2022年自动化增氧机控制算法与控制系统设计 .pdf

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1、自 动 化 增 氧 机 控 制 算 法 与 控 制 系 统 设 计孙园园 ， 刘昌华（ 武汉工业学院数学与计算机学院， 武汉430023 ）摘要： 增氧机对于规模化水产养殖企业必不可少， 但 是 目 前 增 氧 机 的 自 动 化 程 度 很 低 ， 而 且 现 有 的 增 氧 机 自动控制系统还存在很多不足。 为此 ， 分析了当前 已 有 的 增 氧 机 自 动 控 制 算 法 的 局 限 性 ， 并 结 合 水 产 养 殖 的 实 践知识和经验设计了一个新的控制算法， 采 用 有 限 状 态 机 以 及 PID 控 制 方 法 。 利 用 所 设 计 的 控 制 算 法 ， 在 实 验 室

2、完成了基于ARM9 处理器与Linux 嵌入式操作系统的控制系统原型设计。该控制系统通过CAN 总线获取传感 器采集的数据， 经过控制算法的计算后， 控制步进电机的开启、 关闭和转速。同时 ， 该控制系统 也 是 一 个 TCP/IP 服务器 ， 远程主机随时可以连接到该服务器读取当前环境信息。结果表明， 该控 制 系 统 能 够 完 成 预 期 的 功 能， 满 足水产养殖企业的实际需求。关键词 ：自动化增氧机 ；控制算法 ；PID 控制 ；Linux 嵌入式系统 ；网络编程中图分类号 ：TP273 ； S126文献标识码 ：A文章编号 ：1003 188X （ 2013 ） 02 0065

3、 040引言鱼塘缺氧将会带来重大损失， 因此增氧机对于规模化水产养殖企业必不可少， 但是目前增氧机的自动化程度很低 ， 一般由养殖人员根据经验判断， 手动控制其开启与关闭。在某些情况下， 若不及时开启增氧机， 将会出现重大损失； 而有些情况下， 开动增氧机不仅浪费电能 ， 甚至还起到反作用。随着电子通信、 自动化技术以及传感器技术的发展， 在增氧机的自动化控制领域已有一些研究和技术创新13。 但是这些监控系统的控制算法都过 于 简单， 虽然相比于人工控制大大提高了效率， 但在实际应用效果以及节能省电方面还有很大的改进空间。本文首先分析了当前已有的增氧机自动控制算法的局限性 ， 并结合水产养殖的

4、实践知识和经验设计了一个基于有限状态机的新的控制算法， 把在水产养殖实践中会遇到的一些常见状况纳入考虑因素， 对算法做了改进 。基于所设计的新算法， 在实验室中完成了原型系统的设计和测试， 系统的软硬件各部分都将在本文中做相应介绍。1现有控制系统的局限性收稿日期：2012 05 17基金项目：湖北省教育厅科学技术研究项目（ D20121807 ）作者简介： 孙园园 （ 1989 ）， 男 ， 江苏如皋人， 硕士研究生， （Email）so2ycit163com。通讯作者：刘昌华 （1963 ） ， 男，武 汉 人， 副 教 授， 硕 士 生 导 师，（Email）liuch whpuedu c

5、n。现有的控制系统所采用的控制算法都比较简， 一般通过测量鱼塘边、 水面下0 5m 的非投食区的溶氧量12， 依据所测得的单一含氧量控制增氧机的方法仅仅具有类似于报警的作用， 只有在溶氧量低于极限时才会自动开启增氧机向水体增氧。但是在实际情况下是不是只有含氧量低于某个极限时才需要开启增氧机呢 ？对于水产养殖有经验的人都知道答案是否定的 。增氧机的主要作用不仅仅是向水中“增氧 ” ，还有一个重要的作用是促进水体上下层的对流， 使溶氧均匀分布 。水体的上层和下层的溶氧量相差很大，水体下层由于温度低、 光照不充足、 光合作用不强、 耗氧因子多等原因导致溶氧量偏低； 而水表层浮游植物光合强烈 ， 溶氧

6、量充足以至达到饱和， 溶氧过饱和后会溢出水面造成浪费。虽然水体下层的溶氧量相对较低 ， 但在晴天中午其溶氧量的绝对值并不会低于设定的下限值 ， 因此根据现有的增氧机简单控制算法，此时并不会自动开启增氧机。而此时若不开启增氧机， 会有 3 个方面的问题4： 一是水体上层光合作用产生的大量氧气因饱和而溢出造成浪费； 二是水体下层的溶氧量在白天得不到足够的补充， 无法弥补夜晚对溶氧量的消耗（ 俗称氧债 ） ， 从而导致夜晚因溶氧量低于极限值而使增氧机长期满负荷工作， 浪费更多的电能 ； 三是上层溶氧过高也会出现鱼虾浮头的情况，即所谓的 “气泡病 ” 。此时若开启增氧机， 只需小功率搅水便可实现上下水

7、层的对流， 使得上层的过饱和溶氧向下层转移，既避免了氧气浪费，又提供了下层水体夜晚所需的溶氧。562013 年 2 月农 机 化 研 究第 2 期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 图 1现有的增养机自动控制算法2改进的控制算法笔者对控制 算 法 做了 一 定 的 改 进， 具 体 方 法 如下： 将单一溶氧量的测量改为水体上层和下层的同时测量 ， 不仅关注绝对溶氧量的大小， 还关注上下层溶氧量之间的差值以及上层溶氧

8、量与当前温度下的饱和溶氧量的差值。将在 3 种情况下自动开启增氧机：一是溶氧量低于极限值， 这种情况属于应急型， 是“增氧” ； 二是上下层溶氧量之间的差值大于设定的极限值， 这种情况是促使表层的溶氧向下层运输， 是“运养” ； 三是上层溶氧量达到当前温度下的饱和溶氧量，这种情况是为了防止因上层氧过高形成“气泡病 ” ， 是“散氧 ” 。因此 ， 在新的算法中， 设计了 4 种控制状态， 分别是关闭 状 态 （ S0 ） 、“增氧 ”状态 （S1 ） 、 “运 氧 ” 状 态（ S2） 和“散氧 ” 状态 （ S3） 。各个状态之间转换条件见图 2 所示的状态机图。图 2自动增氧机控制算法的状

9、态机图在算法的设计中， 考虑到跳转到不同状态的条件同时发生的可能性， 给各个状态 设定了 不同的优 先级， 优先级从高到低依次是： S1S2 S3 S0 。在状态的转换中 ， “增氧 ” 状态 （ S1） 是应急状态， 为确保响应的及时性 ， S1 状态具有最高优先级， 无论在何种状态下， 只要检测到溶氧量低于极限值， 就会立即跳转到S1 状态 。在各个状态下， 分别执行各个状态的控制程序， 当控制程序执行完之后， 都将返回到关闭状态， 即S0 状态 。此外 ， 现有的增氧机自动监控系统只控制增氧机的开关 ， 并不控制增氧机的输出功率。 在新设计的算法中 ， 使用 PID 控制算法来调节增氧机

10、的输出功率。在比例 （ P） 项中 ， 输出功率与所测溶氧量和设定的标准值之间的偏差成正比； 在积分 （ I） 项中 ， 输出功率与溶氧量偏差的积分成正比， 能够避免仅使用比例项时的稳态误差； 在微分 （ D）项中 ， 输出功率与溶氧量偏差的微分 （ 变化率 ） 成正比关系 ， 由于增氧机的增氧效果具有一定的滞后性（ 惯性 ） ， 在本设计中使用微分项能够适当地降低不必要的高功率输出， 起到节能的作用。通过控制电机的转速， 来控制输出功率的大小。PID 控制器由比例单元（ P） 、 积分单元 （ I） 和微分单元 （ D） 组成 。输入 e （ t） 与输出 u （ t） 的关系为u（ t）=

11、 kpe（ t）+ 1 /TIe（ t） dt + TD* de（ t）/dt（ 1）式中0， t积分的上下限 ；kp比例系数 ；TI积分时间常数 ；TD微分时间常数 。各状态下的 PID 系数不相同 。增氧状态 （ S1） 下需662013 年 2 月农 机 化 研 究第 2 期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 要较大的功率， 因此 PI 项系数较大 ； 运氧状态 （ S2） 需要的输出功率较小， PI 项系数较

12、小； 散氧氧状态（ S3）需要的输出功率最小， 而且需要防止被控量的超调（ 即溶氧量降到饱和值以下过多） ， 因此 PI 项系数最小， D项系数较大 。3原型系统设计基于改进的控制算法， 笔者在实验室中完成了基于武汉创维特公司的JX2410 型号的ARM9 开发板和嵌入式 Linux 操作系统的原型系统设计， 如图 3 所示 。图 3自动增氧机控制系统的原型系统结构在该系统中， 使用步进电机模拟增氧机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件 。在非超载的情况下， 电机的转速、 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数， 而不受负载变化的影响 ， 即给电机加一个脉冲信号， 电机

13、则转过一个步距角5。这一线性关系的存在， 加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点， 使得步进电机的转速易于控制。步进电机的控制就是将脉冲表中的脉冲数据按照一定的顺序发送到步进电机控制寄存器。脉冲表中的脉冲数据的发送顺序决定了步进电机正转或反转， 而每两个脉冲数据发送的时间间隔决定了步进电机的转速 。在本设计中， 编写了Linux 系统步进电机的驱动程序 。该驱动程序只完成简单的数据传送任务， 即把用户空间的脉冲数据传送到步进电机的控制寄存器。至于脉冲数据的发送顺序以及脉冲数据之间的时间间隔 ， 则由用户空间应用程序通过编程灵活控制。由于采集溶氧量与温度的传感器在水体中， 而且多个传感器

14、将分布在不同的地方， 因此传感器节点与控制系统有一定的距离。本设计选用CAN 总线作为传感器和控制系统的互连。 由于本文重点关注控制系统的设计 ， 因此不涉及传感器节点的设计。CAN 是控制器局域网络（ Controller Area Network，CAN） 的简称， 是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的 ， 并最终成为国际标准， 是国际上应用最广泛的现场总线之一。其具有高可靠性和良好的错误检测能力 ， 因此被广泛应用于环境温度恶劣、 电磁辐射强和振动大的工业环境。因此 ， 该设计完全能够适应鱼塘野外的各种恶劣环境， 保证系统的可靠性。创维特公司的JX2410 开发板上具

15、有CAN 总线接口 。在传感器节点设计完成前， 使用另外一个开发板模拟传感器结点 ， 向控制系统发送溶氧量和温度数据以供测试用 。控制系统和远程主机之间的通信也非常重要， 这将使得养殖人员在控制室就能随时了解鱼塘的情况。因此 ， 从广义上讲， 该控制系统也被设计成一个TCP/IP 服务器 ， 远程 PC 作为客户端随时可以连接到该服务器 ， 及时了解系统运行状况、 当前鱼塘溶氧量和温度等参数 。TCP 是一种面向连接的、 可靠的 、 基于字节流的传输层通信协议6 ， 同一层内另一个重要协议UDP 协议是无连接的协议， 提供面向事务的简单不可靠信息传送服务， 但是通信效率更高、 延时更短 。 考

16、虑到本系统与远程PC间的通信数据量不大和延时不敏感等特点 ， 选择使用可靠性更高的TCP 协议 。 这部分功能都是通过socket编程完成的 。控制系统建立服务器的流程为： 首先调用socket（ ） 函数创建一个socket， 并通过bind（ ） 函数绑定到一个服务端口 ； 随后 ， 通过调用listen（ ） 函数把 socket 的状态设置为listening， 表示可以接受客户端的连接请求； 然后 ， 调用 accept（ ） 函数等待请求， 在客服端的连接请求到来之前， 该服务器进程便进入睡眠状态， 几乎不占用系统资源了；一旦有客户端的连接请求，该进程便被激活， 与该客户端建立连接

17、， 并进行通信 。远程 PC 建立客户端并向服务器（ 控制系统 ） 请求连接 的 流程 为： 首 先， 调 用 socket（）函 数 创 建一 个socket， 在指定服务器的IP 地址与端口号后调用con-nect（ ） 函数向服务器发起连接请求， 在服务器接受请求并建立连接后， 便可与服务器进行通信。使控制系统作为服务器看似增加了对控制系统CPU 资源和存储资源的占用， 实际上大部分时间服务器进程是处于睡眠状态的， 因此并没有额外增加对系统资源的使用。 相反 ， 如果使控制系统作为客户端，在非连接的情况下将不断地向外发送连接请求， 这种情况下将占用更多的系统资源。4控制算法与控制系统的特

18、点针对现有的增氧机控制系统的局限性， 提出了改进的控制算法， 并设计了相应的原型系统。762013 年 2 月农 机 化 研 究第 2 期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 4 1控制算法具有的特点1） 该控制算法使得增氧机不仅仅只在缺氧的情况下起救急的作用。 在晴天中午水体上层光合作用充足的时候 ， 也能将上层的氧向水体下层输运， 补充下层“氧债 ” ， 尽可能避免在夜晚造成缺氧， 同时还能防止上层溶氧浓度过高造成

19、的“气泡病 ” 。 该算法更符合养殖场的实际需求。2） 使用该控制算法更能节省电能消耗。一方面通过降低了夜晚缺氧的可能性， 从而减少了夜晚因溶氧量低而启动增氧机的次数； 另一方面 ， 该算法改变了现有算法只控制开启和关闭， 增氧机以固定功率运转的现状 ， 根据测得的数据实时调整电机转速， 从而提高了电能的利用率， 避免了浪费 。3） 基于有限状态机的算法框架， 使得控制系统软件的开发变得容易。 给各个状态设定不同优先级的方法 ， 同时又使系统具有更好的稳定性。4 2原型系统具有的特点1） 使用了易于通过软件编程调速的步进电机模拟增氧机 ， 因此能够直观地观察出算法的执行效果。2）通过CAN总线

20、获取传感器节点的数据，一方面具有很高的可靠性； 另一方面具有可扩展性， 可以扩展多个传感器节点测量多个区域的数据， 使测量数据更全面 。3） 通过 TCP/IP 网络与远程主机通信， 具有很好的交互性和易用性。参考文献 ： 1成永旭 ， 金继明 ， 朱选才 ， 等 用测氧仪自动监控精养鱼池增氧机适时开机的实验 J 渔业现代化 ， 1996， 23（ 6） ： 710 2孙道宗 ， 王卫星 ， 许利霞 ， 等 鱼塘含氧量自动监控系统 J 农机化研究 ， 2005， 27（ 4） ： 128 130 3杨世凤 ， 齐嘉琳 ， 李洋 ， 等 鱼塘溶解氧无线监测与控制系统研究J 渔业现代化 ， 201

21、0， 37（ 6） ： 11 14 4吕刚 如何合理开增氧机J 农家之友 （ 理论版 ） ， 2008，20（ 10） ： 57 5Terry Batertelt工业控制电子学 设备 、 系统与应用 M 姜绍龙 ， 富晓静 ， 张剑 ， 译 北京 ： 清华大学出版社， 2005：143 148 6JamesFKuros，Keith W Ross计算机网络 ： 自顶向下方法与 Internet 特色M 陈鸣 ， 译 北京 ： 机械工业出版社，2005： 152 153Design of Control Algrithmand System forAutomotive Oxygen increas

22、ing MachineSun Yuanyuan，Liu Changhua（ School of Mathematicsand Computer， Wuhan Polytechnic University， Wuhan 430023，China）Abstract ：Oxygen increasing machine is necessaryfor aquaculture farm The automatic level of the oxygen increasingmachine is still low and there are somedrawbacksof their control

23、systems In present paper，the drawbacksof the previ-ously proposedcontrol systemsare first analyzed According to our researchin aquaculture，a new control algorithm basedon finite state machine and PID is designed Using the new control algorithm，we design an experimental systembasedonARM processorand

24、Linux This control systemobtain data collected by sensorsthrough the CAN bus and processesthedata to control the turn on/off and speed of the step motor in the oxygen increasing machine This systemalso works asa TCP/IP server A remote PC can get connected to it to acquire information，to modify param

25、etersand to send manualcontrol commands Results showedthat this systemfulfill the prospectivefunction greatly and can meet the needof aqua-culture farms Key words ：automotive oxygen increasing machine；control algorithm；PID control；Linux embedded system ；networkprogramming862013 年 2 月农 机 化 研 究第 2 期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -