謝秋菊，蘇中濱，Ji-Qin Ni，鄭 萍

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密閉式豬舍多環(huán)境因子調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)控策略

謝秋菊1,2，蘇中濱2※，Ji-Qin Ni3，鄭 萍2

（1. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，大慶 163319； 2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱 150030； 3. Department of Agricultural and Biological Engineering, Purdue University, West Lafayette, IN 47907, USA）

大多數(shù)豬舍環(huán)境調(diào)控是建立在傳統(tǒng)控制方法基礎(chǔ)上的單一環(huán)境變量控制系統(tǒng)，難以對(duì)具有多個(gè)變量的系統(tǒng)建立精確的數(shù)值模型。該文基于模糊控制理論，以溫度偏差和溫度偏差變化率作為輸入量，以通風(fēng)模式和加熱模式為輸出控制量建立溫度控制器；以相對(duì)濕度偏差和氨氣濃度偏差為輸入量，以通風(fēng)模式為輸出控制量建立通風(fēng)控制器；并對(duì)不同季節(jié)多環(huán)境因子進(jìn)行模糊化及邏輯推理，生成不同季節(jié)的調(diào)控策略及規(guī)則，建立2個(gè)具有雙輸入變量的非線性控制系統(tǒng)，加入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制，優(yōu)化豬舍環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)。該文以在美國(guó)普渡大學(xué)環(huán)境研究豬舍監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)對(duì)建立的方法進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。結(jié)果表明，舍內(nèi)溫度與設(shè)定值最大相對(duì)誤差為5%，實(shí)現(xiàn)了舍內(nèi)溫度穩(wěn)定控制；舍內(nèi)相對(duì)濕度與設(shè)定值最大相對(duì)誤差為6.3%，充分滿足濕度控制要求；豬舍氨氣濃度變化范圍為2.0～3.7 mg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)定值9.1 mg/m3。因此，該文提出的豬舍多環(huán)境因子模糊控制系統(tǒng)及策略，能夠很好地滿足豬舍環(huán)境控制要求，為解決寒冷冬季豬舍溫度與通風(fēng)調(diào)控提供可行的思路。

溫度；環(huán)境控制；濕度；調(diào)控策略；模糊控制；密閉式豬舍；多環(huán)境因子

0 引 言

在品種、飼料和飼養(yǎng)方式一定的情況下，豬舍環(huán)境對(duì)養(yǎng)豬生產(chǎn)起到?jīng)Q定性作用[1-2]。良好的豬舍環(huán)境能夠保證豬群健康，提高生產(chǎn)水平和飼養(yǎng)效果[3-5]。

豬舍環(huán)境溫度是維持豬恒定體溫的重要外部條件，直接影響豬的熱平衡[6-11]。濕度影響豬的蒸發(fā)散熱，從而影響豬的體溫調(diào)節(jié)[12-13]。氨氣（NH3）是豬舍環(huán)境的重要污染物之一，主要由舍內(nèi)的飼料殘?jiān)图S便等經(jīng)微生物或酶分解產(chǎn)生，當(dāng)NH3濃度長(zhǎng)時(shí)間過(guò)高時(shí)，可以引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病[14-16]。在密閉式豬舍中，由于飼養(yǎng)密度大、舍內(nèi)空氣流通性差，通風(fēng)換氣可以將舍外新鮮空氣引入舍內(nèi)，改善舍內(nèi)空氣質(zhì)量，排除舍內(nèi)多余的熱、濕、粉塵、有害氣體等[7,17]。

目前，豬舍環(huán)境控制受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Ma等將GPRS技術(shù)和遺傳算法相結(jié)合，建立了基于CAN總線的豬生長(zhǎng)環(huán)境智能控制系統(tǒng)[18]。李立峰等[19]以King view為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了哺乳母豬舍的環(huán)境控制。Seo等[2]建立了商業(yè)豬舍內(nèi)的溫度、氣流等環(huán)境因素的CFD模型，用于不同季節(jié)的通風(fēng)控制。于明珠等[20]實(shí)現(xiàn)了基于PLC的仔豬舍溫度自動(dòng)控制。Shen等[21]建立了基于響應(yīng)面方法的奶牛舍自然通風(fēng)換氣率預(yù)測(cè)模型。宣傳忠等[22]建立了基于ANFIS算法的豬舍環(huán)境溫度控制模型，實(shí)現(xiàn)了溫度精確監(jiān)控。Stinn[23]對(duì)美國(guó)西部繁育豬舍環(huán)境進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)及控制試驗(yàn)。Ni等[24]建立了豬舍計(jì)算機(jī)在線控制系統(tǒng)，對(duì)豬舍中空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。以上這些研究中，大多數(shù)是建立的單一環(huán)境因素調(diào)控系統(tǒng)及模型，基于模糊控制的豬舍多環(huán)境因子調(diào)控系統(tǒng)研究較少。

與文獻(xiàn)[19]相比，本文針對(duì)密閉式豬舍環(huán)境中多因子互相耦合的特性及不同季節(jié)氣候特點(diǎn)，分別制定冬季與夏季不同的調(diào)控策略及規(guī)則；基于模糊控制理論[25]建立豬舍多環(huán)境因子調(diào)控系統(tǒng)，加入溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制，并且將舍外溫度作為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制的重要參數(shù)，優(yōu)化豬舍環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，為解決寒區(qū)冬季豬舍調(diào)控提供可行的方法。

1 豬舍環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

在規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)中，在每棟豬舍內(nèi)布置一定數(shù)量的傳感器，采集舍內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，然后根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)，分析舍內(nèi)環(huán)境現(xiàn)狀，對(duì)豬舍內(nèi)環(huán)境進(jìn)行調(diào)控達(dá)到適宜的環(huán)境狀態(tài)。在不同的豬舍中，環(huán)境控制設(shè)備的選型、檢測(cè)器、變送器與執(zhí)行器的配置和接口可能存在較大不同，但是系統(tǒng)總體框圖如圖1所示[26-28]。

圖1中豬舍環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)包括環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊，單元控制器，控制設(shè)備和本地控制中心4部分。環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊負(fù)責(zé)采集豬舍內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，包括舍內(nèi)溫度、濕度、氨氣濃度和通風(fēng)等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)豬舍內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。單元控制器負(fù)責(zé)完成各傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)融合處理等功能，然后通過(guò)無(wú)線或有線的數(shù)據(jù)收/發(fā)控制模塊將監(jiān)測(cè)的環(huán)境數(shù)據(jù)傳送給本地控制中心的計(jì)算機(jī)上。由本地控制中心對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，按照事先制定的控制策略，生成控制命令，并且將控制命令發(fā)送給單元控制器的數(shù)據(jù)收/發(fā)模塊，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換模塊將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，送給控制系統(tǒng)?？刂圃O(shè)備包括加熱系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)。由于豬在不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)舍內(nèi)溫度要求不同[29]，通過(guò)溫度控制系統(tǒng)將豬舍內(nèi)溫度控制在適宜范圍內(nèi)，可以為豬的生長(zhǎng)提供最佳環(huán)境溫度。溫度控制系統(tǒng)主要包括加熱系統(tǒng)和降溫系統(tǒng)，根據(jù)不同季節(jié)獨(dú)立運(yùn)行，通過(guò)控制加熱器開(kāi)啟來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱控制，通過(guò)控制風(fēng)機(jī)開(kāi)啟來(lái)實(shí)現(xiàn)降溫控制。通風(fēng)系統(tǒng)是豬舍環(huán)境調(diào)控的重要部分，通過(guò)控制風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)節(jié)通風(fēng)量，可以排除舍內(nèi)有害氣體、降低舍內(nèi)溫度和濕度，為豬的生長(zhǎng)提供良好的舍內(nèi)環(huán)境。

1.2 豬舍環(huán)境模糊控制

豬舍環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)非線性、時(shí)變和滯后的多個(gè)環(huán)境變量相互耦合的系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)控制方法，難以對(duì)具有多個(gè)變量的系統(tǒng)建立精確的舍內(nèi)環(huán)境數(shù)值模型，達(dá)不到精確的動(dòng)態(tài)控制效果。模糊控制模擬人類思維中的模糊推理導(dǎo)出控制量，是反映人類智慧的一種智能控制方式[25]。因此，基于模糊控制方法可以很好地實(shí)現(xiàn)豬舍多環(huán)境因子調(diào)控，創(chuàng)建適宜的豬舍環(huán)境。豬舍模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了保證系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行，有效地減少系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程的振蕩現(xiàn)象[26]，將豬舍環(huán)境模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成由2個(gè)雙輸入單輸出的模糊控制子系統(tǒng)組合而成。這2個(gè)模糊控制子系統(tǒng)為溫度模糊控制系統(tǒng)和通風(fēng)模糊控制系統(tǒng)。豬舍溫度模糊控制系統(tǒng)以舍內(nèi)空氣溫度偏差及其變化率為2個(gè)輸入變量，以加熱器和風(fēng)機(jī)控制為輸出量。通風(fēng)模糊控制系統(tǒng)以豬舍內(nèi)氨氣濃度與設(shè)定濃度差及濕度與設(shè)定濕度差為2個(gè)輸入變量，以風(fēng)機(jī)開(kāi)啟模式作為系統(tǒng)輸出變量。為了解決通風(fēng)與溫度模糊控制之間的矛盾，加入溫度補(bǔ)償系數(shù)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)與溫度之間的解耦控制。

2 豬舍環(huán)境模糊控制器

模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器設(shè)計(jì)，主要包括溫度模糊控制器和通風(fēng)模糊控制器。

2.1 溫度模糊控制器

以豬舍內(nèi)溫度偏差和溫差變化率作為溫度模糊控制器的輸入變量，設(shè)溫度偏差和溫差變化率對(duì)應(yīng)的模糊集為和。依據(jù)豬舍環(huán)境溫度控制標(biāo)準(zhǔn)要求[29]，育肥豬舍內(nèi)溫度范圍為15～23 ℃，20 ℃是最適宜的舍內(nèi)溫度。設(shè)定溫度偏差的范圍為[?4 ℃,4 ℃]。因此，溫度偏差在設(shè)定值的[?4 ℃,4 ℃]以內(nèi)為模糊控制區(qū)，溫度偏差在設(shè)定值的[?4 ℃,4 ℃]范圍以外是確定控制區(qū)。溫度偏差用7個(gè)模糊狀態(tài)表示，模糊集合定義為={負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，中，正大}，即={NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB}。溫差變化率是溫度偏差的變化趨勢(shì)的反映，，設(shè)的變化范圍為[?2，2]。溫度偏差變化率用5個(gè)模糊狀態(tài)表示，模糊集合定義為={負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}，即={NB,NS, ZO, PS, PB}。表1、表2分別為溫度偏，溫差變化率?隸屬度矢量值。

表1 溫度偏差e隸屬度值

表2 溫差變化率?e隸屬度值

豬舍溫度控制器的輸出量為控制豬舍加熱器的加熱模式和風(fēng)機(jī)開(kāi)啟模式，輸出量模糊集合={NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB}，用7個(gè)模糊狀態(tài)表示分別對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)開(kāi)啟模式：全開(kāi)，風(fēng)機(jī)1開(kāi)，風(fēng)機(jī)2開(kāi)；加熱器開(kāi)啟模式：不調(diào)控，小加熱，適中加熱，大加熱。設(shè)輸出量的基本論域?yàn)閧?3，?2，?1，0，1，2，3}，當(dāng)輸出量為負(fù)值時(shí)表示需要開(kāi)啟風(fēng)機(jī)進(jìn)行降溫控制，輸出值代表開(kāi)啟的風(fēng)機(jī)模式，當(dāng)輸出量為正值時(shí)表示需要開(kāi)啟加熱設(shè)備進(jìn)行加熱，當(dāng)輸出量為零時(shí)表示不調(diào)控。

本文采用重心法[26]進(jìn)行輸出控制量的反模糊化處理。重心法就是通過(guò)取輸出模糊集合的隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)軸所圍成圖形面積的重心作為輸出控制量的精確值。重心法如公式（1）所示。

式中，u為輸出控制模糊量；為輸出量模糊隸屬度函數(shù)；和分別為輸入量溫差和溫差變化率的模糊隸屬度函數(shù)。

根據(jù)公式（2）對(duì)模糊輸出控制量進(jìn)行解模糊化處理得到精確控制量。

式中k為量化比例因子，為模糊控制規(guī)則數(shù)目。在模糊控制器中需要通過(guò)量化因子將基本論域轉(zhuǎn)換成語(yǔ)言變量模糊論域中的值，如公式（3）所示。

（3）

式中max，min分別為模糊論域的上限和下限；max，min分別為基本論域的上限和下限。

采用Mamdani的最小-最大方法進(jìn)行模糊推理，將輸入量及的每一個(gè)值作為輸入，結(jié)合模糊控制規(guī)則，利用Matlab計(jì)算得到夏季和冬季豬舍溫度模糊控制查詢表，如表3和表4所示。

表3 夏季豬舍溫度模糊控制查詢表

表4 冬季豬舍溫度模糊控制查詢表

2.2 通風(fēng)模糊控制器

以豬舍內(nèi)氨氣濃度與設(shè)定濃度偏差及濕度與設(shè)定濕度偏差作為通風(fēng)模糊控制器的輸入變量，以風(fēng)機(jī)開(kāi)啟模式作為控制器的輸出變量。

根據(jù)豬舍養(yǎng)殖環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)[29]，育肥豬舍內(nèi)適宜濕度為50%～80%，以65%為最適宜濕度值，豬舍內(nèi)氨氣質(zhì)量濃度最大不能超過(guò)9.1 mg/m3；設(shè)濕度偏差變化的基本論域?yàn)閇?15, 15]；取9.1 mg/m3為氨氣質(zhì)量濃度的設(shè)定值，設(shè)氨氣濃度偏差變化的基本論域?yàn)閇?9.1, 9.1]。豬舍內(nèi)相對(duì)濕度偏差與氨氣濃度偏差的模糊集合和設(shè)為{NB, NS, ZO, PS , PB }, 用這5個(gè)模糊語(yǔ)言值進(jìn)行描述，其語(yǔ)言變量模糊論域設(shè)為{?4, 4}。模糊控制器的輸入量需要通過(guò)量化因子轉(zhuǎn)換成語(yǔ)言變量模糊論域中的值。根據(jù)公式（3），將輸入量濕度偏差和氨氣濃度偏差基本論域分別轉(zhuǎn)換到模糊論域。

因此，可以得到濕度偏差和氨氣濃度偏差的量化比例因子K和K，如式（4）和式（5）所示。

（5）

建立濕度偏差和氨氣濃度偏差的模糊語(yǔ)言變量集合的隸屬度函數(shù)值，表5給出了濕度偏差隸屬度值。

表5 濕度偏差隸屬度值

豬舍內(nèi)墻上安排有直徑為356（Fan 14）和508 mm（Fan 20）的2個(gè)風(fēng)機(jī)，用于向舍外排風(fēng)，根據(jù)豬舍內(nèi)的濕度偏差和氨氣濃度偏差確定風(fēng)機(jī)開(kāi)啟的模式，2個(gè)風(fēng)機(jī)有4種工作模式：全關(guān)、只開(kāi)356 mm的風(fēng)機(jī)、只開(kāi)508 mm的風(fēng)機(jī)、全開(kāi)，分別用{0，1，2，3}來(lái)表示。設(shè)風(fēng)機(jī)的4種工作模式對(duì)應(yīng)的通風(fēng)模糊控制器輸出量的基本論域?yàn)閧0，0.5，1，1.5，2，2.5，3}，模糊語(yǔ)言集合為{ZO, PS, PM, PB}，根據(jù)公式（2），可得出量化比例因子為K=1。通風(fēng)模糊控制輸出量的隸屬度值和模糊控制查詢，如表6和7所示。

表6 通風(fēng)模糊控制輸出量U隸屬度值

表7 通風(fēng)模糊控制查詢表

3 模糊控制策略及規(guī)則

3.1 溫度模糊控制策略及規(guī)則

由于夏季和冬季豬舍內(nèi)外氣溫差異，所以溫度控制規(guī)則是不同的。冬季舍外溫度較低，降低舍內(nèi)溫度，舍內(nèi)溫度與設(shè)定溫度值出現(xiàn)偏差，當(dāng)<0時(shí)，需要開(kāi)啟舍內(nèi)加熱控制，當(dāng)溫度偏差為NB時(shí)，表示此時(shí)豬舍內(nèi)溫度和設(shè)定值差負(fù)的最大，溫度降至最低，無(wú)論溫度變化率是何種狀態(tài)都應(yīng)加大加熱控制量盡快消除偏差，所以模糊控制器應(yīng)該采取最大的溫度輸出控制量PB來(lái)進(jìn)行升溫控制。

當(dāng)溫度偏差為NM和NS時(shí)，需要根據(jù)溫度變化率的值來(lái)確定控制量，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定。當(dāng)>0時(shí)，表明溫度變化呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，需要較小的模糊控制輸出量；當(dāng)<0時(shí)，表明溫度變化呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，需要最大的模糊控制輸出量。

當(dāng)溫度偏差為ZO時(shí)，需要根據(jù)溫度變化率來(lái)確定控制量，選擇相應(yīng)的控制規(guī)則維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定。當(dāng)>0時(shí)，表明溫度呈現(xiàn)正變化的趨勢(shì)，此時(shí)不需要操作控制，即輸出量為ZO；當(dāng)<0時(shí)，表明溫度呈現(xiàn)負(fù)變化趨勢(shì)，需要選擇控制規(guī)則進(jìn)行控制。

當(dāng)溫度偏差為PS、PM和PB時(shí)，無(wú)論如何變化，都不需要調(diào)控，模糊控制輸出均為ZO。

因此，從以上控制策略分析，根據(jù)豬舍養(yǎng)殖環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)[29]，可以得出35條豬舍冬季模糊控制規(guī)則：

Ifis NB andis NB thenis PB;

Ifis NB andis ZO thenis PB;

Ifis NM andis PB thenis PM;

……

將這些控制規(guī)則可以歸納為如表8所示。

表8 冬季豬舍溫度模糊控制規(guī)則

夏季溫度調(diào)控與冬季略有不同，夏季由于舍外空氣溫度高，影響豬舍內(nèi)溫度升高，形成溫度偏差，當(dāng)>0時(shí)，需要開(kāi)啟豬舍內(nèi)降溫控制，當(dāng)溫度偏差為PB時(shí)，表示此時(shí)豬舍內(nèi)溫度和設(shè)定值相差正的最大，溫度上升至最高，無(wú)論溫度變化率是何種狀態(tài)都應(yīng)加大降溫控制量盡快消除偏差，所以模糊控制器應(yīng)該采取最大的溫度輸出控制量NB來(lái)進(jìn)行降溫控制。

當(dāng)溫度偏差為PM和PS時(shí)，需要采取相應(yīng)的策略使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，防止出現(xiàn)超調(diào)。此時(shí)需要根據(jù)溫度變化率的值來(lái)確定控制量的變化，制定相應(yīng)的控制規(guī)則；當(dāng)<0時(shí)，表明溫度變化呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，所以模糊控制器的控制量應(yīng)該取較小的值；當(dāng)>0時(shí)，表明溫度變化呈現(xiàn)繼續(xù)增大趨勢(shì)，所以模糊控制器的控制量應(yīng)該取最大的值。

當(dāng)溫度偏差為ZO時(shí)，需要根據(jù)溫度變化率的值來(lái)采取相應(yīng)的策略維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)<0時(shí)，表明溫度呈現(xiàn)負(fù)變化趨勢(shì)，此時(shí)不需要控制輸出即為ZO；當(dāng)>0時(shí)，表明溫度呈現(xiàn)正變化趨勢(shì)，需要采取相應(yīng)的控制規(guī)則。

當(dāng)溫度偏差為NS、NM和NB時(shí)，無(wú)論>0或<0，控制輸出為ZO。

從以上控制策略分析，可以得出35條豬舍夏季模糊控制規(guī)則，如表9所示。

表9 夏季豬舍溫度模糊控制規(guī)則

3.2 通風(fēng)模糊控制策略及規(guī)則

根據(jù)豬舍環(huán)境特點(diǎn)及豬舍管理人員環(huán)境控制經(jīng)驗(yàn)，無(wú)論冬季還是夏季，當(dāng)豬舍內(nèi)濕度大時(shí)，應(yīng)該加大通風(fēng)量；當(dāng)豬舍內(nèi)氨氣濃度大時(shí)，也應(yīng)該加大通風(fēng)量；當(dāng)豬舍內(nèi)氨氣濃度小，并且濕度小時(shí)，就應(yīng)該減小通風(fēng)量的通風(fēng)控制策略，建立通風(fēng)控制規(guī)則如表10所示。

表10 豬舍通風(fēng)模糊控制規(guī)則

4 模擬驗(yàn)證

4.1 驗(yàn)證豬舍

本文的豬舍環(huán)境調(diào)控驗(yàn)證數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)印第安那州西拉斐特市普渡大學(xué)動(dòng)物研究教育中心的豬舍環(huán)境研究建筑[30]。該地屬于大陸性濕潤(rùn)氣候，四季分明，冬季寒冷，晝夜溫差大。豬舍結(jié)構(gòu)類型為鋼木混結(jié)構(gòu)，通風(fēng)類型為密閉式機(jī)械通風(fēng)方式。豬舍外部照片如圖3a所示[28]。

豬舍內(nèi)建有12個(gè)南北朝向的小間，每個(gè)小間能容納60頭育肥豬，內(nèi)部是雙列鋼質(zhì)圍欄，每列具有6個(gè)豬欄，中間是過(guò)道分隔，小間內(nèi)是水泥漏縫地板。地板下有2個(gè)1.8 m深的分隔的儲(chǔ)糞池。

舍外新鮮空氣通過(guò)豬舍東西兩側(cè)門(mén)上方的進(jìn)氣口進(jìn)入舍內(nèi)，通過(guò)棚頂和過(guò)道入口送入每個(gè)小間內(nèi)。舍內(nèi)墻面上安裝有2個(gè)恒定速度的風(fēng)機(jī)（Model V4E35和Model V4E50, Multifan, Bloomington, IL, USA），直徑分別為356 mm（Fan14）和508 mm（Fan20）。儲(chǔ)糞池外墻上部有2個(gè)直徑為250 mm的變速風(fēng)機(jī)（Model P4E30, Multifan）。由于儲(chǔ)糞池風(fēng)機(jī)為小間提供最小量通風(fēng)（minimum ventilation），處于不間斷運(yùn)行狀態(tài)，所以它們的控制不在本文考慮范圍之內(nèi)。豬舍內(nèi)部照片如圖3b所示。在每個(gè)小間內(nèi)安裝有天然氣加熱器（Model Guardian 60, L.B. White Co. Onalaska, WI, USA）用于加熱控制。在距離小間地面1.5 m、排風(fēng)口等處安裝T型熱電耦來(lái)監(jiān)測(cè)小間內(nèi)溫度。利用安裝在豬欄中間距離地面1.5 m高處的相對(duì)濕度變送儀(Model HX92BC, Omega, Atlanta, GA, USA)對(duì)舍內(nèi)的相對(duì)濕度（RH）進(jìn)行測(cè)量。在直徑為356 mm的風(fēng)機(jī)前1 m處設(shè)置有空氣采樣點(diǎn)，通過(guò)一臺(tái)多種氣體監(jiān)測(cè)儀（Innova Model 1412, LumaSense Technologies, Ballerup, Denmark）對(duì)氨氣濃度進(jìn)行測(cè)量。

a. 豬舍外部照片

a. Photo of swine building

4.2 溫度與通風(fēng)補(bǔ)償系數(shù)的確定

冬季當(dāng)風(fēng)機(jī)開(kāi)啟時(shí)，在降低豬舍內(nèi)濕度和氨氣濃度的同時(shí)，舍內(nèi)溫度也會(huì)隨之降低，為了使溫度控制在適宜范圍內(nèi)，需要加大供熱量對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。因此，需要在溫度控制系統(tǒng)與通風(fēng)控制系統(tǒng)之間進(jìn)行解耦控制來(lái)解決由于開(kāi)啟通風(fēng)系統(tǒng)造成的豬舍內(nèi)溫度降低。通過(guò)在溫度控制系統(tǒng)與通風(fēng)控制系統(tǒng)的前饋環(huán)節(jié)中疊加一個(gè)溫度補(bǔ)償系數(shù)，可提高供熱量來(lái)補(bǔ)償風(fēng)機(jī)開(kāi)啟對(duì)舍內(nèi)溫度造成的影響。本文通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的模擬來(lái)確定溫度補(bǔ)償系數(shù)與豬舍內(nèi)外溫度差及風(fēng)機(jī)開(kāi)啟模式之間的關(guān)系，最終決定加熱器的加熱量，實(shí)現(xiàn)溫度與通風(fēng)之間的解耦控制。

在加熱器開(kāi)啟并且輸出功率一定的情況下，選取2014年11月28日1號(hào)豬舍從04:42至05:01時(shí)間間隔為1 min的豬舍溫度數(shù)據(jù)，舍內(nèi)溫度變化與加熱時(shí)間，如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著加熱器開(kāi)啟時(shí)間的增加，豬舍內(nèi)溫度逐漸升高，加熱器連續(xù)加熱20 min后，豬舍內(nèi)溫度增加了0.2 ℃，對(duì)溫度變化與加熱時(shí)間進(jìn)行線性擬合，得到溫度變化與加熱時(shí)間之間的線性關(guān)系，2=0.918 1。

在分別開(kāi)啟Fan14、Fan20及同時(shí)開(kāi)啟2個(gè)風(fēng)機(jī)Fan14和Fan20模式的3種通風(fēng)模式下，豬舍內(nèi)溫度變化曲線，如圖5所示。

在3種通風(fēng)模式下，通風(fēng)量Fan14

分別對(duì)3種通風(fēng)模式下舍內(nèi)溫度變化與通風(fēng)時(shí)間進(jìn)行線性擬合，得到線性關(guān)系如公式（6）－（8）所示。

（7）

（8）

為了使豬舍在開(kāi)啟通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)仍然保持較恒定的溫度，因此需要加大供熱量Δheat來(lái)彌補(bǔ)由于開(kāi)啟通風(fēng)系統(tǒng)帶來(lái)的熱量損失Δvent。根據(jù)能量平衡方程，并忽略墻體、天花板和地板的散熱和吸熱，以及豬體的產(chǎn)熱等，可以得到

當(dāng)增大通風(fēng)時(shí)溫度變化加快，需要增大加熱控制，彌補(bǔ)由開(kāi)啟通風(fēng)而造成的溫度下降，解決冬季豬舍溫度與通風(fēng)之間的解耦控制。

在加熱器功率一定的情況下，通過(guò)增加加熱器開(kāi)啟時(shí)間進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而可以得到不同通風(fēng)模式下溫度與通風(fēng)控制補(bǔ)償系數(shù)，如表11所示。

表11 不同通風(fēng)模式下補(bǔ)償系數(shù)

4.3 豬舍環(huán)境調(diào)控仿真驗(yàn)證

將豬舍環(huán)境控制器的舍內(nèi)溫度設(shè)定為20 ℃，舍內(nèi)相對(duì)濕度設(shè)定為60%，氨氣質(zhì)量濃度設(shè)定為9.1 mg/m3，利用2014年12月13日和14日連續(xù)2 d采集的豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)對(duì)建立的溫度控制器、通風(fēng)控制器及相應(yīng)的控制規(guī)則、舍內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、氨氣濃度進(jìn)行環(huán)境控制仿真驗(yàn)證。豬舍內(nèi)外的環(huán)境參數(shù)變化曲線如圖6所示。

從圖6 a可以看出，豬舍外溫度變化較大，溫度變化范圍為?4.6～4.1 ℃。豬舍內(nèi)溫度在設(shè)定值20 ℃附近波動(dòng)，最大值為21 ℃，最小值為19.5 ℃，與設(shè)定值最大偏離誤差為1 ℃，最大相對(duì)誤差為5%，溫度變化小，受外界影響小，舍內(nèi)溫度穩(wěn)定，很好地達(dá)到了溫度控制目標(biāo)。

從圖6b中可以看出，豬舍外相對(duì)濕度變化范圍變化大，最小值為25.2%，最大值為43%，相對(duì)濕度偏低；舍內(nèi)相對(duì)濕度變化范圍為42.7%～63.8%，與設(shè)定值60%相比，最大偏離為3.8%，最大相對(duì)誤差為6.3%，其最大相對(duì)誤差沒(méi)有超出正常范圍（±25%），可以滿足豬舍內(nèi)相對(duì)濕度控制要求[29]。

從圖6 c中可以看出，豬舍氨氣質(zhì)量濃度變化范圍為2.0～3.7 mg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)定值9.1 mg/m3，能夠非常好地滿足豬舍氨氣濃度控制要求。通過(guò)以上仿真驗(yàn)證及文獻(xiàn)[19]的研究結(jié)果(溫度、相對(duì)濕度、NH3濃度最大偏差分別為1.2 ℃、8.3%、1.2 mg/m3)相對(duì)比表明，本文提出的豬舍環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)豬舍溫度偏差小、氨氣濃度低、相對(duì)濕度可以保持在適宜的范圍內(nèi)，在滿足除濕、降低氨濃度的同時(shí)，舍內(nèi)溫度可以維持在恒定的設(shè)定值20 ℃，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，很好地達(dá)到了控制要求。

4 結(jié) 論

1）本研究所建立的豬舍環(huán)境溫度與通風(fēng)模糊控制方法，以及針對(duì)不同季節(jié)提出的模糊控制策略，能根據(jù)設(shè)定值用于豬舍內(nèi)的溫度、濕度、氨氣濃度的自動(dòng)控制。

2）當(dāng)增大通風(fēng)時(shí)溫度下降加快，為使豬舍內(nèi)保持較恒定的溫度，需要增大加熱控制來(lái)彌補(bǔ)由開(kāi)啟通風(fēng)而造成的溫度下降，解決冬季豬舍溫度與通風(fēng)之間的解耦控制。

3）通過(guò)仿真驗(yàn)證，溫度與設(shè)定值最大相對(duì)誤差為5%，非常好地達(dá)到了溫度控制目標(biāo)；舍內(nèi)相對(duì)濕度最大值偏離設(shè)定值為3.8%，可以較好地滿足豬舍濕度控制要求；舍內(nèi)氨氣濃度變化范圍為2.0～3.7 mg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)定值9.1 mg/m3，能夠很好地滿足豬舍氨氣濃度控制要求。

本文提出的豬舍多環(huán)境因子模糊控制系統(tǒng)及策略，為解決寒冷冬季豬舍溫度與通風(fēng)控制提供了一種可行的思路。

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Control system design and control strategy of multiple environmental factors in confined swine building

Xie Qiuju1,2, Su Zhongbin2※, Ji-Qin Ni3, Zheng Ping2

(1,163319,;2.,,150030,; 3.,,,47907,)

Swine building environment plays an important role on the pig production, and it is a nonlinear, time-varying and delay system with multiple factors coupling with each other. Air temperature, humidity, harmful gases, airflow, light, dust and other factors in such an environment can affect the growth, development, reproduction of pigs. In the confined swine building, the indoor environment quality can deteriorate due to the high breeding density. The indoor air quality can be improved by appropriate ventilation control that supplies fresh air from outdoor and at the same time dissipates heat and moisture, and decreases concentrations of harmful gases. Most of the swine building environmental control systems are only based on a single environmental variable (temperature) using traditional control method. New systems based on multiple environmental variables and using precision mathematical models are needed to improve swine building environment controls. A multi-factor environmental control system with two controllers, based on the fuzzy control theory was established for the confined swine building in this paper. In this control system, a fuzzy controller was the nucleus part. A temperature fuzzy controller and a ventilation fuzzy controller were established with two input and one output variables, respectively, to achieve environmental control. In the air temperature fuzzy controller, air temperature difference and its variation rate were selected as two input variables, and a ventilation mode and a heating mode were chosen as output variables. In the ventilation fuzzy controller, differences of relative humidity and ammonia concentration were selected as input variables, and fan operation mode was selected as an output variable. To meet the requirements in different seasons, the input variables of the two controllers were first processed through fuzzification and fuzzy logic reasoning based on different control strategies and rules. Then the output variables were obtained after defuzzification processing. To solve the coupling problems between temperature and ventilation controls and optimize the control system, a dynamic temperature compensation coefficient was added. The method developed in this paper was validated using the data collected from a swine building. Different ventilation modes were simulated to get the relationship between the changing rates of air temperature, relative humidity, ammonia concentrations with fan operation time. Results showed that the maximum relative error of temperature was 5% compared with the setting value; and the indoor temperature control was achieved. The maximum relative error of relative humidity deviation from the setting value was 6.3%, which met the required relatively humidity control. The NH3concentrations ranged from 2.0 to 3.7 mg/m3, which were less than the setting value of 9.1 mg/m3. Therefore, the fuzzy control system and strategy with multi-factor in this paper could be used to improve the swine building environmental control.

temperature; environmental control; humidity; control strategy; fuzzy control; confined swine building; multiple environmental factors

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.06.021

S2

A

1002-6819(2017)-06-0163-08

2016-07-30

2017-02-15

黑龍江省青年科學(xué)基金項(xiàng)目（QC2013C065，QC2014C078）；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)校內(nèi)課題培育資助項(xiàng)目（XZR2015-10）

謝秋菊，女（漢族），黑龍江寧安人，副教授，博士，主要從事畜舍環(huán)境控制研究。大慶黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，163319。Email：xqj197610@163.com

蘇中濱，男（漢族），陜西人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究。哈爾濱 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，150030。Email：suzb001@163.com