高密度水产养殖中溶解氧的归一化模糊控制

（建东职业技术学院，江苏常州，213000） 马鸿雁

1 系统结构

在高密度养殖系统中，除了自然条件外，常见的溶解氧降低主要在投饲料后，一方面因为鱼类在消化食物过程中，呼吸速度大大加快，导致溶解氧快速下降；另一方面投饲料后鱼类代谢活动增加，产生了排泄物，排泄物和剩余饲料的分解消耗了溶解氧，导致了水体中溶解氧的降低。

目前国内增氧机主要有叶轮式、水车式、管式等。它们都基于同样的原理：通过扩散原理使氧气从空气中溶入到水体中。增氧的速率取决于三个基本因素：氧在水中的欠缺程度；水与空气接触的表面积大小；水体扰动的程度。增氧机的作用一是增加空气中的氧气向池塘水体溶解；二是促进水体上下交换。池水上层由于浮游生物的光合作用而富含氧气，水体中层及下层由于光照条件差、残饵、淤泥分解耗氧大而呈贫氧状态，使用增氧机，可促进上下水层交换，改善和提高整个水体的溶氧状况；三是曝气作用。养殖鱼类或其它水生生物的新陈代谢废物以及残饵、淤泥。分解所产生的有害气体通过增氧机搅动水体，散逸到大气中，从而改善池水水质状况[1][2]。

1.1 硬件电路工作过程

溶解氧传感器信号经放大后直接接入CPU（P89LPC938）内置A/D 转换电路输入端，CPU 首先与设定值相比较，如果输入CPU数字信号对应的浓度值小于5.0mg/L，直接工频启动电机，增氧电机额定功率增氧；特殊情况下如果浓度值小于4.5mg/L，工频启动电机的同时发出声光报警，提醒工作人员如果工频工作不能有效提高溶氧含量则必须采取抛洒溶氧剂等应急措施。（从成本的考虑及事件发生概率极低等原因，系统没有配置自动喷撒溶氧剂设备。）如果溶氧浓度值大于5.0mg/L 小于5.5mg/L，则系统经模糊归一化计算后输出电压值经D/A转换成模拟信号，并经放大后输出至变频器，变频调速增氧电机[3]。

1.2 溶解氧传感电路

溶解氧控制系统主要由溶解氧传感器、模糊控制器、变频器、增氧电机等组成闭环控制系统，控制器根据设置的溶氧值Yr（5.5mg/L）和检测到的实时溶氧量Yk 计算出溶解氧的误差Ek 和误差变化率ΔEk，（Ek＝Yr-Yk；ΔEk＝Ek-Ek-1）再利用Ek、ΔEk依据模糊控制算法求出控制系统的控制输出量[4]。

1.2.1 传感电路原理

溶氧测量采用电极法，电极的阴极由4mm黄金片组成，阳极即参比电极为银电极，两极的空间中充以电解液，两端用具有通透选择性聚四氟乙烯薄膜覆盖，当对金电极与银电极间加0.7V左右的极化电压时，水中溶解氧透过薄膜，在阴极上还原，产生稳定的扩散电流：

其中K为常数；n为反应过程中转移的电子数，Pm为薄膜的渗透系数，Dm为薄膜的厚度，A为阴极面积，Cs为样品中的氧分压，I为扩散电流。当电极结构固定，阴极面积一定，薄膜的种类与厚度一定，Pm、A、Dm为常数，则式（1）变为：

由（2）式可知扩散电流I 的大小与氧分压成正比，测得电流值便可计算出溶解氧含量。

1.2.2 传感电路校正

溶解氧传感器输出电流与溶解氧含量的高低成非线性关系，采用简单的线性拟合法误差太大。采用整段校正法或神经网络法计算量大，单片机难以满足系统要求。因此系统采用分段折线法校正[5]。

假设Y是溶解氧浓度，I是传感器输出电流，如果用n 段直线逼近系统的非线性输出，n 段直线有n+1 个端点（0，0）、（I1，Y1）、（I2，Y2）…（Ii，Yi）…（In，Yn）。每段直线方程为：

把每段直线的两个端点值代入公式（3）可以得到：

单片机校正时，依据测量值大小，找到符合该测量值的校正直线段，查询出已计算好的系数a，b的对应值，再根据公式（3）算出实际的溶解氧含量值。

2 模糊控制

在过程参数固定、非线性现象不严重的情况下，PID控制得到了广泛应用，在参数变化大的过程控制中，PID控制器难以收到良好的效果，需要在参数估计基础上，对PID 控制器参数在线调整。但溶解氧控制系统是一纯滞后大惯性的系统，加之水位、温度、放养量等参数的时变性，很难建立一个精确的数学模型对其进行控制，而模糊控制不需要了解系统的数学模型及参数，对于未知模型的系统具有很大的实用价值，因此系统采用模糊控制策略来实现溶解氧控制。

模糊控制以计算机语言描述人类知识，并把它表示成模糊规则或关系。在计算机控制系统中对控制回路的被控变量处理在时间上是离散断续进行的，每个被控变量的测量值与设定值比较一次，按照模糊规则与推理得到输出值，并把它保留到下一个采样时刻[6]。采用离散PID位置控制算法，系统输出为：

上式变化得：

其中Kp为比例增益；Ki＝KpTs/Ti为积分系数；Kd=KpTd/Ts为微分系数。为了控制方便，通过多次实验和经验获得Kp的变化范围为：[Kpmin，Kpmax]，Kd的变化范围为[Kdmin，Kdmax]，Kp、Kd通过线型变换归一化成0和1之间的参数Kpg、Kdg:

在参数调整中根据当前误差Ek 和误差变化率ΔEk来确定参数，积分时间常数由差分时间常数决定：

积分增益由下式计算得到：

每次采样后误差Ek 和误差变化率ΔEk 首先通过 C 语言中选择语句归类为模糊集{3，2，1，0，-1，-2，-3}的某元素如：

参数Kpg、Kdg和α由图1所示模糊规则决定：

Kpg、Kdg、α取值依据的规则如图1 所示，一旦得到Kpg，Kdg 后，按照式（7）和（8）就可计算出PID的参数Kp、Kd、Ki[7][8]。

图1 Kpg、Kdg、α控制规则

系统控制参数Kp、Kd、Ki 产生的规则是：①初始阶段溶解氧浓度与设定值相差较大时需要一个大的控制信号以加速上升时间，为了产生大的控制信号，PID控制器需要大的比例增益，大的积分增益和小的微分增量。因此比例增益Kpg可以由大模糊集表示，而微分增益Kdg由小模糊集表示，积分增益由（10）式计算得到。②在调整中期，系统得到适中的Kp，Kd，Ki 以保证一定的响应速度和避免超调。③在调整后期增大Kp 以减小静差，适当增大Ki 以提高稳定性，Kd 取值接近0 防止产生振荡。参数α当误差Ek较大时选取小的参数，依据公式（10）得到一个大Ki的以尽快缩小误差。

3 结束语

采用归一化模糊控制系统后，养殖池溶解氧浓度能快速稳定在在5.5mg/L 左右，从而保证了鱼类摄食好、生长快的特点以及提高了饲料利用率。同时具有以下优点：①节省了电能。增氧电机大部分时间内是在低于额定转速的状态下运行，同时在气压高，风速大的自然条件下，当外界条件使溶解氧浓度超过设定值一定额度时，增氧机停止工作，起到节能效果。②当一些特殊情况下溶解氧浓度低于5.0mg/L时，增氧机工作在工频状态下，起到了快速增氧的效果。③电机可以缓慢启动、加速和停止，因此无冲击电流，延长了电机的使用寿命，同时减少了对鱼类的干扰。