基于模糊邏輯控制的魚(yú)塘養(yǎng)殖精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙思琪，丁為民，張建凱

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院/江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210031）

水產(chǎn)養(yǎng)殖是世界范圍的重要經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，不僅為人們帶來(lái)就業(yè)、收入和高質(zhì)量動(dòng)物蛋白，同時(shí)為確保世界糧食安全做出重要貢獻(xiàn)。隨著高密度大規(guī)模養(yǎng)殖模式的發(fā)展，配方飼料已成為養(yǎng)殖過(guò)程中最主要的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源和成本開(kāi)支，約占總養(yǎng)殖成本的65%以上[1-2]。然而目前魚(yú)塘投飼模式仍以傳統(tǒng)粗放式的作業(yè)形式為主，所帶來(lái)的生產(chǎn)效率低、環(huán)境壓力大和養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)高的問(wèn)題日益嚴(yán)重，設(shè)施、裝備和技術(shù)的不配套嚴(yán)重制約國(guó)內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展[3-4]。因此，開(kāi)發(fā)一種實(shí)用、高效、低成本的魚(yú)塘水產(chǎn)養(yǎng)殖精準(zhǔn)投喂系統(tǒng)，對(duì)提高我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)備自動(dòng)化、智能化水平，促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖效益和環(huán)境效益的可持續(xù)發(fā)展均具有重要意義。

近年來(lái)，隨著對(duì)魚(yú)類(lèi)生理學(xué)、行為學(xué)的認(rèn)識(shí)不斷加深，以及自動(dòng)化和智能化技術(shù)的發(fā)展，研制可根據(jù)魚(yú)的實(shí)際攝食需求提供合適飼料量的自動(dòng)投飼系統(tǒng)已成為重要的研究方向。國(guó)外較早開(kāi)展有關(guān)精準(zhǔn)投飼的研究與應(yīng)用[5-8]，通過(guò)監(jiān)測(cè)殘餌量、攝食行為、水質(zhì)參數(shù)等來(lái)確定和調(diào)整餌料供給量，并已在商業(yè)農(nóng)場(chǎng)或室內(nèi)循環(huán)水養(yǎng)殖中得到一定應(yīng)用[9-10]。國(guó)內(nèi)在這一方面研究較晚，目前主要集中在投飼設(shè)備設(shè)計(jì)改進(jìn)[11-12]、魚(yú)類(lèi)攝食節(jié)律分析[13]、監(jiān)測(cè)設(shè)備開(kāi)發(fā)[14]等方面的研究，而對(duì)智能化、集成化的精準(zhǔn)投飼技術(shù)研究較少。因魚(yú)塘養(yǎng)殖系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、開(kāi)放式的系統(tǒng)，影響?hù)~(yú)類(lèi)攝食的因素很多，已有研究表明水質(zhì)參數(shù)中溶解氧飽和度和溫度是影響?hù)~(yú)類(lèi)攝食效率和同化作用的關(guān)鍵因素[3,6,8]，該研究結(jié)果為精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

魚(yú)塘養(yǎng)殖系統(tǒng)作為一種非線性的生物系統(tǒng)，難以建立有效、精確的投飼控制數(shù)學(xué)模型，而模糊邏輯推理技術(shù)作為一種適用于非線性、時(shí)變和滯后系統(tǒng)的控制，以規(guī)則推理為核心，具有工作穩(wěn)定、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)[15-16]，適合解決復(fù)雜水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的非線性投飼控制問(wèn)題，該技術(shù)為精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。因此，本文針對(duì)我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖投飼模式粗放，投飼設(shè)備自動(dòng)化、智能化水平低的現(xiàn)狀，以池塘草魚(yú)養(yǎng)殖為研究對(duì)象，遵循精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和動(dòng)物福利養(yǎng)殖的原則，結(jié)合模糊邏輯推理技術(shù)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種基于模糊邏輯控制的魚(yú)塘養(yǎng)殖精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先利用水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊獲取投飼區(qū)養(yǎng)殖水體溫度和溶解氧飽和度參數(shù)，通過(guò)串口模塊將該數(shù)據(jù)傳輸至控制器，依托模糊邏輯推理決策模型計(jì)算出目標(biāo)投飼量，控制器根據(jù)決策信息通過(guò)模塊子程序驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)調(diào)控供料開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)投料量的調(diào)節(jié)，最終達(dá)到精準(zhǔn)按需投飼。同時(shí)，設(shè)計(jì)室內(nèi)性能試驗(yàn)和池塘對(duì)比試驗(yàn)來(lái)分析與驗(yàn)證精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)的控制性能、決策性能和作業(yè)效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

為實(shí)現(xiàn)魚(yú)塘養(yǎng)殖投飼精準(zhǔn)化管理，結(jié)合模糊邏輯控制技術(shù)構(gòu)建魚(yú)塘養(yǎng)殖精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)，主要包括溶解氧溫度集成傳感器、A/D采樣模塊、核心控制器、驅(qū)動(dòng)模塊、PC機(jī)、供料調(diào)節(jié)組件、傾角測(cè)量模塊、葉輪增氧模塊、拋料裝置等部件組成（圖1）。

圖1 精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure diagram of precision feeding system

精準(zhǔn)投喂系統(tǒng)工作原理如下：首先，通過(guò)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取投飼區(qū)水體當(dāng)前溶解氧飽和度（DO）和溫度（T）信息，將獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)串行接口經(jīng)有線串口模塊傳輸至核心控制器（G8F927型單片機(jī)）。接著，核心控制器運(yùn)行精準(zhǔn)投喂決策系統(tǒng)，執(zhí)行精準(zhǔn)投喂控制程序，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投喂作業(yè)信息（目標(biāo)投喂量、開(kāi)度角、投喂時(shí)間等）采集、顯示和儲(chǔ)存，同時(shí)決策系統(tǒng)根據(jù)決策模型計(jì)算生成目標(biāo)投喂量，并將決策信息通過(guò)串口模塊輸送給控制器，控制器通過(guò)RS232串口驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)在線調(diào)整投飼機(jī)供料斗開(kāi)度，調(diào)節(jié)飼料流量，傾角傳感器安裝在供料斗底部實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供料開(kāi)度，并將信息反饋至控制器，判斷是否符合調(diào)控要求，如未符合則繼續(xù)調(diào)整開(kāi)度，形成閉環(huán)反饋控制，達(dá)到精準(zhǔn)投喂的目標(biāo)。然后增氧模塊和拋料裝置同時(shí)開(kāi)啟，進(jìn)行投喂作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 供料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

供料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作為精準(zhǔn)投飼的關(guān)鍵部件之一，其主要由步進(jìn)電機(jī)、齒輪齒條結(jié)構(gòu)、料斗、振動(dòng)電機(jī)、凸輪機(jī)構(gòu)、傾角傳感器等零部件構(gòu)成（圖2）。根據(jù)控制器決策的目標(biāo)投飼量信息，由驅(qū)動(dòng)模塊使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以驅(qū)動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)料斗開(kāi)度角（β），從而控制供料口下料速度，調(diào)節(jié)投料量。為減少裝料次數(shù)，設(shè)計(jì)料箱容量500 kg斗式料箱；同時(shí)，為防止餌料堵塞，提高飼料顆粒流動(dòng)性，選擇振動(dòng)式供料方式。振動(dòng)電機(jī)選擇YDK-60-4型單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)，輸入電壓220 V，額定功率16 W，額定轉(zhuǎn)速1 480 r/min，額定轉(zhuǎn)矩3 N·m，帶動(dòng)小型凸輪機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)連接滑桿帶動(dòng)料斗振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)下料工作。57HBP76AL4型步進(jìn)電機(jī)，額定電流3 A，靜轉(zhuǎn)矩1.5 N·m，步距角1.8°，與齒輪齒條結(jié)構(gòu)相連，通過(guò)正反旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)料斗開(kāi)度角。ZCT1XXJNPS-A型單軸傾角傳感器，量程0°～90°，精度為0.1°，4～20 mA模擬電流輸出，用于監(jiān)測(cè)開(kāi)度角，反饋至核心控制器，防止過(guò)量調(diào)節(jié)。

圖2 供料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure diagram of feed quantity regulating mechanism

根據(jù)供料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作原理，可將其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，建立坐標(biāo)系（圖3）。圖中l(wèi)為偏心距（200 mm），h為齒條滑塊行程（mm），β為料斗開(kāi)度角（°）。由運(yùn)動(dòng)分析圖可知，齒條滑動(dòng)行程（h）為：

所需步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)數(shù)（n1）滿足：

式中：λ為步距角；d為驅(qū)動(dòng)齒輪分度圓直徑。

2.2 監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3 供料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of feed quantity regulating mechanism

2.2.1 溶解氧溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)根據(jù)集成傳感器采集的魚(yú)塘投飼區(qū)溶解氧飽和度和水溫信息進(jìn)行投料決策。溶解氧溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由3個(gè)溶解氧溫度集成傳感器、1個(gè)信號(hào)協(xié)調(diào)器、傳感器信號(hào)調(diào)理電路模塊、16位A/D（型號(hào)：AD7705)采樣電路模塊和處理器模塊組成，以完成信號(hào)的采集、傳輸和處理。3個(gè)傳感器相互間隔120°均布在以投飼機(jī)為中心的16 m圓周上（實(shí)測(cè)投飼機(jī)作業(yè)半徑為22 m），安置在水下深度0.5 m[17]，以保證測(cè)量結(jié)果可以準(zhǔn)確反應(yīng)投飼區(qū)溶解氧和溫度信息，同時(shí)減少外界環(huán)境干擾。溶解氧溫度集成傳感器選為丹麥歐式卡OxyGuard，測(cè)量溶解氧濃度范圍為0～20 mg/L，溶解氧飽和度范圍0～200%，溫度范圍-5～+45 ℃，響應(yīng)時(shí)間＜20 s，輸出電壓信號(hào)0～30 mV。因水體溶解氧和溫度變化存在較大慣性系數(shù)，故選擇投飼開(kāi)始前3分鐘內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)樣本數(shù)據(jù)均值作為系統(tǒng)輸入量，采樣頻率設(shè)定為0.05 Hz。

2.2.2 精準(zhǔn)投飼控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 精準(zhǔn)投飼控制系統(tǒng)是精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)的核心部分，主要完成傳感器信息采集、傳輸和處理，投飼相關(guān)作業(yè)參數(shù)的顯示和保存等工作。控制系統(tǒng)硬件組成，主要包括傳感器模塊、A/D采樣模塊、核心控制器模塊、電源模塊、驅(qū)動(dòng)器模塊、通訊模塊和人機(jī)交互模塊等（圖4）。傳感器模塊主要包括水質(zhì)傳感器和傾角傳感器兩個(gè)部分，水質(zhì)傳感器用以監(jiān)測(cè)獲取投飼區(qū)水體當(dāng)前溶解氧飽和度和溫度信息；傾角傳感器用以監(jiān)測(cè)供料開(kāi)度信息，并通過(guò)有線串口模塊將數(shù)據(jù)輸送至控制器。核心控制器選用G8F927型單片機(jī)作為主控制芯片，用于接受通過(guò)串行接口傳輸?shù)乃|(zhì)參數(shù)信息、開(kāi)度信息并進(jìn)行解析決策，完成對(duì)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等的控制以及各傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和處理。用戶(hù)可以通過(guò)RS232通訊模塊對(duì)投飼作業(yè)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行讀取和訪問(wèn)。電源模塊選用MS—100—24型24 V獨(dú)立電源為驅(qū)動(dòng)模塊、傾角傳感器模塊獨(dú)立供電；人機(jī)交互模塊選用Windows 7操作系統(tǒng)Thinkpad E570主機(jī)，使用者可以清晰、直觀的了解當(dāng)前作業(yè)信息、水質(zhì)信息，并可通過(guò)按鍵向控制器發(fā)送指令、參數(shù)設(shè)置、查詢(xún)歷史記錄等操作。同時(shí)，設(shè)置GSM/GPRS無(wú)限通訊模塊，選用華為MG323—BGSM LCC系列，用戶(hù)可以遠(yuǎn)程查詢(xún)、接受控制器相關(guān)作業(yè)信息和設(shè)置參數(shù)，同時(shí)可及時(shí)接受停電、機(jī)器故障等突發(fā)報(bào)警信息。

圖4 精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)控制框圖Fig. 4 Block diagram of control system for precise feeding

2.2.3 精準(zhǔn)投飼控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)采用C語(yǔ)言在keil4開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編寫(xiě)、調(diào)試，由主程序調(diào)用相應(yīng)功能的模塊子程序通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)整個(gè)精準(zhǔn)投飼過(guò)程（圖5）。投飼系統(tǒng)啟動(dòng)后，溶解氧溫度監(jiān)測(cè)子程序被調(diào)用獲取當(dāng)前投飼區(qū)水質(zhì)參數(shù)信息，根據(jù)決策模型確定所需目標(biāo)投飼量，主程序根據(jù)所需目標(biāo)投飼量調(diào)用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊子程序，控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)供料開(kāi)度，開(kāi)度調(diào)節(jié)判斷模塊根據(jù)反饋的開(kāi)度信息，判斷是否達(dá)到調(diào)節(jié)要求，若未符合則繼續(xù)調(diào)整開(kāi)度。開(kāi)度調(diào)節(jié)完成，投飼模塊和增氧模塊同時(shí)啟動(dòng)，當(dāng)前水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)、供料開(kāi)度、目標(biāo)投飼量等信息儲(chǔ)存至單片機(jī)內(nèi)并在人機(jī)交互界面顯示；投飼量判斷模塊通過(guò)測(cè)重法監(jiān)測(cè)是否完成目標(biāo)投飼量，如未達(dá)到目標(biāo)投飼量則繼續(xù)投飼和增氧工序。

2.3 控制策略

圖5 精準(zhǔn)投飼控制系統(tǒng)流程圖Fig. 5 Flowchart of precise feeding control system

2.3.1 投飼決策輸出 精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)的最終控制輸出量為目標(biāo)所需飼料量，而精準(zhǔn)投飼的關(guān)鍵在于對(duì)供料開(kāi)度的有效調(diào)節(jié)。如系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖1所示，被控對(duì)象有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、齒輪齒條和供料斗。其決策控制系統(tǒng)主要由模糊推理決策模塊和開(kāi)度調(diào)節(jié)模塊兩個(gè)部分組成，分別包含一個(gè)模糊推理器和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PID控制器。首先將前端水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸出DO和T作為模糊推理器的語(yǔ)言輸入變量，目標(biāo)投飼率（FP）作為語(yǔ)言輸出變量，系統(tǒng)根據(jù)制定的“IF-THEN”型模糊控制規(guī)則（表1）進(jìn)行模糊決策輸出。規(guī)則庫(kù)的制定依據(jù)以相關(guān)專(zhuān)家對(duì)草魚(yú)及其他淡水魚(yú)類(lèi)的養(yǎng)殖研究數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[5,18-27]，隸屬度函數(shù)選擇為三角分布函數(shù)，各變量隸屬度函數(shù)分布如圖6所示。輸入、輸出變量對(duì)應(yīng)關(guān)系曲面圖（圖7）。然后由前端模糊推理器輸出量，結(jié)合實(shí)際載魚(yú)量和投飼時(shí)長(zhǎng)等信息生成精準(zhǔn)投飼機(jī)供料開(kāi)度控制量序列，將序列中的投飼機(jī)開(kāi)度控制量轉(zhuǎn)換為齒條滑塊行程（h）作為開(kāi)度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中PID調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)（hin），Ut作為經(jīng)PID調(diào)節(jié)器輸出的開(kāi)度控制量，hout為齒條滑塊實(shí)時(shí)的行程。經(jīng)傾角傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供料斗開(kāi)度角信息，將其轉(zhuǎn)化為齒條滑塊行程信息輸入至開(kāi)度控制子系統(tǒng)，與前端模糊推理器輸出的目標(biāo)控制行程結(jié)合經(jīng)PID調(diào)控輸出適當(dāng)控制量來(lái)調(diào)整供料斗開(kāi)度角，以達(dá)到對(duì)目標(biāo)投飼量的有效控制。草魚(yú)生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型采用改進(jìn)的熱積溫系數(shù)模型[28-29]，其中理論目標(biāo)投飼量（Mt）計(jì)算方法為：

表1 模糊推理器控制規(guī)則表Table 1 Rules table of output variables for fuzzy controller

圖6 輸入變量和輸出變量隸屬度函數(shù)Fig. 6 Membership functions of input variables and out variables

式中：Mt為目標(biāo)投飼量（g）；ft為目標(biāo)投飼率（%）；n為魚(yú)總數(shù)量；mi為第i天魚(yú)平均體質(zhì)量（g/條）；mo為魚(yú)平均初始質(zhì)量（g/條）；（1-b）為草魚(yú)體質(zhì)量系數(shù)；TGC為熱積溫系數(shù)；Ti為第i天水溫平均值（℃）；k為總養(yǎng)殖天數(shù)。

圖7 輸入、輸出變量對(duì)應(yīng)關(guān)系曲面圖Fig. 7 Input-output variable relation surface graph

2.3.2 精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)控制仿真 在MATLAB R2014a /Simulink中構(gòu)建精準(zhǔn)投飼控制系統(tǒng)仿真模型（圖8）。投飼機(jī)構(gòu)開(kāi)度調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖2和圖3所示，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸通過(guò)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條模塊帶動(dòng)供料斗圍繞定點(diǎn)上下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)供料開(kāi)度的調(diào)節(jié)，因此實(shí)際工作只需有效調(diào)節(jié)齒條滑塊行程就可以達(dá)到調(diào)節(jié)供料開(kāi)度和目標(biāo)投飼量的目標(biāo)，其中齒條滑塊行程（h）與開(kāi)度角（β）相關(guān)關(guān)系為：

假設(shè)初始狀態(tài)為零，則步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速（z）[30]為：

式中：k1為轉(zhuǎn)化系數(shù)；Ur為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電壓（V）。

可建立齒條滑塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型為：

式中：t為步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)間（s）；L為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周所對(duì)應(yīng)齒條行程（mm），為94.2 mm。實(shí)際工作中驅(qū)動(dòng)模塊電壓（Ur）為24 V。

對(duì)公式（10）積分得：

式中：t0為步進(jìn)電機(jī)延時(shí)，由電磁慣性和機(jī)械慣性決定。

對(duì)公式（11）進(jìn)行拉氏變換可得開(kāi)度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

經(jīng)實(shí)際測(cè)量，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器控制電壓為24 V時(shí)，步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為14.1 r/min，電動(dòng)機(jī)延時(shí)為0.01s。則由公式（11）和公式（12）得系統(tǒng)實(shí)際開(kāi)度控制傳遞函數(shù)為：

圖8 精準(zhǔn)投飼控制系統(tǒng)仿真圖Fig. 8 Simulation diagram of precise feeding control system

如圖8所示，給定初始溫度和溶解氧飽和度信號(hào)分別為20 ℃和70%，其中在第40 s給定溫度階躍信號(hào)為27 ℃和在第80 s給定溶解氧飽和度階躍信號(hào)為50%，仿真最終輸出信號(hào)為開(kāi)度信息。開(kāi)度控制仿真曲線如圖9所示，經(jīng)過(guò)整定的PID控制具有良好的開(kāi)度控制性能，開(kāi)度調(diào)節(jié)最大超調(diào)量為1.07%，穩(wěn)態(tài)誤差為1.01%，抗干擾性較強(qiáng)，可以滿足精準(zhǔn)投飼的作業(yè)需求。

圖9 開(kāi)度控制仿真曲線Fig. 9 Simulation curve of opening control

3 性能試驗(yàn)方法

3.1 供料系統(tǒng)供料量標(biāo)定試驗(yàn)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)投喂量的精準(zhǔn)調(diào)控，需對(duì)供料斗不同開(kāi)度角情況下供料量進(jìn)行標(biāo)定。因本精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)研究主要針對(duì)魚(yú)塘淡水養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)，在此選擇安佑生物科技集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的3 mm柱形沉性顆粒魚(yú)用飼料，含水率12.5%，進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。首先將料斗開(kāi)度角設(shè)為 2°、4°、6°、8°、10°、12°、14°、16°等8個(gè)均分等級(jí)，標(biāo)定時(shí)，料斗口放置塑料小盆，控制器設(shè)定供料時(shí)間為1分鐘，每個(gè)開(kāi)度角下重復(fù)3次試驗(yàn)，排量通過(guò)稱(chēng)取盆中飼料質(zhì)量得到，3次試驗(yàn)結(jié)果平均值作為對(duì)應(yīng)開(kāi)度角供料速度。

3.2 精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)控制性能試驗(yàn)

試驗(yàn)于2018年3月20日在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院智能化農(nóng)業(yè)裝備實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，用于測(cè)試精準(zhǔn)投飼控制系統(tǒng)的調(diào)控精度。將溶解氧溫度集成傳感器和充氧泵放置在恒溫水浴箱內(nèi)（150×150×300 mm），用以監(jiān)測(cè)和模擬調(diào)控水質(zhì)環(huán)境參數(shù)。充氧泵選擇為AQ908A雙孔型，額定電壓220 V，氣量8 L/min。恒溫水浴箱選擇為力辰科技生產(chǎn)的HH-1型，加熱功率300 W，調(diào)控范圍為室溫～100 ℃。試驗(yàn)時(shí)，用恒溫水浴箱和充氧泵調(diào)整水體溫度和溶解氧飽和度至試驗(yàn)設(shè)定值，同時(shí)控制器內(nèi)部參數(shù)設(shè)置投飼時(shí)長(zhǎng)為60分鐘，池塘養(yǎng)殖總魚(yú)質(zhì)量為20 t，然后經(jīng)供料決策模塊計(jì)算出相應(yīng)的目標(biāo)所需供料速度（kg/min），并由控制器控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條運(yùn)動(dòng)以調(diào)節(jié)供料開(kāi)度。設(shè)定每次供料定時(shí)為1分鐘，每種情況重復(fù)測(cè)量3次，供料量用塑料小盆在料斗出料口處獲取并稱(chēng)重。

3.3 魚(yú)塘作業(yè)性能對(duì)比試驗(yàn)

為評(píng)價(jià)精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)的魚(yú)塘作業(yè)性能，于2018年6月15日至2018年9月1日于南京市六合區(qū)長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)與傳統(tǒng)投飼模式進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究。選擇兩口毗鄰且規(guī)格一致（面積1.4 hm2，水深2～2.2 m）的草魚(yú)養(yǎng)殖魚(yú)塘，各塘為1萬(wàn)條草魚(yú)量，每條草魚(yú)平均初始質(zhì)量為570.5 g。投飼機(jī)為STFZ-3000型氣動(dòng)式投飼機(jī)（金湖小青青機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)），在兩塘投飼區(qū)中央均配置2.2 kW葉輪式增氧模塊。每日投飼3次，為8:00—9:00 AM，12:30—13:30 PM，16:30—17:30 PM，同時(shí)記錄兩種投飼模式每次投飼量。投喂飼料選擇與室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)一致的3 mm柱形顆粒魚(yú)用飼料（安佑生物科技集團(tuán)有限公司）。同時(shí)，為保證試驗(yàn)條件一致性，除投飼工序外，各塘日常管理措施保持一致。

在投飼區(qū)設(shè)置葉輪增氧模塊主要是為了促進(jìn)投飼過(guò)程投飼區(qū)水體溶解氧飽和度穩(wěn)定，消除因溶解氧飽和度降低而對(duì)魚(yú)攝食效率及強(qiáng)度的影響。為研究精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)葉輪增氧模塊穩(wěn)氧效果，以溶解氧飽和度穩(wěn)定性變異系數(shù)（CV）為評(píng)價(jià)指標(biāo)，依托水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)投飼過(guò)程投飼區(qū)溶解氧飽和度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)定總投飼時(shí)長(zhǎng)為60分鐘，從投飼開(kāi)始每隔1分鐘監(jiān)測(cè)保存1次當(dāng)前水體溶解氧飽和度值，計(jì)算每次投飼過(guò)程內(nèi)投飼區(qū)溶解氧飽和度變異系數(shù)。

3.4 投飼決策性能檢驗(yàn)

為評(píng)價(jià)傳統(tǒng)投飼模式和精準(zhǔn)投飼模式對(duì)投飼決策性能的影響，采用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)（NS）和均方根誤差（RMSE）對(duì)不同投喂系統(tǒng)的決策性能進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算方法為：

式中：Qi為理論投飼量（kg）；Pi為實(shí)際投飼量（kg）；Qj為理論投飼量平均值（kg）；q為測(cè)試樣本量。NS越接近1和RMSE越接近0表示系統(tǒng)投飼決策性能越好。

3.5 魚(yú)生長(zhǎng)取樣分析與參數(shù)計(jì)算方法

試驗(yàn)起始和結(jié)束分別從試驗(yàn)塘和對(duì)比塘中各隨機(jī)捕取90條魚(yú)，測(cè)量平均每條魚(yú)起始體質(zhì)量（W0）和平均每條魚(yú)最終體質(zhì)量（Wt）。同時(shí)，試驗(yàn)期間對(duì)各個(gè)塘口總投飼量（F）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。為對(duì)不同投飼系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期的性能評(píng)價(jià)，以魚(yú)生長(zhǎng)率（FGR）、特定生長(zhǎng)率（SGR）和餌料系數(shù)（FCR）為指標(biāo)，從對(duì)魚(yú)攝食生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響進(jìn)行對(duì)比研究，計(jì)算方法為：

式中：Wt為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)每條魚(yú)平均體質(zhì)量（g）；W0為試驗(yàn)初始每條魚(yú)平均體質(zhì)量（g）；t1為總養(yǎng)殖時(shí)間（天）；F為總飼料消耗量（g）。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 供料系統(tǒng)供料量標(biāo)定結(jié)果

不同開(kāi)度角（β）和供料速度（v）相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖10，可得開(kāi)度角與供料速度具有較強(qiáng)線性關(guān)系，R2為 0.9864。

圖10 供料速度與開(kāi)度角關(guān)系Fig. 10 Relationship between feeding speed and opening angle

4.2 精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)控制性能分析

從精準(zhǔn)投飼控制系統(tǒng)性能試驗(yàn)結(jié)果可知，系統(tǒng)最大控制誤差為7.87%，最小控制誤差為5.04%，平均控制誤差為6.41%（表2），控制精度達(dá)90%以上，系統(tǒng)控制性能良好，可以滿足精準(zhǔn)投飼作業(yè)的調(diào)控需求。

4.3 投飼區(qū)溶解氧飽和度穩(wěn)定性分析

從投飼區(qū)溶解氧飽和度穩(wěn)定性變異系數(shù)測(cè)量結(jié)果來(lái)看（圖11），變異系數(shù)最高值為6.85%，最低值為2.11%，平均值為4.37%，系統(tǒng)葉輪增氧模塊穩(wěn)氧效果良好，可以滿足投飼過(guò)程投水體穩(wěn)氧需求，以保證投飼過(guò)程魚(yú)群攝食強(qiáng)度不受溶解氧飽和度變化的影響。這主要因?yàn)槿~輪增氧機(jī)具有良好的應(yīng)急增氧效果，通過(guò)提水、攪拌和曝氣，有效促進(jìn)上下水層以及周?chē)畬咏惶妫瑥亩偈雇讹晠^(qū)水體溶解氧飽和度穩(wěn)定。

表2 精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果Table 2 Measuring results of precision feeding system

圖11 溶解氧飽和度穩(wěn)定性變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig. 11 Variation coefficient of dissolved oxygen saturability

4.4 投飼決策性能對(duì)比分析

精準(zhǔn)投飼模式的投飼決策性能優(yōu)于傳統(tǒng)投飼模式，其中NS值由-0.772提高至0.903，RMSE同比降低19.671（圖12）。主要因?yàn)榫珳?zhǔn)投飼系統(tǒng)考慮水質(zhì)參數(shù)（溶解氧飽和度和溫度）對(duì)魚(yú)攝食及同化作用的影響，可以根據(jù)水質(zhì)參數(shù)及時(shí)的對(duì)投飼量做出調(diào)整，以滿足魚(yú)群攝食需求。傳統(tǒng)模式投飼時(shí)，主要以經(jīng)驗(yàn)式的投飼表或攝食行為觀察為依據(jù)，僅考慮魚(yú)體重和生長(zhǎng)期，對(duì)投飼量做出定期調(diào)整，而忽略水質(zhì)參數(shù)對(duì)魚(yú)攝食的影響，往往高估魚(yú)群的攝食需求。

4.5 魚(yú)生長(zhǎng)參數(shù)對(duì)比分析

兩種投飼系統(tǒng)下草魚(yú)生長(zhǎng)性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)與傳統(tǒng)投飼系統(tǒng)相比，魚(yú)最終體質(zhì)量、魚(yú)生長(zhǎng)率和特定生長(zhǎng)率均有一定提高（表3），但不存在顯著性差異（P＞0.05），表明精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)不僅不影響?hù)~(yú)類(lèi)攝食生長(zhǎng)和產(chǎn)量，而且還一定程度優(yōu)化其生長(zhǎng)參數(shù)。此外，精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)餌料系數(shù)相比傳統(tǒng)投飼模式，存在顯著差異性（P＜0.05），由平均1.95降低至1.77，降低約9.23%，表明所構(gòu)建精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)在不影響?hù)~(yú)類(lèi)生長(zhǎng)和產(chǎn)量的情況下，有效提高了魚(yú)類(lèi)攝食效率和飼料利用率，降低餌料系數(shù)，節(jié)約飼料成本，達(dá)到精準(zhǔn)按需投飼的目的。主要原因傳統(tǒng)投飼模式僅考慮魚(yú)體重和生長(zhǎng)期對(duì)投飼量的影響，往往高估魚(yú)群的攝食需求，造成大量飼料浪費(fèi)沉入水底，不僅造成經(jīng)濟(jì)損失提高餌料系數(shù)，而且殘料分解產(chǎn)生一定有毒物質(zhì)引起水體污染，從而一定程度影響?hù)~(yú)生長(zhǎng)。研究結(jié)果中魚(yú)生產(chǎn)參數(shù)不存在顯著性差異，主要是因?yàn)轲B(yǎng)殖過(guò)程中漁民對(duì)兩個(gè)試驗(yàn)塘水質(zhì)進(jìn)行定期的生物、化學(xué)調(diào)節(jié)，確保水質(zhì)參數(shù)維持在草魚(yú)適應(yīng)范圍之內(nèi)，同時(shí)該結(jié)果證明了精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)作業(yè)的可靠性。

圖12 不同投飼模式下投飼量理論值和實(shí)際值Fig. 12 Theoretical and prediction of feed amount in different feeding pattern

表3 不同投飼模式性能評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 3 Performance evaluation index of different feeding model

5 結(jié)論

本文探索魚(yú)塘水產(chǎn)養(yǎng)殖投飼技術(shù)的新方式，設(shè)計(jì)了一種適合大面積池塘養(yǎng)殖環(huán)境的精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)。相比較傳統(tǒng)的投飼模式，有更好的投飼決策及控制性能，在不影響?hù)~(yú)類(lèi)生長(zhǎng)和產(chǎn)量的前提下，餌料系數(shù)有效降低了9.23%。提高了餌料利用率，降低養(yǎng)殖成本，達(dá)到按需投飼的目的。

通過(guò)監(jiān)測(cè)魚(yú)塘水質(zhì)環(huán)境參數(shù)，應(yīng)用模糊邏輯推理理論，從魚(yú)攝食需求強(qiáng)度角度出發(fā)，探討基于模糊邏輯控制的魚(yú)塘養(yǎng)殖精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和方法，為研制較好性能的智能化投飼設(shè)備和控制系統(tǒng)提供參考。水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、投飼決策的科學(xué)性和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)精準(zhǔn)投飼作業(yè)的效果影響很大，為促進(jìn)系統(tǒng)的精確投飼性能，需進(jìn)一步優(yōu)化投飼策略和控制系統(tǒng)以提高系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。