海水养殖水温三维传热模型与控制算法的研究

论文摘要

随着我国经济、技术的发展,能源越来越紧缺,提高能源利用率对我国经济的持续发展具有重要意义。本文针对我国水产养殖急需应用自动化技术的现状,分析和研究了养殖池传热理论与控制算法,建立了水温控制系统,该系统能实现对水温的控制,同时对于节约能源、保护环境起到了积极的作用。本文首先用传热学的基本原理对养殖池水温加热系统的传热过程进行了全面分析和研究,对模型进行简化假设,分析了边界条件,并建立了传热数学模型,采用ANSYS仿真软件进行了模拟与仿真,并就养殖池内的温度场和速度场分布以及影响因素进行了分析。为人们从本质上认识该加热系统的基本规律以及换热管道的设计提供了必要的理论基础。通过对国内外水产养殖环境监控研究现状的分析,结合水温控制原理与实现过程,并根据温度场的分析指导传感器的布置,提出了本课题的整体设计方案,确立了以温度为监控系统的主要监控对象。在控制算法的选择上由于被控对象具有大滞后、非线性的特点,无法建立精确的数学模型,利用常规控制方法难以达到满意的控制效果,而模糊控制作为智能控制领域的重要分支,特别适合处理模型不确定的系统,且具有设计简单、鲁棒性强的优点。因此本文结合智能控制模糊控制与PID控制的优点,采用模糊PID控制算法,克服了系统大惯性、时滞等的影响,并且利用MATLAB工具对控制算法进行辅助设计,利用SIMULINK工具完成了模糊控制器的计算机仿真建模,绘制出本控制器的阶跃响应曲线,取得了良好的控制效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 养殖池水温控制的背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究内容
• 第2章 养殖池水温度场的分析及传热模型的建立
• 2.1 养殖池水温加热系统的数学模型
• 2.2 养殖池水温传热系统分析
• 2.2.1 自然对流
• 2.2.2 自然对流换热系数的求解
• 2.3 传热模型的建立
• 2.3.1 实际模型的简化
• 2.3.2 养殖池水温加热系统传热过程的研究
• 2.4 养殖池水温加热系统的性能分析
• 2.4.1 连续性加热的性能分析
• 2.4.2 间断性加热的性能分析
• 第3章 养殖池水温度场的仿真
• 3.1 有限元软件ANSYS简介
• 3.1.1 ANSYS软件分析模块及应用
• 3.1.2 ANSYS软件应用的技术特点
• 3.2 FLOTRAN CFD流场分析
• 3.3 养殖池水流动和传热的模型分析
• 3.4 养殖池二维模型温度场分析
• 3.4.1 换热蒸汽对养殖池水温度分布的影响
• 3.4.2 换热管间距对养殖池水温度分布的影响
• 3.4.3 换热管高度对养殖池水温度分布的影响
• 3.4.4 结论
• 3.5 养殖池三维模型温度场分析
• 第4章 控制系统的总体设计方案
• 4.1 水温控制原理与实现过程
• 4.1.1 水温控制的原理
• 4.1.2 水温控制的实现过程
• 4.2 系统硬件结构
• 4.3 温度传感器的应用
• 4.3.1 温度传感器DS18B20的选择
• 4.3.2 传感器的布置
• 4.4 电磁阀的工作原理
• 第5章 控制算法的研究
• 5.1 常规PID控制算法
• 5.2 模糊控制
• 5.2.1 模糊化
• 5.2.2 模糊推理
• 5.2.3 知识库
• 5.2.4 解模糊化
• 5.3 模糊自整定PID参数控制器
• 5.3.1 模糊PID控制器的结构
• 5.3.2 参数的整定
• 5.4 水温模糊PID控制器的设计
• 5.4.1 输入输出量的确定
• 5.4.2 模糊控制规则的建立
• 5.4.3 模糊推理与解模糊化
• 5.5 系统的仿真研究与分析
• 5.5.1 仿真软件Matlab简介
• 5.5.2 模糊控制系统的建立
• 5.5.3 控制算法的仿真及比较
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢