分娩猪舍环境控制系统仿真

李 颀,李常杰

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)

近年来，我国畜牧业水平逐渐提升，并向规模化标准化发展，这就要求养殖环境的控制能够满足牲畜的生长需求。普通的养猪企业通过传统的手动控制方式或者反馈控制的自动方式来调节猪舍环境[1-2]。手动控制是操作工人通过观测现场环境信息，调整控制设备来调整舍内环境。反馈自动控制即设置一定环境因子上下限，通过检测是否超标或过低来自动打开或关闭控制设备。这些方式可大致调节猪舍的环境变化，使其稳定在猪只适宜的参数内，但是调节的质量、准确性都无法使猪只的生长环境达到理想状态。对于养殖企业，传统的手动控制方 式和普通反馈自动控制方法，不能满足大规模现代养殖的发展，适应性较差，对于对环境要求苛刻的分娩舍母猪和仔猪的饲养存在缺陷[3]。对于猪舍环境控制系统，猪只的生命活动与舍外的环境信息对舍内的环境影响比较重要，而这些信息却容易被忽略，容易造成控制不当而产生猪只疾病或猪只死亡情况，给企业带来经济损失，造成整体养殖行业管理水平和生产能力的低下，不能适应大规模养殖企业现代管理的要求。

1 系统方案设计

根据分娩舍猪只环境的特点，建立了如图1的整体方案设计，上位计算机主要实现数据的综合监测，并且显示模型参数与控制参数，给下位机控制器发布模型参数等，下位机控制器要完成系统信息的采集，环境的控制等，上位计算机与下位机控制器通过串口进行通信。考虑到舍内的环境信息与室外空气温湿度、风速、季节天气，以及猪只生长的大小数量等有着密切的关系，本文利用一台多功能气象站进行采集，通过串口将数据上传给上位机。

1.1 环境信息(温度，湿度，风速)采集

室内环境(温度、湿度、风速)采集主要用于检测分娩舍室内的环境参数。室内平均温度由室内温湿度传感器的平均值决定，分别为风机处的温度，过道处的温度，湿帘附近的温度，加热器附近的温度和墙壁附近的温度。采用SHT10数字式温湿度一体传感器，此传感器采用IIC通讯接口。 采用STC15F2K60S2处理器来接收传感器采集的数据和发送采集的数据至PC机，该处理器通过IIC总线采集SHT10温湿度传感器数据，传感器默认返回14位温度数据和12位湿度数据，采集风速传感器数据时，首先将STC15F2K60S2的串口电平通过MAX485转为RS485电平，再与风速传感器连接。其环境信息采集框图如图2所示。

图1 整体方案设计Fig.1 Diagram of overall scheme design

图2 环境信息采集Fig.2 Diagram of environmental information collection

1.2 多功能气象站数据采集

采用多功能气象站将舍外环境信息、猪只数量传到上位机。其中，猪只活动通过体表与环境进行能量交换，需要根据猪只数量评估其体重。本文采用对分娩舍猪只为样本数据，作出拟合曲线，得到体重与日龄的关系图，后将次曲线假定为标本数据，对体重进行评估。式1为某牧业公司分娩舍仔猪体重与日龄关系图的拟合曲线，y表示体重，x表示日龄，它以83窝800头仔猪为试验材料，从公式可以看出，刚生仔猪的体重为(1.8±0.2)kg，出栏日龄为26 d，出栏时体重平均为(9.1±0.2)kg，曲线方程为：

y=0.0043x2+0.172x+1.8

(1)

式中：y为仔猪体重，单位为kg；x为日龄。

1.3 温度动态模型系统数学模型建立

根据能量平衡方程和热量平衡方程建立舍内环境热交换模型原理：当周围环境与物体表面存在温度差时，物体会与空气进行热量交换，本系统中有空气与猪只体表通过对流方式进行热传递，猪舍通过墙体与室外进行热传递，加热器表面与空气热传递，风机开启时室内与室外的热传递等。 忽略灯光，设备等运行时的产热，影响舍内热交换的主要因素有舍内外围护热交换、加热器加热、风机湿帘降温的空气热交换、猪只皮肤与空气热交换等，根据猪舍内能量平衡关系，猪舍存储热量的变化率等于单位时间内猪舍得到的热量与散失的热量之差。

(2)

式中：Ti为舍内温度变化量，单位℃； Qr为通过围护热交换，单位为J； Qc为猪只皮肤与空气热交换，单位为J； Qb为加热通风引起的热量变化，单位为J； C为空气比热容，大小为1 030 J(kg/℃)。

按照(2)式中的方法理论建立仿真模型，本次仿真及验证使用的是MATLAB的Simulink仿真，包括猪体表散热子系统，加热器产热子系统，围体散热子系统和通风散热子系统。

1.3.1 空气通过围护的热交换 为围护与外界热交换的能量，围护包括墙体与屋顶，它与围护内外表面温度差、传热面积有关。则散热公式为：

Qr=Ks(Ti-To)Fs

(3)

式中： 为围护与外界热交换的能量，单位为J； Ks为围护传热系数，为0.405 W/ m2·K； Ti为室内温度，单位为℃； To为室外温度，单位为℃； Fs为围护面积，大小为863.6 m2。

1.3.2 猪体表与空气热交换 为猪只体表与空气热交换的能量包括辐射热变换与空气对流热变换。则猪只体表与空气热交换的能量为：

(4)

1.3.3 加热和降温系统热交换 为加热系统和降温系统与空气交换的热量。加热和降温系统与空气热交换的热量可表示为：

Qb=paLC(Ti-To)+k(kip-Ti)dt

(5)

式中：通风口降温公式为：

Q3=paLC(Ti-To)

(6)

加热系统产热公式为：

dQ4=k(Th-Ti)dt

(7)

式中： 为空气密度，大小为1.11 m3/kg； L为通风量，单位为ppm； To为舍外温度，单位为℃； dQ4是时间 内空气从加热器吸收的热量，单位为J； Th为加热器表面的温度，单位为℃； k为热交换律，由于加热器表面温度与加热器的额定功率P相关，则 Th=kip，由此可计算出加热系统产热公式为dQ4=k(kip-Ti)dt。

从以上分析即可建立出关于舍内温度 的数学模型。本研究的对象为猪舍的温度控制系统，经上文推到分析得出，本系统是一个非线性、四阶、大时滞性的系统。该环境模型传递函数可以表示为：

(8)

式中：s为拉普拉斯变换的算子。

经计算，辐射热交换子系数nApεσ对模型影响较小，可忽略，可将系统简化为一个二阶滞后的模型，表达式为：

(9)

式中：τ为时间常数。空舍状态简化为一阶非线滞后环节：

(10)

有猪无加热器状态简化为一阶非线性滞后环节为。

(11)

有猪有加热器简化为二阶非线性滞后环节为：

(12)

1.4 模型参考自适应控制器设计

模型参考自适应控制通过控制被控对象跟踪理想特性的参考模型，来获得要求的闭环控制性能。主要由参考模型，可调机构，自适应机构组成。其典型结构如图3所示。

参考模型的输出或状态相当于给定一个动态性能指标，在猪舍环境温度控制系统中，设定温度是25℃，舍外温度，猪只数量等目标信号同时加在舍内的风机、加热器、湿帘设备与参考模型上，通过比较猪舍环境的实时环境温度与参考模型的输出的设定温度值之间的误差信息，按照一定的规律来修正加热器的开启时间、风机的开启时间与湿帘的开启时间，即产生一个自适应控制率，使模型设定温度与实际温度值之间的温度差值e趋于零，从而使环境的实时温度跟随参考模型的设定温度输出。本次设计了一阶模型参考自适应原理图如图4所示。

图3模型参考自适应结构
Fig.3 Self-adptive structure of referential model

图4一阶模型参考自适应原理
Fig.4 Self-adptive principle of first-order referential model

一阶惯性自适应控制过程传递函数为：

(13)

模型的传递函数设为一阶参考模型为：

(14)

系统控制律的选择为：

(15)

(16)

为使系统尽可能实现精确模型匹配，选择以下控制参数：

(17)

则相应的闭环系统为：

(18)

此系统动态模型和参考模型动态相同，从而实现零跟踪误差。

2 结果与分析

2.1 温度模型验证

以上述牧业公司分娩舍为试验地，其公司分娩舍11、13、3号为试验测量样本。用2016年11月4日所测数据，其中11号分娩舍为母猪11月3日进栏，4日当天母猪全未分娩，加热器关闭。13号分娩舍11月4日为空舍，风机全开，通风量为12.8 ppm，分娩舍没有猪只。3号分娩舍11月4日为生产仔猪10日龄，仔猪数量682只，风机关闭。

从图5～7可以看出，模型温度输出与实测温度输出的变化趋势一致，三种状况下的输出与实测温度的误差如表1所示，其中未分娩状况下的平均误差最小，无猪状况下和仔猪10日状况下的温度误差最大不超过1 ℃，平均误差不超过0.5 ℃。经试验验证，模型在允许的误差范围内是合适的。

图5零通风量下模型输出温度与实测温度对比
Fig.5 Comparison between output temperature and measured temperature under zero ventilation model

图6加热器关闭，较小通风模式下的输出温度与实测温度对比
Fig.6 comparison between output temperature and measured temperature under smaller ventilation mode when heater closed

图7通风最大情况下输出温度与实测温度对比
Fig.7 Comparison between output temperature and measured temperature under maximum ventilation

2.2 温度模型参考自适应控制仿真

依舍内温度模型，选择空舍温度传递函数进行自适应控制器仿真，并带有滞后环节，传递函数为：

(19)

参考模型选为同阶模型，其传递函数表示为：

(20)

建立MATLAB的simulink仿真模型，仿真结果如图8所示。

表1 不同状况下的实测温度与模型输出温度误差Table 1 Temperature error of measured temperature and model temperature output under different conditions and the temperature error model output

图8 温度输出响应曲线Fig.8 Response curve of temperature output

控制系统初始温度为0 ℃，设定温度为25 ℃，用模型参考自适应控制器调节其温控系统，系统和参考模型的初始条件都取为零，从图中可以看出，参考模型的输出特性非常良好，上升时间为32s，响应加入模型参考自适应控制后系统输出温度在40s之后稳定25 ℃，控制效果良好。

3 小 结

本文简要的介绍了基于分娩猪舍的环境模拟仿真方法，通过试验与研究表明，该机理建模方法能较好的反应系统状态，平均误差不超过0.5 ℃，后将模型应用到此环境控制系统中，应用模型参考自适应控制器使温度系统温度能追随模型温度，使猪舍管理人员更能有效了解猪舍的环境变化，对环境控制，猪只疾病预防，猪舍能源节省等有很好的参考价值。对于现代畜牧生产方式有一定的推动作用。

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