海產育苗養殖水溫控制系統設計

張翠敏，楊永剛，姚青梅，胡 山

（1. 天津職業技術師范大學 天津市信息傳感與智能控制重點實驗室，天津 300222；

2. 中國民航大學 航空工程學院，天津 300300）

海產育苗養殖水溫控制系統設計

張翠敏1，楊永剛2，姚青梅1，胡 山1

（1. 天津職業技術師范大學 天津市信息傳感與智能控制重點實驗室，天津 300222；

2. 中國民航大學 航空工程學院，天津 300300）

0 引言

我國海水養殖技術和規模不斷發展和擴大,已成為世界海水養殖大國。育苗是海水養殖過程中非常重要的一個環節,為保證水產苗種發育的需要,必須為不同種類和不同發育階段的魚蝦幼體提供適宜的溫度環境,以保證幼體的成活并加快其生長發育。

水溫是水產品生活條件中極其重要的因子,直接影響著養殖對象的生理代謝活動,進而影響其生長發育。目前水產養苗池調節水溫的一般方法是:由人工用溫度計到各池中測量溫度數值,把實測溫度與標準溫度比較,根據比較結果對供熱水閥門進行必要的調節,過一段時間后,還需再次對各水池的溫度進行檢測以決定下一步的調節方向。上述過程需要反復進行,加之由于熱水循環供熱的不均勻性,每次都需要在多處測量后取其平均值,費工費時,極不方便,而且精確度低,可靠性差,從而制約和影響著育苗生產的產品質量和經濟效益。由于育苗企業生產管理技術落后,仔苗的成活率較底,直接影響到育苗企業的經濟效益。因此,如何提高海水育苗的自動化水平和仔苗的成活率,具有重大的現實意義和廣闊的應用前景。

目前國外有些廠家生產成套的育苗自動化生產設備,具有較高的自動化水平。國內一些大型水產育苗企業已進行了引進。但是由于進口設備價格較高,產品的技術性能也不適合國內小型育苗企業,因此沒有能夠被廣泛推廣應用。國內相關研究文獻報道較少。

本課題立足于中小型海水育苗企業的現狀,研究性能價格比較高的海水養殖育苗池自動化智能溫度控制系統。該系統能夠根據仔苗孵化溫度曲線的要求,實現育苗池的溫度自動檢測和智能控制,避免由于人工調節育苗池溫度不及時造成的巨大損失。

海產養殖的水溫作為被控對象具有純滯后、非線性、大慣性等特點,不同溫度段的時間常數不一樣,控制對象這種特性反映到實際中,溫度梯度在不同的溫度段有很大差別,如果采用溫度建模的方法,需要考慮多種外界環境因素的干擾,包括日照、風速、風向以及水下情況等,很難精確建立起相應的數學模型。為此,本文根據仔苗孵化所需的適宜溫度,結合PID控制算法實現不同溫度段的智能恒溫控制。

1 海產養殖水溫控制系統的硬件設計

1.1 系統控制原理

實現海產養殖水溫的恒定控制,需要實時自動采集水池內多點的溫度值,反饋給控制器,控制器根據現在池水溫度調節PWM的占空比,進而調節MOS柵-源電壓,控制步進電機的輸入脈沖數量,從而控制熱水閥門開啟的時間和角度來加熱池水,或者給變頻器發送控制信號,實現風機的轉動來降低池水溫度,最終達到水溫智能控制的目的。控制原理如圖1所示,硬件系統主要包括控制器S3C44B0X、溫度傳感器芯片AD590、A／D、步進電機、變頻器和風機等。為降低系統成本,控制系統采用自主開發基于ARM微處理器的嵌入式系統,并采用RS485總線實現遠程控制。RS485總線抗干擾能力強,傳輸距離較遠,適合于較為惡劣的現場環境,并具有成本低、可靠性高、使用方便等特點。

圖1 溫度控制系統結構

1.2 系統硬件

S3C44B0X微處理器是三星公司專為手持設備和一般應用提供的高性價比和高性能的微控制器解決方案,它使用ARM7TDMI核,最高工作頻率為 66MHz。S3C44B0X通 過 在ARM7TDMI內容基礎上擴展一系列完整的通用外圍器件,使系統費用降至最低,并具有5個PWM定時器可以滿足本設計的要求。

ADI公司的AD590的測溫范圍為-55～+150 ℃,它有非常好的線性輸出性能,溫度每增加1℃,其電流增加1μA。

圖2 總體控制電路

步進電動機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號,它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個步距角,它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量,從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度,從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機 ,利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點,廣泛應用于各種開環控制。

1.3 熱水閥控制電路

熱水閥的開啟角度隨著測量水溫與設定水溫的差值的變化而變化,總體控制電路和步進電機細分控制分別如圖2和3所示,相對于傳統的恒頻脈寬調制方式,節省了鋸齒波發生電路和D/A轉換器。對于兩相雙極步進電機,在正弦波的正半周和負半周線圈中的電流方向是不同的,為了充分利用資源,用一個4路與門對各路PWM信號分時復用,使每個PWM口可以驅動一個線圈。功率輸出部分使用常見的雙H橋功率放大器L298N。L298N用標準的TTL邏輯電平控制,與單片機接口方便,可驅動46V、2A以下的電機。

圖3 步進電機細分控制電路

1.4 風機的控制

采用變頻器直接控制風機泵類負載是一種最科學的控制方法 利用變頻器內置調節軟件直接調節電動機的轉速,結合水溫的當前值,控制池水溫度的降低和保持恒定,從而滿足系統要求。

2 系統軟件設計

本文以蝦苗養殖為對象,進行控制系統設計,蝦苗的耐溫范圍較廣,最適宜溫度為19～23℃,設計要求達到22±2℃的恒溫控制。本文采用PID反饋調節來實現溫度曲線的跟蹤控制,系統總的工作流程如圖4所示。

圖4 控制系統工作流程

PID控制在很多領域內被廣泛應用,PID控制規律表示比例-積分-微分控制。海產養殖水溫控制系統的PID溫控模塊的主程序流程圖如圖5所示。

PID控制算法是以連續系統的PID控制規律為基礎,再將其數字化得到的。PID控制有增量式和位置式,本系統采用的是增量式PID控制,表達式如下:

其中,Kp為比例系數,Ki為積分系數,Kd為微分系數。對應的增量式PID控制程序流程圖見圖6。

圖5 主程序控制流程

圖6 PID算法控制流程

工作時,預先設定的溫度參數值,PID控制器把設定值與實際測量的溫度值相減,得到控制誤差,進而通過比例系數、積分系數和微分系數計算控制量,控制步進電機的電壓或者變頻器來實現恒溫控制。設定溫度預設值為22℃,仿真得到增量式PID控制器的瞬態響應曲線如圖7所示。

圖7 增量式PID控制的瞬態響應

3 系統實驗

按照系統原理,搭建實驗平臺,要求系統實現22±2℃的恒溫控制,對池水中某一溫度測量點進行恒溫跟蹤控制,溫度數據見表1。

表 1 不同時刻的溫度控制結果

從表中可以看出,當池水溫度改變時,系統可以很快調節完畢,并且結果滿足設計要求。因此本文設計的海產魚苗養殖溫度控制系統,在相對比較密集的多個溫度采集與控制點下,可以快速實現溫度調節,節約人力成本,并能保證測量結果的準確性。

4 結論

本文針對海產育苗養殖進行溫度控制系統設計,采用基于ARM的嵌入式結構,保證系統具有較小的體積和較低的成本。采用步進電機并結合PID反饋調節控制熱水閥的開啟角度實現池水的加熱,同時采用變頻器來控制風機的轉動來實現池水的降溫,相應降低了系統的功耗。實驗結果表明,系統能夠滿足設計要求,為我國海產養殖的發展提供了一定的理論基礎。

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Mariculture temperature control system for marine aquaculture breeding

ZHANG Cui-min1, YANG Yong-gang2, YAO Qing-Mei1, HU Shan1

水溫是水產生物生活條件中極其重要的因子。本文針對海產育苗養殖的溫度控制要求，采用基于ARM的嵌入式結構，設計了具有較小體積和較低成本的海產育苗養殖水溫控制系統。該系統采用步進電機并結合PID反饋調節控制熱水閥的開啟角度實現池水的加熱，同時采用變頻器來控制風機的轉動來實現池水的降溫。實驗結果表明，系統穩定可靠，能夠較好滿足設計要求。

海產養殖；嵌入式結構；PID控制；恒溫檢測

張翠敏(1977－),女,講師,碩士,主要從事電子技術、自動控制技術和電氣自動化的研究工作。

TP391

A

1009-0134(2011)1(上)-0217-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.1(上).69

2010-12-03