基于CFD的猪舍小气候环境模糊控制系统设计

摘要

大型猪舍随着我国养猪业的快速发展而被广泛采用，大型猪舍内的小气候环境有所差异，影响部分猪只健康。猪舍内小气候环境具有非线性的特点，传统猪舍的风机-湿帘通风控制系统对于猪舍内小气候环境的调节速度慢，控制精度低，不能有效解决猪舍内小气候环境差异问题。
　　针对大型猪舍存在小气候环境不均一、环境模型非线性、环境信息采集节点有限等问题，本文提出一种基于CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）的猪舍小气候环境模糊控制系统，该系统将猪舍微控制器与监控室计算机相结合，利用模糊控制技术和CFD技术，控制风机和湿帘的运行，将猪舍内的小气候环境（温度、湿度）稳定在猪只适宜的范围之内，同时猪场工作人员可以在监控室计算机上以三维图形的形式监测猪舍中每个位置的温度信息，实时了解猪舍内的环境情况。本文的主要工作将从以下5个方面进行：
　　（1）猪舍小气候环境模糊控制系统方案设计。猪舍小气候环境控制具有较大的时滞、时变的特点，所以选取模糊控制策略；因为温度与湿度控制存在耦合关系，设计解耦控制器；根据猪舍温度场CFD仿真的要求与猪舍的位置结构，设计传感器布置方案；根据监控室与猪舍之间的距离短与数据大的特点，选择以太网通信；监控室计算机可以接收猪舍内采集的环境信息，并利用 CFD技术仿真猪舍的温度场，以三维图形的形式显示。
　　（2）猪舍小气候环境模糊控制系统硬件设计。由于猪舍内温度场 CFD仿真需要获得猪舍内的边界条件，所以在猪舍中间和湿帘处各设计1个温湿度采集节点，在猪舍风机处设计2个风速采集节点；微控制器通过接触器对6台风机进行开关控制，通过变频器对其他2台风机进行转速控制，通过电磁阀对6个湿帘进行开关控制。根据数据采集节点和被控对象的数量，该系统选用STM32作为微控制器，将采集到的各种环境信息发送至监控室计算机，监控室计算机利用这些信息对猪舍温度场进行仿真。
　　（3）猪舍小气候环境模糊控制系统仿真。本文系统仿真分为猪舍温度场仿真和猪舍小气候环境模糊控制系统仿真。为了验证温度场仿真的准确性，在仿真出的温度场中选取30个点，在相同条件下实际测量猪舍内温度值，对两者进行比较分析；设计温度与湿度的模糊控制器，利用阶跃响应法进行控制模型简化和辨识，根据前馈补偿解耦法设计解耦器，在Simulink上搭建控制系统并仿真，验证本文控制方法的可行性。
　　（4）猪舍小气候环境模糊控制系统软件设计。在猪舍微控制器上设计温湿度、风速采集和模糊控制程序；为了在监控室计算机上实时显示猪舍内环境信息，进行监控室计算机监测平台设计，对CFD仿真软件进行二次开发，开发 CFD仿真软件与图形用户界面的接口，并将 CFD仿真结果进行加权平均后发送至微控制器，作为模糊控制器的一个输入。
　　（5）猪舍现场试验及结果分析。在猪舍实际环境下，进行猪舍内温度、湿度和风速的采集测试，猪舍与监控室之间以太网传输功能测试，猪舍温度场仿真功能测试，猪舍小气候环境控制系统测试。
　　实际应用表明：该系统能将猪舍内的温度稳定在21.00℃左右，绝对误差0.50℃，能将湿度稳定在65.00％RH左右，绝对误差3.00%RH，符合养殖要求。该系统对大型猪舍内小气候环境的调节水平具有较大提升，能够降低猪只的发病率，减少人工作业量，对猪只养殖行业发展具有一定的现实意义。

目录

1绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 猪舍小气候环境控制国内外发展现状

1.3 本文的主要工作和章节安排

2猪舍小气候环境模糊控制系统方案设计

2.1 猪舍小气候环境控制系统特点与要求

2.2 猪舍小气候环境控制系统数学模型分析

2.3 猪舍小气候环境控制策略对比

2.4 传统测温方法存在的问题与解决方法分析

2.5 系统总体设计

2.6 本章小结

3猪舍小气候环境模糊控制系统硬件设计

3.1 猪舍风机-湿帘降温电气控制系统改进

3.2 通信方式及模块选择

3.2 控制系统硬件设计

3.3 控制系统硬件结构介绍

3.4 本章小结

4基于CFD的模糊控制系统仿真

4.1 CFD猪舍小气候环境温度仿真

4.2 猪舍小气候环境控制系统MATLAB仿真

4.3 本章小结

5猪舍小气候环境模糊控制系统软件设计

5.1 控制器软件设计

5.2 GUI设计

5.3 ANSYS与GUI接口开发

5.4 数据库开发

5.5 Socket通信设计

5.6 本章小结

6猪舍现场试验及结果分析

6.1 控制系统运行结果分析

6.2 猪舍小气候环境达标率测试分析

6.3 本章小结

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

攻读硕士学位期间参与的科研项目及成果

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