一种水产养殖溶解氧与水温的解耦控制方法与系统

技术领域

本发明涉及水产养殖技术领域，具体涉及一种水产养殖溶解氧与水温的解耦控制方法与系统。

背景技术

循环水养殖是未来工厂化养殖的主要生产方式，具有养殖效率高，节约水资源等巨大优点。养殖水体的水质精准管控一直是循环水养殖中的重中之重，其中溶解氧和水温是衡量水质好坏最重要的水质因子。溶解氧和水温处于合理的区间内，有利于鱼类的生长发育，提高养殖效率。有关研究表明，溶解氧含量过低会严重制约水产品的健康生长，严重时甚至会造成大范围死亡；而溶解氧含量过高则会导致鱼类患气泡病，尤其对鱼卵和幼鱼的危害更大。水温过低则会导致鱼类新陈代谢变慢，影响鱼类生长速度。目前，养殖工厂基本上采用阈值调控方式对溶解氧和水温进行调控，经常会发生溶解氧和水温范围不合理的情况，无法满足溶解氧与水温精准调控的需求。为此，借助现代智能控制技术对养殖水体溶解氧和水温进行精准调控，是降低养殖风险、提高养殖效益的关键。

发明内容

为了在水产养殖过程中，避免由于溶解氧和水体温度之间的耦合作用造成单调节量调节对另一个调节量的影响，本发明提出了一种水产养殖溶解氧与水温的解耦控制方法，包括步骤：

S1：根据能量守恒定律构建目标水体溶解氧与水温的动态微分方程；

S2：通过模拟软件在预设区间控制量约束下对动态微分方程进行模拟运算，并获得响应数据；

S3：根据相应数据通过系统辨识对动态微分方程进行转化获得目标水体的状态空间方程；

S4：获取目标水体的实时控制量，并通过模型预测控制器进行解耦运算获得控制量对增氧机和电磁阀进行控制。

进一步地，所述动态微分方程表示为如下公式：

式中，为目标水体的溶解氧C，水温T，时间t，曝气增氧A

进一步地，所述S2步骤中，控制量为曝气增氧和加入水流量。

进一步地，所述S3步骤中，状态空间方程表示为如下公式：

式中，x(t)为运算过程中的状态量，u(t)为实时控制量，A为描述状态量本身对状态量变化的影响的系数矩阵，B为描述控制量对状态变化的影响的输入矩阵，y(t)为状态空间，C为描述状态量对输出量变化的影响的输出矩阵，D为描述输入量对输出量变化的影响的转移矩阵。

进一步地，所述A、B、C、D这四个参数通过系统辨识求解获得。

本发明还提出了一种水产养殖溶解氧与水温的解耦控制系统，包括：

微分构建模块，用于根据能量守恒定律构建目标水体溶解氧与水温的动态微分方程；

模拟运算模块，用于通过模拟软件在预设区间控制量约束下对动态微分方程进行模拟运算，并获得响应数据；

状态方程模块，用于根据相应数据通过系统辨识对动态微分方程进行转化获得目标水体的状态空间方程；

状态获取模块，用于获取目标水体的实时控制量；

模型预测控制器，用于根据实时控制量通过解耦运算获得控制量并对增氧机和电磁阀进行控制。

进一步地，所述动态微分方程表示为如下公式：

式中，为目标水体的溶解氧C，水温T，时间t，曝气增氧A

进一步地，所述模拟运算模块中，控制量为曝气增氧和加入水流量。

进一步地，所述状态方程模块中，解耦运算表示为如下公式：

式中，x(t)为运算过程中的状态量，u(t)为实时控制量，A为描述状态量本身对状态量变化的影响的系数矩阵，B为描述控制量对状态变化的影响的输入矩阵，y(t)为状态空间，C为描述状态量对输出量变化的影响的输出矩阵，D为描述输入量对输出量变化的影响的转移矩阵。

进一步地，所述A、B、C、D这四个参数通过系统辨识求解获得。

与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：

本发明所述的一种水产养殖溶解氧与水温的解耦控制方法与系统，充分考虑到溶解氧和水体温度之间的耦合作用建立状态空间方程，并利用模型预测控制器对两者进行解耦运算，从而在考虑到耦合作用的情况下进行控制量的获取，对目标水体溶解氧和水温进行更为精准高效的调控。

附图说明

图1为一种水产养殖溶解氧与水温的解耦控制方法的步骤示意图；

图2为一种水产养殖溶解氧与水温的解耦控制系统的模块示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

工厂化循环水养殖是以工业化的生产方式和管理方式进行水产养殖生产的行为，具有节地、节水、节能和生产效率高等特点，是工业技术在水产养殖中一种成功应用。工厂化养殖一般具有封闭性、养殖密度高的特点，因此，该养殖模式存在很大的风险。在溶解氧控制过程中，其含量变化除了主要受到增氧机充氧影响以外，还受到其他很多因素的影响，另一个较为重要的就是水温的变化。因此，在水质参数控制过程中，单一溶解氧或者水温控制很难保证准确性，应当考虑二者之间的耦合作用关系，同时对二者进行解耦控制。模型预测控制是一种基于预测模型的控制策略，更加适用于多输入多输出的控制系统，具有解耦能力强的优点。如图1所示，一种水产养殖溶解氧与水温的解耦控制方法，包括步骤：

S1：根据能量守恒定律构建目标水体溶解氧与水温的动态微分方程；

S2：通过模拟软件在预设区间控制量约束下对动态微分方程进行模拟运算，并获得响应数据；

S3：根据相应数据通过系统辨识对动态微分方程进行转化获得目标水体的状态空间方程；

S4：获取目标水体的实时控制量，并通过模型预测控制器进行解耦运算获得控制量对增氧机和电磁阀进行控制。

由于模型预测控制是通过构建优化问题来求解控制器的动作的，所以可以非常自然的将这些约束建立在优化问题中以此来保证这些约束的满足。也即是在每一个时间步通过反复的预测+优化来求解优化问题，当得到优化问题最优解后再将这个解作为真正的控制器的输出作用给被控对象。那么关键就在于怎么定义这个优化问题了。而根据质量守恒和能量守恒原理，水体中溶解氧和温度是时刻处于一个动态收支平衡的过程中的，即溶解氧的增加量等于溶解氧的消耗量，水体的散热量等于吸收的热量。因此，在溶解氧动态建模中，主要考虑以下4个因素对溶解氧变化的影响，包括曝气增氧A

式中，C为目标水体的溶解氧，T为水温，以及时间t。

该式可以作为大部分水产养殖系统溶解氧C和水温T动态变化的微分方程模型，在仅存在上述影响因素的情况下(当然，也可以根据实际情况增加影响因素进行动态微分方程的构建)，具有一定的普适性。可以看出，该公式为一个双输入双输出的微分方程模型，两个输入分别为曝气增氧和加入水流量，两个输出分别为溶解氧和水温。

那么，在得到目标水体的动态微分方程模型以后，通过模拟软件(例如Simulink)搭建此动态微分方程模型，并进行模拟运算。通过目标曝气流量和加入水流量(根据实际养殖环境需求进行设定)，并设定一个仿真时长，运行模型后即可得到溶解氧和水温的响应数据。将响应数据导入MATLAB系统辨识工具箱，通过系统辨识的方法对动态微分方程模型进行转换，获得目标水体的状态空间方程，其表达式如下：

式中，x(t)为运算过程中的状态量，u(t)为实时控制量，A为描述状态量本身对状态量变化的影响的系数矩阵，B为描述控制量对状态变化的影响的输入矩阵，y(t)为状态空间，C为描述状态量对输出量变化的影响的输出矩阵，D为描述输入量对输出量变化的影响的转移矩阵。

最后，即可将得到的状态空间方程作为模型预测控制器的内部预测模型，通过模型预测控制器自身的解耦特性对其进行解耦下的结果预测，并输出相应的控制量，对增氧机和电磁阀进行控制，保证溶解氧和水温能保持在约束下动态保持在目标范围内。

实施例二

为了更好的对本发明的技术内容进行理解，本实施例通过系统结构的形式来对本发明进行阐述，如图2所示，一种水产养殖溶解氧与水温的解耦控制系统，包括：

微分构建模块，用于根据能量守恒定律构建目标水体溶解氧与水温的动态微分方程；

模拟运算模块，用于通过模拟软件在预设区间控制量约束下对动态微分方程进行模拟运算，并获得响应数据；

状态方程模块，用于根据相应数据通过系统辨识对动态微分方程进行转化获得目标水体的状态空间方程；

状态获取模块，用于获取目标水体的实时控制量；

模型预测控制器，用于根据实时控制量通过解耦运算获得控制量并对增氧机和电磁阀进行控制。

进一步地，动态微分方程表示为如下公式：

式中，为目标水体的溶解氧C，水温T，时间t，曝气增氧A

进一步地，模拟运算模块中，控制量为曝气增氧和加入水流量。

进一步地，状态方程模块中，状态空间方程表示为如下公式：

式中，x(t)为运算过程中的状态量，u(t)为实时控制量，A为描述状态量本身对状态量变化的影响的系数矩阵，B为描述控制量对状态变化的影响的输入矩阵，y(t)为状态空间，C为描述状态量对输出量变化的影响的输出矩阵，D为描述输入量对输出量变化的影响的转移矩阵。

进一步地，A、B、C、D这四个参数通过系统辨识求解获得。

综上所述，本发明所述的一种水产养殖溶解氧与水温的解耦控制方法与系统，充分考虑到溶解氧和水体温度之间的耦合作用并建立相应的状态空间方程，并利用模型预测控制器对两者进行解耦运算，从而在考虑到耦合作用的情况下进行控制量的获取，对目标水体溶解氧和水温进行更为精准高效的调控。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。