控制。界面具有開

6、放 性、靈活性、高可靠性和易于操作性：模塊和接口界面設計都采用國際標準，應用軟件由標準和 專用的軟件模塊和功能模塊組成。現場監控是指各養殖車間設有多個 PLC控制子站，根據每個車間養殖品種的不同要求，設 定自身的優化程序，實現本車間內的設備調節和優化控制功能。中心控制室 PLC可通過現場 PLC站直接控制車間有關設備。如果中心控制室 PLC發生故障，不會影響養殖場場內車間PLC 站的控制功能，如果PLC網絡中某個PLC站發生故障，值班操作員可通過就地控制開關對設備 進行控制。1.3 工廠化水產養殖自動控制系統設計的基本原則在設計工廠化水產養殖自動控制系統過程中，要認真考慮控制參數的可控性和實現

7、控制 的可能性，有些受多因子影響的參數，就要從控制方法的角度考慮控制技術的創新性。自動 控制設計的基本思想是：準確性與經濟性相結合；生產過程控制功能和危險分散在PLC控制子站，控制安全的監督和管理集中到控制中心。1.3.1 自動控制的準確性原則自動控制系統要完成準確控制的功能，要確定控制的方法和控制的精度范圍。首先根據 特性曲線、數學模型、有關規定、測定值等對各處理單元的工藝控制過程和參數進行系統分 析和準確表達；其次是根據主要干擾的頻率和振幅確定相應工藝過程控制任務，協調工藝各單元之間的關系，確立整體工藝控制過程，實現準確控制目標。1.3.2 控制系統的安全性原則安全可靠的實現控制目標是設計

8、自動控制系的根本要求。在自動控制系統中，由于需要控制的設備和元件很多，邏輯關系復雜，各種設備和單元都有可能發生故障或出現誤動作，這都會 造成一定的損失。工廠化水產養殖系統的設計出于安全生產的考慮，一般采用三級控制層：就地手動、現場監控和遠程監控。就地手動是指通過設備旁的轉換開關手動控制設備的開啟和關 閉；現場監控是指由現場PLC執行控制設備的任務；遠程監控是指由養殖場控制中心通過控 制網絡對遠端的設備進行監控。通過設計三級控制保障措施，對各種故障進行及時、準確的 檢測、顯示和報警，避免生產損失，是設計控制系統時必須解決好的關鍵問題。1.3.3 控制系統的經濟性原則工廠化水產養殖的自動控制要求系

9、統有較高的智能度和容錯能力，降低建立自動控制系 統的成本。在控制過程中對參數變化范圍控制的越窄，建立系統所需要的設備、元件的對應 參數精度要求就越高，購買的成本越大。因此，對于生產過程的參數，要合理確定控制參數 的精度，在滿足生產過程要求的前提下，盡量放寬控制精度等級。實現在達到控制目的的同 時，降低生產成本。2、工廠化養殖生產過程控制中的控制方法應用于工廠化水產養殖生產過程控制的方法主要是PID控制(即比例積分微分控制用DPID增益控制，有些工程使用了模糊控制、以及應用中正在進一步發展的預測控制。2.1 PID控制在各種控制理論中，PID控制是最常用的一種控制算法。圖 2為常規PID控制系統

10、原理 圖，系統由PID控制器和被控對象組成。PID控制是一種線性控制，根據給定值r與實際輸出值c構成控制偏差e(t)= r(t)- c(t)(2-1)將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合過程控制量，對被控制對象進行 控制。其控制規律為u(t) Kpe(t) te(t)dt 吃(2-6)Tidt式中：e(t)偏差0Kp比例系數Ti積分時間常數Td微分時間常數圖2:常規PID控制系統原理圖Fag.2 : General PID control systemPID控制器各個校正環節作用可以簡單的概括如下：比例環節是成比例地反映控制系統的偏差，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以

11、減少偏差。提高 Kp能提高系統響應 速度，但如果Kp取值過大，會引起系統振蕩，破壞系統動態性能；積分環節主要用于消除 系統靜差，提高無差度。它對誤差進行積分，對系統控制有一定的滯后作用。Ti越大，積分作用越強，但積分作用過強會造成系統超調增大，甚至引起振蕩；微分環節是反映偏差信號 的變化趨勢，并在偏差信號值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而 加快系統的動作速度，減少調節時間，增強系統的穩定性。常規的PID控制中的比例作用實際上是一種線性放大或縮小的作用，通常是一個固定數值，很難滿足被控對象非線性的特性。PID增益控制就是為了達到系統的控制要求，獲得好的控制效果，對控制回路的

12、比例增益進行非線性補償。通過變量增益算法，對 PID控制器進 行線性補償改造，也稱非線性變增益 PID控制器，從而達到準確控制目的。2.2 模糊控制模糊控制理論是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的計算機智能控制， 是最近發展很快的一種控制理論，主要用于解決如pH值之類的大滯后、時變、非線性的過 程控制，其要點不是要求掌握受控對象的精確數學模型，而是根據人工控制規則，組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。將模糊控制和PID控制兩者結合起來，既具有模糊控制靈活而適應性強的優點，又具有PID控制精度高的特點。圖2-4 :模糊控制原理框圖Fig.2-4:the frame of f

13、uzzy control theory模糊控制的基本原理如圖2-4所示，虛線框表示的就是模糊系統，也稱為模糊控制器。真 實輸入值通常是誤差信號e,模糊控制器首先將具體數值的 e進行模糊化成模糊量，該模糊 量可用在知識庫中的模糊集表示。隨后模糊控制根據知識庫中的模糊算子、模糊規則和運算 法則進行推理運算，得出一個用于輸出控制的模糊集。由于現實控制需要的是一個確定的數 值，所以對輸出控制模糊集進行反模糊化處理后得到一個真實的輸出值用于系統控制。2.3預測控制預測控制具有對模型要求低、控制綜合質量好、在線計算方便等特點，是一種優化控制新算法。針對一些純滯后、大慣性參量 ，設計動態矩陣預測控制器，通過

14、對階躍響應系統的處理， 有效地將動態矩陣控制算法應用于純滯后、大慣性的生產過程的參量。多種多樣的預測算法 可歸為兩大類，第一類為基于非參數模型的模型預測控制、比較有代表性的是模型算法控制 （MAC）、動態矩陣控制（DMC）、模型預測啟發控制（MPHC）;另一類是基于參數化模型的預 測控制如廣義預測控制（GPC）和廣義預測極點配置控制（GPP）等。實際應用運行結果表明：預 測控制系統控制精度高、穩定性及抗干擾能力強，可有效地保證被控值的精度，在未來發展的工 廠化水產養殖過程控制中具有很高的實用價值。3 .工廠化水產養殖自動控制系統的監控設計模用控制器知識庫真實的輸入值真買的輸出值推理這肆模糊集膜

15、糊算千 模糊規則 運耳法則3.1 監控工程的作用工廠化養殖中有許多水體參數，如溫度、DO、CO2、pH、濁度、氨氮等十幾個參數，每個參數均由各自的傳感器及其配套的變送器負責檢測，一般的變送器只能顯示數據，不能 對數據進行保存、查詢，這樣不利于了解參數的變化規律和運行情況；擁有保存查詢功能的 變送器價格高出普通變送器很多，如果每個參數的監測都使用帶有數據保存查詢功能的變送 器成本會增加許多。而且顯示不同參數情況的變送器無論是集中放在一起還是分散放置，都 不利于工作人員觀察記錄。除了水體參數之外，養殖工廠還有其他一些設備的情況需要隨時 掌握，比如閥門，增氧機，水泵等。監控工程的作用就是將所有需要監

16、測的參數，設備的工作情況收集起來，在上位機中用 曲線，表格，圖形等各種可視化的手段集中顯示出來，這樣工作人員可以一目了然的看到想 要了解的參數數值、設備狀態，并且還將所需數據保存起來，工作人員可隨時調用任何時刻 的數據，增加對參數變化規律了解。工作人員還可以使用監控工程方便地修改下位機中的控 制參數，以達到控制現場情況的目的。功能齊全的監控工程可以幫助工作人員全面、準確、 及時掌握和控制整個養殖現場的情況，提高工作效率，規范養殖過程，提升養殖和管理水平， 充分體現工廠化水產養殖的先進性。3.2 監控工程的功能3.2.1 通訊功能從下位機中接收數據，向下位機寫入數據稱為通訊，這是監控工程最基本的

17、功能。上位機和下位機連接起來以后，上位機本身并不能獲取下位機的數據，也不能向下 位機中寫入數據，只有通過監控工程的通訊功能才可以獲取下位機的數據并改變下位機的數 據。3.2.2 監測功能監測功能即把收集到的數據顯示出來，并保存入歷史數據庫，以供隨時查詢和統計使用。參數數值有多種顯示方式，可以直接顯示，也可以制作曲線，報表等方式顯 示。設備的狀態如閥門的打開關閉，電動機的運行停止等，可以通過制作的動畫直觀的反映 出來。3.2.3 控制功能改變下位機中的控制參數，如 PID算法中的比例系數、積分系數、微分系數，上下限數值等。下位機是按照編好的程序運行，改動幾個關鍵的參數就能調整控制狀況， 但從下位

18、機中修改參數比較麻煩，需要特定的編程軟件，有時可能還需要停機。監控工程的 控制功能可以拋開特定的軟件，不用停機，直接修改參數，十分便于控制現場情況。以上介紹的是監控工程最基本，最重要，最常用的三項功能，監控工程還能有許多其他 功能，如報警功能，智能決策等，用戶可以根據需要自己添加。3.3 監控工程的設計方法監控工程的設計本著方便用戶的原則，設計成人機交互的畫面形式，即大量采用曲線， 表格，下拉式菜單，彈出式窗口，按鈕等直觀的可視化圖表，最大程度方便用戶掌握整個養 殖現場情況，操作運行設備，設置控制參數。3.3.1 使用VB, VC+等高級語言設計監控工程，此類軟件有友好的人機界面以及豐富的數 據處理和圖表顯示功能，有很多控件可以用于編程，比如使用VB6.0通信控件MSComm 設計通訊功能。3.3.2 使用組態軟件設計監控工程組態軟件運行于32位Windows平臺上，采用類似資源瀏覽器的窗口結構，并且對工業 控制系統中的各種資源（設備、標簽量、畫