环境控制论文提纲

论文题目：基于多尺度信息融合的猪舍环境控制系统设计

摘要：随着我国养殖补贴政策的不断完善,禽畜养殖场数量和范围有了明显的增加。但是现在养殖业存在着生猪喂养模式不科学、猪舍环境恶劣、资源浪费等各种问题,这些因素中,猪舍环境对猪只健康生长、猪肉安全和疫病爆发尤为重要。针对猪舍温湿度变化规律不确定、温湿度控制耦合性、猪舍内环境信息监测困难等问题,本文提出了一种基于多尺度信息融合的猪舍环境控制系统,该系统将猪舍历史温湿度序列进行多尺度分析,得到温湿度的变化规律曲线,通过支持向量机回归预测出下一时刻猪舍内温湿度值,将这个预测值送神经网络控制器中,进而控制风机和湿帘,使猪舍的环境适宜猪只的生长。同时利用计算流体动力学软件模拟猪舍的温度场和气流场,将其仿真结果反馈给控制器,养殖人员也能通过仿真的图形化结果实时了解猪舍温度和气流情况。本文的主要工作由以下五部分组成:（1）系统方案整体设计。根据某畜牧业公司的需求,设计了系统整体方案,分为猪舍现场环境信息采集部分、环境控制部分、监控室上位机显示部分。每间猪舍包含7个环境采集节点,包含变频器、接触器和电磁阀共14个控制对象,以及环境信息采集和传输需要多线程技术,因此本文选择STM32作为本系统的微控器。根据20间猪舍的微控器和监控室之间通信数据量的特点,选择以太网作进行通信。（2）历史数据多尺度分析及控制器设计。由于舍外天气状况、猪舍的所处的位置、风机状态等都会对猪舍的温湿产生影响,因此猪舍温湿度变化曲线难以确定,而小波变换本身具有降噪、多尺度分析和时频局域化的优势,因此本文利用小波变换的多尺度性对猪舍温湿度历史数据进行分析,得到温湿度变化规律,然后对猪舍下一时刻温湿度进行回归预测,并将结果送入神经网络控制器中进行环境控制。利用阶跃响应对猪舍环境控制系统进行辨识,然后设计神经网络PID控制器,针对温湿度控制的耦合现象设计解耦器,最后在Simulink上搭建猪舍环境控制系统进行仿真,验证本系统的可行性。（3）系统硬件设计。针对猪舍的实际环境和猪舍环境仿真的需求,在湿帘处布置2个温湿度传感器和1个风速传感器,在风机出布置2个风速仪,在猪舍中部布置1个氨气和1个温湿度传感器。根据猪舍温湿度的变换范围-10℃~50℃和20%RH~85%RH,以及温湿度测量精度在±1.0℃和±5%RH内,选择温湿度传感器型号为STH10,并对其接口电路进行设计。根据风速采集的分辨率0.1 m/s、测量精度±3%m/s和有效风速测量范围是0~30 m/s选择风速传感器型号为JL-FS2,并对其接口电路进行设计。根据猪舍内空间较大、潮湿、有线连接不方便等特点,选择ZigBee来搭建舍内环境信息采集网络。（4）系统软件设计。依据湿帘处温度和风速、风机处风速、猪体导热系数、对流换热系数等边界条件采集猪舍环境信息,利用CFD技术将猪舍的温度场和气流场以图形化界面显示,并通过模拟值与实测值的对于验证CFD猪舍建模的成功与否。在微控器上设计风速、温湿度、氨气浓度采集程序,为了使工作人员方便监测猪舍环境,利用Delphi设计上位机界面,为了方便查询猪舍的历史数据,对SQL Server数据库进行开发。（5）测试。在某畜牧业公司现场选择两个相同的猪舍,对其中一个舍利用本系统进行控制,通过对比全天的温湿度数据来对本系统功能进行测试。结果表明:本系统能将猪舍温度稳定在19℃左右,湿度稳定在60%RH左右。温度测量值与设定值的最大绝对误差为0.65℃,最大相对误差为3.4%,湿度测量值与设定值的最大绝对误差为3.94%RH,最大相对误差为6.6%,符合养殖要求。

关键词：猪舍;环境控制;CFD;神经网络PID;反馈解耦;多尺度分析

学科专业：控制理论与控制工程

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外发展现状

1.2.1 国外发展现状

1.2.2 国内发展现状

1.3 本文的主要工作和章节安排

2 系统整体方案设计

2.1 妊娠猪舍物理结构

2.2 系统需求分析

2.3 系统方案设计

2.3.1 系统整体方案设计

2.3.2 系统硬件方案设计

2.3.3 系统软件方案设计

2.4 妊娠猪舍内微控器和舍外总线选择

2.4.1 微控器选择

2.4.2 舍外现场总线选择

2.5 本章小结

3 历史数据多尺度分析及控制器设计

3.1 小波变换与历史数据多尺度分析

3.1.1 猪舍历史数据多尺度分析原理

3.1.2 多尺度分析基函数选择

3.1.3 各尺度系数阈值去噪

3.1.4 猪舍温湿度曲线重构

3.2 猪舍温湿度预测模型建立

3.2.1 猪舍温湿度预测模型框架提出

3.2.2 猪舍温湿度预测模型原理

3.2.3 猪舍温湿度预测模型建立

3.2.4 猪舍温湿度预测模型核函数选取

3.2.5 猪舍温湿度预测模型参数选择

3.2.6 猪舍温湿度预测模型评价指标

3.3 猪舍温湿度预测融合算法介绍

3.4 猪舍环境控制系统辨识

3.5 猪舍环境控制器模型

3.5.1 猪舍控制策略对比

3.5.2 神经网络PID控制器设计

3.6 温湿度解耦器设计

3.7 系统仿真

3.8 本章小结

4 系统硬件设计

4.1 系统硬件整体结构介绍

4.2 传感器布置

4.3 传感器选型

4.3.1 温湿度传感器选型

4.3.2 风速传感器选型

4.3.3 氨气传感器选型

4.4 舍内通信方式选择

4.4.1 常见通信方式比较

4.4.2 ZigBee介绍

4.5 硬件电路设计

4.5.1 STM32F103ZET6最小系统介绍

4.5.2 SHT10接口设计

4.5.3 JL-FS2接口设计

4.5.4 BGD-NH3接口设计

4.5.5 以太网控制器设计

4.6 本章小结

5 系统软件设计

5.1 系统软件整体结构介绍

5.2 系统主程序设计

5.2.1 STM32程序设计

5.2.2 神经网络PID控制器程序设计

5.3 猪舍环境CFD仿真

5.3.1 妊娠舍和猪只物理模型建立

5.3.2 网格划分及边界条件设定

5.3.3 猪舍温度场、气流场仿真

5.3.4 模拟值和实测值对比

5.3.5 CFD结果输出

5.4 ZigBee软件设计

5.4.1 协调器程序设计

5.4.2 路由器程序设计

5.4.3 终端程序设计

5.4.4 数据传输帧格式设计

5.5 传感器采集程序设计

5.5.1 SHT10采集程序设计

5.5.2 JL-FS2采集程序设计

5.5.3 BGD-NH3采集程序设计

5.6 上位机界面设计

5.7 数据库开发

5.8 本章小结

6 测试

6.1 猪舍预测模型测试

6.2 猪舍整体性能测试

7 总结与展望

7.1 全文工作总结

7.2 未来工作展望

致谢

参考文献