大型水产养殖温室热环境调控策略和供热技术研究

摘要

温度在鱼类的生长过程中的作用举足轻重，适宜的温度对鱼类的生长发育、摄食和免疫功能等方面都具有重要的影响。传统的水产养殖温室热环境调节一般采用PID控制策略和位式控制，然而传统控制策略不但能耗高，热环境调控的稳定性也较差，不利于鱼类的生长。本研究对基于BP神经网络PID控制策略和传统PID控制策略的控制效果进行了比较分析，并提出了基于模型预测控制(MPC)的水产养殖温室热环境控制策略。论文的主要研究成果如下：
　　(1)基于水产养殖温室的热物理模型，以杭州萧山某温室为研究对象，对基于BP神经网络PID控制策略和传统PID控制策略进行对比。结果表明，基于BP神经网络PID控制策略的超调量为18％，不会引起控制系统较大波动，而常规PID的超调量为80％，系统波动较剧烈。基于BP神经网络PID控制策略的过渡时间为400s，传统PID控制策略的过渡时间为1000s，前者控制的系统能很快达到稳定状态。基于BP神经网络PID控制策略的鲁棒性明显强于传统PID控制策略。
　　(2)研究了基于MPC控制策略的水产养殖温室热环境的调控效果，并与传统PID控制和位式控制的控制效果进行比较分析。选取的研究对象为杭州萧山某温室，用于仿真的室外天气数据为杭州地区典型年数据，取11月至次年4月天气数据进行模拟分析。结果表明，模型预测控制对热环境控制的稳定性远高于传统PID控制和位式控制，每个月的水温方差均小于传统PID控制和位式控制。模型预测控制的能耗更低、稳定性更强。在11月-4月，模型预测控制的总能耗为3167831MJ，传统PID控制的总能耗为3361020MJ，位式控制的总能耗为3742200MJ。通过对比模型预测控制与传统PID控制能耗，发现模型预测控制能耗降低比例为5.75％，其中4月份能耗降低比例最高，为16.69％，1月份能耗降低比例最低，为1.07％。通过对比PID控制与位式控制能耗，发现PID控制能耗降低比例为10.19％，其中4月份能耗降低比例最高，为23.9％，2月份能耗降低比例最低，为1.14％。对于温室内空气温度的控制，三种控制的控制效果差别不大。
　　(3)以杭州萧山某水产养殖温室为例，采用模型预测控制的锅炉设计容量为0.72MW，采用传统PID控制的锅炉设计容量为1.45MW，采用位式控制的锅炉设计容量为1.82 MW。在实际运行中，采用模型预测控制的锅炉效率更接近锅炉的额定功率，采用传统PID控制的锅炉效率与额定功率相差较大;在整个供暖期，模型预测控制的能耗量远低于传统PID控制，节能达9.91％;传统PID控制的能耗量远低于位式控制，节能达3.28％。分别采用无烟煤、柴油、天然气、煤气和电为原料，分析比较模型预测控制、传统PID控制和位式控制的经济性。结果表明，采用模型预测控制的能源成本大大低于传统PID控制，采用传统PID控制的能源成本大大低于位式控制。以燃用无烟煤为例，在11月至次年4月，相对于PID控制，采用模型预测控制节约的经济成本为1.55万元，减排CO230276kg、SO233kg、NOx146kg;相对于位式控制，采用PID控制节约的经济成本为0.53万元，减排CO210355 kg，SO211kg，NOx50kg。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 研究目标、意义和内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究意义

1．3．3 研究内容

第2章 基于BP神经网络PID控制器的水产养殖温室温度控制

2．1 引言

2．2 大型水产养殖温室热环境数学模型的建立

2．2．1 温室内水体热平衡

2．2．2 温室内空气的显热平衡

2．2．3 温室内空气的潜热平衡

2．2．4 温室内土壤的热平衡

2．2．5 温室外膜的热平衡

2．2．6 温室内膜的热平衡

2．2．7 经验公式的选取

2．2．8 状态空间表达式的建立

2．3 基于BP神经网络PID控制器的设计

2．3．1 基于BP神经网络PID整定原理

2．3．2 BP-PID控制器的设计

2．4 BP神经网络PID控制算法的仿真研究

2．4．1 仿真对象的选取

2．4．2 常规PID和BP神经网络PID的控制效果比较

2．5 小结

第3章 水产养殖温室的模型预测控制

3．1 引言

3．2 水产养殖温室预测模型的建立

3．2．1 预测模型的选取

3．2．2 预测模型的线性化与离散化处理

3．3 基于MPC的水产养殖温室控制策略

3．4 小结

第4章 基于MPC的水产养殖温室热环境控制与供热系统模拟分析

4．1 引言

4．2 温室相关参数及天气数据的选取

4．3 相关控制参数的选取

4．3．1 MPC相关控制参数的选取

4．3．2 PID相关控制参数的选取

4．3．3 采用位式控制的温室热负荷

4．4 温度和能耗结果对比与分析

4．5 供热系统的选择

4．5．1 水产温室采暖的特点

4．5．2 水产温室采暖系统形式

4．5．3 MPC与PID锅炉容量计算

4．5．4 MPC、PID和位式控制锅炉选型

4．5．5 MPC、PID和位式控制的经济性分析

4．5．6 MPC、PID和位式控制的减排效果对比

4．6 小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 研究展望

参考文献

作者简介

研究生在学期间取得的科研成果