一種基於模糊控制的水產養殖智能投餌系統及其控制方法與流程
2023-12-04 23:59:26 2
本發明涉及水產養殖
技術領域：
，尤其是一種基於模糊控制的水產養殖智能投餌系統及其控制方法。
背景技術：
：飼料是水產養殖中最主要的可變成本，一般都超過總成本的一半，單次投餌量的多少直接決定了養殖魚類的生長質量，同時也與養殖成本息息相關，如何保證餌料的精確投喂，降低單位飼料成本，是實現水產養殖的精細化、智能化管理的關鍵，也是當前水產養殖行業亟需解決的問題。目前飼料投餵分人工投餵和自動投餵兩種。人工投餵主要依靠經驗和肉眼觀察進行投餌量的確定，餌料浪費嚴重。自動投餵分為兩種方法，一是基於圖像處理的投餵量確定(中國發明專利201410795965.4)，主要是通過圖像分析投餵區域的魚群密度來推算魚類是否吃飽，從而決斷投餌機是否停止投餵；二是通過輸入水質參數進入支持向量機模型預測處當前水質參數狀態下的魚類模擬體重，根據模擬體重對照體重-餌料量表，確定投餵量(中國發明專利申請201510870876.6)。該兩種自動投餵方法實現了自動化投喂，但投餵量的科學性上均存在一定的不足。基於圖形的處理方法只考慮到了魚類的進食，而忽略了不同養殖環境(水質環境)下魚類對飼料的吸收和轉換效率，以溶解氧為例，當處於低溶解氧水體時，低溶解氧脅迫狀態下呼吸能和排洩能比例較高，導致魚類飼料轉化效率低，因此在該情況下按照圖像系統中魚依舊進食來確定的常規飼料投餵量，在較低的飼料轉化率情況下，是增加了餌料係數，即魚類單位增重下的飼料量高於最優量。因此基於圖像的智能投餵系統有需要改進的地方。第二種是基於歷史數據，建立水質因子估算魚類體重的支持向量模型，通過當前水質因子用模型估算當前魚體的預測體重，再按照預設的魚類體重與投餌量的對應關係確定當前投餌量。該方法存在兩個不足，一是通過水質參數直接預測魚類體重的方式，其科學性值得商榷；二是簡單的通過體重與投餌量的對照表確定投餌量的方式，也值得商榷。針對第一點不足，如果用不同水質因子建立與魚類體重的增重量的關係，是具有一定科學性的，但是直接建立水質因子與魚的體重的關係，明顯存在偏誤，簡單的反例就是魚類在不同時期會遇到同樣的水質狀況，而模型通過水質參數只能預測出一種體重。針對第二個不足，在不同水體狀況下，同樣的魚類體重所需要的投餌量是不一樣的，而該方法無法實現這個需求。最優投餌量的確定是一個非線性、時變、多變量耦合的系統，投餌量與魚類屬性、水質狀況、氣象狀況相關，需要建立一個綜合的決策系統來自動控制投餌。技術實現要素：本發明要解決的技術問題是提供一種基於模糊控制的水產養殖智能投餌系統及其控制方法，能夠解決現有技術的不足，提高了水產養殖過程中餌料的投放精確度。為解決上述技術問題，本發明所採取的技術方案如下。一種基於模糊控制的水產養殖智能投餌系統，其特徵在於：包括，控制器模塊，用於計算每日的投餌次數和投餌量；水溫傳感器，用於測量養殖場內的水溫；溶解氧傳感器，用於測量養殖場內的水體溶解氧含量；存儲器，用於存儲水溫傳感器和溶解氧傳感器採集的水溫和溶解氧數據；魚體稱重系統，用於檢測養殖場內魚體的平均重量；投料機，根據控制器模塊的控制信號向養殖場定時定量投放餌料；供電模塊，用於向投餌系統供電。作為優選，所述水溫傳感器和溶解氧傳感器通過RS485通信總線與控制器模塊連接。作為優選，所述控制器模塊連接有GPRS模塊。作為優選，所述GPRS模塊分別連接有遠程終端和功率放大模塊。作為優選，所述魚體稱重系統包括機械手臂，機械手臂上設置有重量傳感器，重量傳感器通過數據傳輸模塊連接至存儲模塊，自動稱重模塊根據存儲模塊內的數據計算魚體平均重量。一種上述的基於模糊控制的水產養殖智能投餌系統的控制方法，包括以下步驟：A、通過養殖場的投餵實驗獲得不同水溫和溶解氧環境下，魚類在不同投餌率下的餌料係數，從而以最小餌料係數確定不同水溫和溶解氧環境下的最優投餌率；B、根據第一步實驗獲得的結果數據，構建以水溫和溶解氧為輸入，投餌率為輸出的投餌率模糊控制器；C、根據養殖場試驗數據和養殖專家經驗數據，構建以昨日平均水溫、昨日平均溶解氧為輸入，投餌次數為輸出的投餌次數模糊控制器；D、魚體稱重系統獲得養殖魚類的平均體重，並連同水溫傳感器和溶解氧傳感器採集的數據傳輸到控制器模塊；E、當時間過了零點，控制器模塊調用存儲器中的昨日水溫和溶解氧，求平均水溫和平均溶解氧，以此為輸入，調用投餌次數模糊控制器，輸出投餌次數，再通過投餌次數與投餌時刻對照表獲得當天投餌機打開的時間；F、水溫傳感器和溶解氧傳感器每十分鐘採集一次數據，並將數據傳輸到控制器模塊並存儲；當時間到達步驟E中得到的投餌時刻，控制器模塊打開投餌機；同時將此時的水溫和溶解氧作為輸入，調用投餌率模糊控制器，輸出本次投餌的投餌率；同時控制器模塊啟動魚體稱重系統，得到塘內魚體的平均體重；將投餌率乘以平均體重再乘以魚的數量，得到本次投餌的總量，將投餌總量除以投料機的每秒投料量，得到投餌機關閉的時間，當到達關閉時間，控制器模塊自動關閉投料機。採用上述技術方案所帶來的有益效果在於：1、本發明以餌料係數最小為目標，通過水溫、溶解氧兩個維度對最優投餌率進行定量實驗，確定不同水溫和溶解氧環境下的最優投餌率，該實驗與當前其他投餵實驗最大的區別在於將投餌率視為一個隨水溫和溶解氧變化的量，從而實現最高的餌料轉化率，節省餌料。2、模糊控制是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種智能控制方法，該方法首先將操作人員或專家經驗編成模糊規則，然後將來自傳感器的實時信號模糊化，將模糊化後的信號作為模糊規則的輸入，完成模糊推理，將推理後得到的輸出量加到執行器上。模糊控制效果的好壞取決於模糊規則，模糊控制在水產投餵方面的壁壘也在於沒有建立科學的模糊規則。本發明的貢獻首先是模糊控制器以水溫和溶解氧傳感器為實時輸入，實現了實時的自動化控制；其次模糊規則是基於嚴謹的科學實驗的數據結果，而且以水溫與溶解氧作為輸入，將投餌率作為輸出，得到模糊規則，在輸入和輸出變量的設置上均具有一定的創新性。3、相對於其他模糊控制器以傳感器實時數據作為輸入的特徵，本發明中的投餌次數模糊控制器的輸入變量是經過數據採集、傳輸、存儲、計算後的水溫與溶解氧日平均值。在模糊控制系統的總體構架上有別於一般控制系統的直接輸入方式。4、魚體稱重系統使用的自動稱重算法是基於魚類生長特徵進行標定的。該算法通過不斷的自適應改進，實現魚類平均體重的精準測量。5、本發明的模糊控制智能投餵系統改進了一般模糊控制系統的簡單數據輸入-輸出控制模式，針對智能控制的不同參數構建不同的模糊控制器，且突破了傳感器數據直接輸入的模式，改進將傳感器數據進行運算後的數據作為輸入，使得本模糊控制系統的雙控制器控制效果更優化。附圖說明圖1是本發明一個具體實施方式的結構圖。圖2是本發明一個具體實施方式中魚體稱重系統的結構圖。圖3是本發明一個具體實施方式中魚體稱重系統控制方法的流程圖。圖4是本發明一個具體實施方式中水溫隸屬度函數曲線圖。圖5是本發明一個具體實施方式中溶解氧隸屬度函數曲線圖。圖6是本發明一個具體實施方式中投餌率隸屬度函數曲線圖。圖7是本發明一個具體實施方式中投餌率模糊變量輸入-輸出關係圖。圖8是本發明一個具體實施方式中平均溶解氧隸屬度函數曲線圖。圖9是本發明一個具體實施方式中平均水溫隸屬度函數曲線。圖10是本發明一個具體實施方式中投餌次數隸屬度函數曲線圖。圖11是本發明一個具體實施方式中投餌次數模糊變量輸入-輸出關係圖。圖中：1、控制器模塊；2、水溫傳感器；3、溶解氧傳感器；4、存儲器；5、魚體稱重系統；6、投料機；7、供電模塊；8、GPRS模塊；9、遠程終端；10、功率放大模塊；11、機械手臂；12、重量傳感器；13、數據傳輸模塊；14、存儲模塊；15、自動稱重模塊。具體實施方式本發明中使用到的標準零件均可以從市場上購買，異形件根據說明書的和附圖的記載均可以進行訂製，各個零件的具體連接方式均採用現有技術中成熟的螺栓、鉚釘、焊接、粘貼等常規手段，在此不再詳述。參照圖1-11，本發明一個具體實施方式包括，控制器模塊1，用於計算每日的投餌次數和投餌量；水溫傳感器2，用於測量養殖場內的水溫；溶解氧傳感器3，用於測量養殖場內的水體溶解氧含量；存儲器4，用於存儲水溫傳感器2和溶解氧傳感器3採集的水溫和溶解氧數據；魚體稱重系統5，用於檢測養殖場內魚體的平均重量；投料機6，根據控制器模塊1的控制信號向養殖場定時定量投放餌料；供電模塊7，用於向投餌系統供電。水溫傳感器2和溶解氧傳感器3通過RS485通信總線與控制器模塊1連接。控制器模塊1連接有GPRS模塊8。GPRS模塊8分別連接有遠程終端9和功率放大模塊10。魚體稱重系統5包括機械手臂11，機械手臂11上設置有重量傳感器12，重量傳感器12通過數據傳輸模塊13連接至存儲模塊14，自動稱重模塊15根據存儲模塊14內的數據計算魚體平均重量。控制器模塊1包括投餌次數模糊控制器和投餌率模糊控制器。一種上述的基於模糊控制的水產養殖智能投餌系統的控制方法，包括以下步驟：A、通過養殖場的投餵實驗獲得不同水溫和溶解氧環境下，魚類在不同投餌率下的餌料係數，從而以最小餌料係數確定不同水溫和溶解氧環境下的最優投餌率；B、根據第一步實驗獲得的結果數據，構建以水溫和溶解氧為輸入，投餌率為輸出的投餌率模糊控制器；C、根據養殖場試驗數據和養殖專家經驗數據，構建以昨日平均水溫、昨日平均溶解氧為輸入，投餌次數為輸出的投餌次數模糊控制器；D、魚體稱重系統5獲得養殖魚類的平均體重，並連同水溫傳感器2和溶解氧傳感器3採集的數據傳輸到控制器模塊1；E、當時間過了零點，控制器模塊1調用存儲器4中的昨日水溫和溶解氧，求平均水溫和平均溶解氧，以此為輸入，調用投餌次數模糊控制器，輸出投餌次數，再通過投餌次數與投餌時刻對照表獲得當天投餌機6打開的時間；F、水溫傳感器2和溶解氧傳感器3每十分鐘採集一次數據，並將數據傳輸到控制器模塊1並存儲；當時間到達步驟E中得到的投餌時刻，控制器模塊1打開投餌機6；同時將此時的水溫和溶解氧作為輸入，調用投餌率模糊控制器，輸出本次投餌的投餌率；同時控制器模塊1啟動魚體稱重系統5，得到塘內魚體的平均體重；將投餌率乘以平均體重再乘以魚的數量，得到本次投餌的總量，將投餌總量除以投料機6的每秒投料量，得到投餌機6關閉的時間，當到達關閉時間，控制器模塊1自動關閉投料機6。步驟B中，投餌率模糊控制器的構建過程為，B1：輸入變量(水溫、溶解氧濃度)模糊化，通過論域與模糊子集將真實的確定量輸入轉換為一個模糊矢量，論域上的模糊子集由隸屬函數來表徵；B2：控制量(投餌率)的反模糊化，通過論域與模糊子集將模糊輸出量轉換為一個控制量，論域上的模糊子集由隸屬函數來表徵；B3：確定模糊條件語句，依據實驗數據結合專家經驗將輸入輸出變量組合成模糊條件語句；B4：將模糊規則庫中模糊向量的笛卡爾乘積做併集，得到模糊關係矩陣；B5：將傳感器數據輸入模糊控制器，輸出控制量投餌率。步驟C中，投餌次數模糊控制器的構建過程為，C1：輸入變量(平均水溫、平均溶解氧濃度)模糊化，通過論域與模糊子集將真實的確定量輸入轉換為一個模糊矢量，論域上的模糊子集由隸屬函數來表徵；C2：控制量(投餌次數)的反模糊化，通過論域與模糊子集將模糊輸出量轉換為一個控制量，論域上的模糊子集由隸屬函數來表徵；C3：確定模糊條件語句，依據實驗數據結合專家經驗將輸入輸出變量組合成模糊條件語句；C4：將模糊規則庫中模糊向量的笛卡爾乘積做併集，得到模糊關係矩陣；C5：水溫、溶解氧傳感器數據採集、傳輸至主機存儲，計算日平均水溫和平均溶解氧；C6：主機計算的平均水溫和平均溶解氧作為數據輸入模糊控制器，輸出控制量投餌次數。步驟D中，魚體稱重系統5獲得養殖魚類的平均體重的過程為，D1、輸入重量傳感器獲得的總重量G和均重參考值G0；D2、R＝G/I*G0，初始狀態下，I＝1；D3、若1＜R＜2，則轉向D4,；否則I增加1，轉向D2；D4、G』＝G/I；D5、輸出G』，作為本次投餵的魚體均重；D6、將本次計算得到的魚體均重作為下一次計算的均重參考值。實施例實驗用魚購自江蘇省揚州市國家良種場，挑選規格一致的實驗魚(體重為131.26±0.98g)放入水族箱(6尾/箱)，共20箱。水溫控制分為五檔(10℃、16℃、21℃、25℃、29℃)，溶解氧控制分為四擋(1.5mg/L、2.5mg/L、5.5mg/L、8mg/L)。實驗將投餌率分為六檔(1％、2％、3％、4％、5％、6％)，投餌率是每天的飼料投餵量與總魚重的比。實驗分6個周期，每個周期10天，分別以6種投餌率對20個實驗水族箱進行投喂，每五天稱重一次，調整投餌量。每個周期結束後計算各水族箱的餌料係數，餌料係數是指魚類單位體重增加量需要的餌料量，從而得到不同水體環境下餌料係數最小的投餌率，即最優投餌率。表1不同水質環境下的最優投餌率基於上述實驗結果設計模糊規則和模糊控制器，水溫(Temp)和溶解氧(DO)為輸入模糊變量，輸入變量值通過水溫傳感器和溶解氧傳感器實時採集並傳輸到主機的模糊控制器，模糊控制器中包含一系列與投餌率相關的模糊控制規則，投餌率K為輸出模糊變量。依據長期對團頭魴養殖場的監測可知水溫的論域範圍是[0,32]，根據實際養殖情況與專家經驗將水溫論域分為五個模糊子集，分別以T1、T2、T3、T4、T5作為五個模糊子集的模糊變量，其中T1和T5用梯形隸屬函數表示，T2、T3、T4用三角形隸屬函數表示(參見圖4)。表2水溫隸屬函數參數表NameTypeParamsT1Trapmf[001616]T2Trimf[151922]T3Trimf[202427]T4Trimf[242731]T5Trapmf[28313339]溶解氧的論域為[1.5,12]，根據實際養殖情況與專家經驗將溶解氧論域分為四個模糊子集，分別以O1、O2、O3、O4作為四個模糊子集的模糊變量，其中O1和O4用梯形隸屬函數表示，O2、O3用三角形隸屬函數表示(參見圖5)。表3溶解氧隸屬函數參數表NameTypeParamsO1Trapmf[002.52.5]O2Trimf[2.146.3]O3Trimf[4.579.5]O4Trapmf[7.291212]投餌率的論域為[0,0.05]，根據上述實驗結果與專家經驗將投餌率論域分為五個模糊子集，分別以K1、K2、K3、K4、K5作為五個模糊子集的模糊變量，其中K1和K5用梯形隸屬函數表示，K2、K3、K4用三角形隸屬函數表示(參見圖6)。表4投餌率隸屬函數參數表在試驗場的實驗結果基礎上結合專家經驗，形成了19條由「IF-THEN」型的條件語句構成的模糊規則。以第一條規則為例，規則含義為如果水溫處於T1(10～16℃)，且溶解氧處於O1(2.5～5.5mg/L)，則投餌率為K1(0.01)，即1％。基於模糊控制規則建立投餌率模糊控制狀態表，如表5所示。if(TempisT1)and(DOisO2)then(KisK1)if(TempisT1)and(DOisO3)then(KisK1)if(TempisT1)and(DOisO4)then(KisK1)if(TempisT2)and(DOisO1)then(KisK1)if(TempisT2)and(DOisO2)then(KisK3)if(TempisT2)and(DOisO3)then(KisK3)if(TempisT2)and(DOisO4)then(KisK3)if(TempisT3)and(DOisO1)then(KisK2if(TempisT3)and(DOisO2)then(KisK4)if(TempisT3)and(DOisO3)then(KisK4)if(TempisT3)and(DOisO4)then(KisK5)if(TempisT4)and(DOisO1)then(KisK2)if(TempisT4)and(DOisO2)then(KisK5)if(TempisT4)and(DOisO3)then(KisK5)if(TempisT4)and(DOisO4)then(KisK5)if(TempisT5)and(DOisO1)then(KisK2)if(TempisT5)and(DOisO2)then(KisK3)if(TempisT5)and(DOisO3)then(KisK4)if(TempisT5)and(DOisO4)then(KisK3)表5投餌率模糊控制狀態表根據養殖場實驗結果結合專家經驗，通過模糊控制規則構建的模糊控制器，其三維坐標圖如圖5所示，可以直觀地反映了水溫Temp、溶解氧DO對輸出變量投餌率在整個論域範圍的影響，其中，X軸表示水溫，Y軸為溶解氧，Z軸為投餌率。從而實現了通過輸入水溫和溶解氧對投餌率的智能控制。投餌次數模糊控制器的輸入為前一天的平均水溫和平均溶解氧濃度，水溫和溶解氧由水溫傳感器和溶解氧傳感器測量得到，並傳輸到主機存儲，主機計算得到前一天的平均水溫和平均溶解氧濃度作為模糊控制器的輸入，模糊控制器通過模糊運算輸出今日投餌次數。依據長期對團頭魴養殖場的監測可知日平均溶解氧的論域範圍是[1.5,8]，根據實際養殖情況與專家經驗將水溫論域分為三個模糊子集，分別以EO1、EO2、EO3作為三個模糊子集的模糊變量，其中EO1和EO3用梯形隸屬函數表示，EO2用三角形隸屬函數表示(參見圖8)。表6平均溶解氧隸屬函數參數表NameTypeParamsEO1Trapmf[002.52.5]EO2Trimf[246]EO3Trapmf[4.56.588]平均溫度的論域範圍是[10,29]，根據實際養殖情況與專家經驗將水溫論域分為五個模糊子集，分別以ET1、ET2、ET3、ET4、ET5作為模糊變量，其中ET1和ET5用梯形隸屬函數表示，ET2、ET3、ET4用三角形隸屬函數表示(參見圖9)。表7平均水溫隸屬函數參數表NameTypeParamsET1Trapmf[-781215]ET2Trimf[13.516.520]ET3Trimf[182124.5]ET4Trimf[222528]ET5Trapmf[25.5283030]依據養殖專家經驗，團頭魴投餌次數N的論域範圍為[0，4]，將投餌次數量化為4檔，投餌次數變量的模糊子集為{N1，N2，N3，N4}，各子集隸屬函數為三角形函數(參見圖10)。表8投餌次數隸屬函數參數表NameTypeParamsN1Trimf[012]N2Trimf[123]N3Trimf[234]N4Trimf[345]表9投餌次數模糊控制狀態表其中，投餌次數與投餌時刻的對應關係如下：N0表示不投餵；N1表示12:00投餵一次；N2表示10:00、14:00投餵；N3表示9:00、12:00、15:00投餵；N4表示8:30、11:00、14:30、17:00投喂。將投餌時刻固定是基於魚類進食馴化的考慮，使其能夠形成快速上食臺進食的習慣。小型採樣網箱放在投餵區水下30釐米，待投餌機打開5分鐘後，機械手臂自動將採樣網箱拉起，瀝水一分鐘後機械手臂上的重量傳感器獲得網箱內魚體總重量，傳感器將數據傳輸到主機存儲，並調用自動稱重模塊計算得到魚體平均體重。初始的均重參考值為魚下塘時的均重，後面每一次稱重時的均重參考值為上一次稱重的均重輸出值。當時間過了零點，控制器模塊調用存儲器中的昨日水溫和溶解氧，求平均水溫和平均溶解氧，以此為輸入，調用投餌次數模糊控制器，輸出投餌次數，再通過投餌次數與投餌時刻對照表獲得當天投餌機打開的時間。水溫傳感器和溶解氧傳感器每十分鐘採集一次數據，並通過485通信將數據傳輸到控制器並存儲。當時間到達步驟一中得到的投餌時刻，控制器模塊打開投餌機；同時將此時的水溫和溶解氧作為輸入，調用投餌率模糊控制器，輸出本次投餌的投餌率；同時控制器啟動重量採集模塊，通過帶重量傳感器的機械手自動稱重得到塘內魚體的平均體重；將投餌率乘以平均體重再乘以魚的數量，得到本次投餌的總量，將總量除以投料機的每秒投料量，得到投餌機關閉的時間。當到達關閉時間，控制器模塊自動關閉投料機。在本發明的描述中，需要理解的是，術語「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。當前第1頁1 2 3