3增氧控制

3.1理论分析通过菲克(Fick)定律和刘易斯(Lewis)和怀特曼(Whitman)创立的双膜理论可以得到计算公式()fSLXCCDAdtdM(2)式中M—在单位时间t内通过界面扩散的物质数量;DL—扩散系数;A—界面面积;Cs—空气与液面交界处需要扩散的物质浓度值;C—物质浓度;Xf—液膜的厚度。应急增氧时由公式(2)可知，随着溶解氧含量值C的增加，增氧效率不断降低，当C接近Cs时，增氧机增氧效率接近0，因此在满足鱼类适宜生活溶解氧含量的前提下，系统溶解氧含量控制目标值不能太高[16]。而人工手动控制时，当水体溶解氧浓度含量较高时，仍然工频增氧，此时增氧效率极低;同样人工控制无法在溶解氧含量低于下限时及时开机，易引起鱼虾窒息死亡[17]。3.2实际应用叶轮增氧机主要由电动机、减速箱、叶轮、撑杆、浮筒等组成，浮于水面工作，不受水位变化的影响。工作时同时完成水跃增氧、水面更新增氧、负压进气增氧。水体中溶解氧来源一般有2个：一是水体中溶解氧未饱和时，大气中的氧气向水体渗入;另外一个来源是水体中藻类的光合作用释放出氧气。而且后者是主要来源，占80%以上。耕水机节能的主要原因是促进了水体中藻类的光合作用，向水体释放了大量氧气。因此在白天(增氧主要是夏季)7:00～18:00，只要监测到溶解氧含量不低于设定的下限5.0mg/L,PLC以固定频率(10Hz)通过变频器控制叶轮增氧机低速“耕水”，搅动水体上下循环。期间在阴雨天如溶解氧低于下限值，则变频模糊控制应急增氧。水产养殖中溶解氧应急控制要求在低浓度时迅速提高溶解氧含量，接近目标值时变频器要求输出稳定，但控制精度要求不高。PLC工作稳定，使用寿命长，但难以完成复杂控制算法，针对以上特点溶解氧采用模糊变频控制。水体溶解氧含量测量后传送给PLC，PLC通过三角形隶属函数归类成模糊集。每次采样后溶解氧误差Ek和误差变化率ΔEk首先按照图4所示隶属函数归类为{PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB}模糊集,用整数表示为{3,2,1,0,-1,-2,-3}。常用的隶属函数有三角形和高斯型，三角形更适合于在线调整的自适应模糊控制。模糊控制器的设计：模糊控制系统的核心是模糊控制器的设计。设计的核心是模糊语言规则和合成推理。在常规的二维模糊控制器中，输出变量值取决于输入量误差Ek和误差变化率ΔEk，它们的加权系数各为0.5。公式为()/2kkuEE(4)但在水产养殖的水体溶解氧实际控制中，当误差较大时控制系统的主要任务是迅速消除误差，这时对误差的加权应该大些;当误差较小时，控制系统主要任务是保持控制稳定，对误差变化率加权要大些。

4试验与分析

在江苏省镇江市横塘千亩水产养殖基地选择6个100m×200m的家鱼养殖池作为试验池。每个养殖池投放12000尾草鱼、鲢鱼、青鱼和辅养少量鲫鱼，养殖周期两年。每个养殖池采用一台3.0kW叶轮增氧机(YL-3.0型)增氧。采用无线测量与智能控制的养殖池变频器选用三菱FR-S540E-3.7K-CHT型，CPU选用西门子S7-224XP。养殖池1、2、3、4参数测量采用Zigbee无线通信网，每个养殖池均匀分布12个测量节点和一个固定在岸边的基站节点，测量节点按照地理位置的不同固定分为2个簇，每个簇包含6个节点。1、2号池采用常规LEACH协议，3、4号池采用休眠控制的帧优化的LEACH协议。养殖池5、6则采用人工粗略控制：冬天一般不开机;春、秋季温度较高视情况开机;夏天开机时间为：22:00～次日8:00，阴雨天则全天开机，均为工频工作。如图5所示，采用LEACH协议的1、2号池无线测控网络出现第1个失效节点的时间为第45天和第50天;出现第3个失效节点的时间为第65天和第70天。采用帧优化的LEACH协议的3、4号养殖池出现第1个失效节点的时间为第55天和第60天，比1、2号养殖池延长约20%;出现第3个失效节点的时间为第80天和第85天，假定无线网络出现3个失效节点时网络失效，则3、4号养殖池无线测量网络比1、2号养殖池有效生命周期延长约21%。

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