在我国的渔业水质标准中，适合鱼类养殖生长的pH在6.5～8.5，最佳生长环境的pH在7～8．5。对于不同种类的鱼，最佳生长环境的水体pH略有不同，同一种鱼在不同的生长阶段所需要的pH也不尽相同。因此，把养殖水体维持在所需的pH范围对于鱼类的生长有相当重要的意义。循环水养殖系统(RAS)是一个几乎全封闭的系统，相对于池塘养殖，更容易提供一个pH稳定的生长环境。
pH自动调节技术已经发展了一段时间，在工业、污水处理等行业有广泛应用。其方法一般为同时添加碱液和酸液，或只加一种溶液以达到所需的pH。前一种方法虽然设备简单，但不能在水产养殖领域使用；后一种方法现已开始用于养殖水处理领域，然而，由于pH的变化是一种高度非线性过程，其控制相当困难。国外从20世纪90年代开始就进行了pH控制的研究，包括：串级前馈控制器的线性常规控制器；以模糊逻辑和神经网络为基础的建模和控制开发的酸一碱滴定过程技术；采用模糊逻辑系统作为逼近器的自适应非线性控制器；对非线性过程调整控制器增益的PI参数的模糊自整定PI控制器；基于非支配排序的多目标PID参数设计的粒子群优(NSPSO)pH控制。在国内，长期以来基本采用的是PID自整定的方法添加试剂来进行pH的控制，并没有进行pH控制算法等的研究。
目前，将pH自动调控技术应用于RAS还鲜有报道，而常规控制算法无法满足系统设计要求。本文通过应用新型控制算法进行试验，验证了该技术的控制精度，以期为该技术在RAS中的应用和推广提供一定的技术支持。
1材料与方法
1.1试验对象
试验在中国水产科学研究渔业水体净化技术和系统研究重点开放实验室高密度循环水养殖实验系统中进行。该系统为淡水高密度养殖系统(图1)，总水体约20m3，循环量30m3/h，养殖密度为100kg/m3 ，补水量约2%/d，养殖鱼类为罗非鱼，每天投饲2次，每次的投饲量为2.5kg。
养殖系统中有多种因素影响水体中的pH：鱼呼吸产生CO2，会降低水体的pH；生物过滤的硝化反应也会降低pH；CO2脱气装置会升高水体的pH。另外，还有其他影响因素，如鱼池排污、系统补水、投饵等。
1.2试验方法
1.2.1系统原理
由于各种因素的作用，RAS中水体的pH一般会随着养殖时间的增长而逐渐下降，因此，只需加碱就可调节水体pH。本试验即通过持续往养殖系统中添加碱性溶液来维持水体的pH(图2)。
使用pH传感器、数据采集分析控制系统、计量泵和试剂桶等组成pH维持系统。pH传感器放置于鱼池中，直接监测鱼类生长环境的pH变化，以获得最正确的测量值；数据通过采集模块传输至数据分析系统(数据分析系统基于工业组态软件编写)，数据分析系统可将数据进行存储，并通过数据分析系统中算法的分析计算，将控制判断发送至输出控制模块；输出控制模块根据收到的控制判断输出4~20mA的电流信号来控制计量泵的流量，控制进入系统的碱量；计量泵长期处于运行状态，持续抽取试剂桶中的碱性试剂注入泵池中，通过循环水泵将碱液溶解于RAS。此方法与工业上基于线性补偿原理的pH控制系统类似，但后者是作用于非循环系统。
1.2.2系统硬件构成
系统的硬件构成；pH传感器为梅特勒一托利多InPro401/120/PT1000；pH仪为梅特勒一托利多M300pHDINsingle1/2chORP，可输出4~20mA信号；数据采集为泓格的i-7017模块，输出控制模块为泓格的i-7021模块，其作用分别为采集420mA信号和输出4~20mA信号。数据采集分析控制系统使用MCGS组态软件。通过组态软件进行pH的采集、控制判断程序的编写和执行，以及对设备的控制；计量泵选用DPG电磁式计量泵，流量为6L/h，可使用4~20mA信号进行控制(图3)。
1.2.3试验过程
RAS一般通过附着在生物过滤设备中的硝化细菌和亚硝化细菌进行硝化反应，将氨氮转化成亚硝酸氮和硝酸氮，来降低氨氮含量。pH影响硝化细菌的活性和生长速度，其中亚硝化单胞菌的最适pH为7.2~7.8，硝化菌属的最适pH为7.2~8.2。从氨氮的存在形式考虑，对于硝化细菌，将pH保持在接近最适范围的较低水平较好。因此，将目标pH设定7.4(试验初始pH在7.0附近)。
根据国外研究报道，每投喂1kg饲料，约需投加0.25kg碳酸氢钠(NaHCO)来补充因硝化反应碱度的消耗造成的pH下降。具体根据RAS的投饲量，来确定系统所需投加的碳酸氢钠的总量，暂定每天投放的碳酸氢钠为2kg来设定计量泵的初始流量。所用碳酸氢钠溶液的初始浓度为0.05kg/L，后期将使用未知浓度的碳酸氢钠溶解液来检验系统的适应能力。
试剂桶容量为60L，桶中的溶液为碳酸氢钠溶液，易溶于水，且溶液是弱碱，不会使养殖系统的pH增加过快，适合用于长期调控使用。试验开始后，测定2h和2周内的RAS内pH的变化情况及2周内碳酸氢钠的每日使用量。
1.2.4控制算法与判断流程设计
控制算法是本系统的核心之一。控制算法由比例一积分一微分算法(PID) 、计算机网络传输控制算法(TCP)以及预判控制组成。
PID是常用的控制算法，应用范围较广，能基本满足一般控制需要。但是它有一个自整定的过程，这个过程易使系统的pH超过设定值——由于系统只添加碱，因此，当系统中的pH超过设定值后，只能通过系统自身的硝化反应等过程来缓慢降低，使得系统达到稳定的时间变长，甚至无法达到稳定；而且PID很容易受临时影响因素的干扰而重新开始自整定。因此，在算法中加入了TCP算法和预判控制来解决以上两个问题。
计算机网络传输控制算法(TCP)主要的作用是防止网络拥塞，其主要原理是乘法减小、加法增大。在控制算法中，将其与PID算法结合使用，应用其原理来防止加碱速度过快以致超过设定值(乘法减小)，以及在此之后的将流量缓慢增加至稳定(加法增大)。
预判控制主要是根据RAS的水体循环时间，对投放碳酸氢钠溶液可能使系统中pH产生的变化进行提前判断，以及在系统判断发生临时影响因素时(如投饵、排污、补水等)，可提前进行输出量的调节，避免PID再次进人自整定。
整合以上3种算法编写得到的就是pH维持系统的算法，它能使计量泵的流量逐渐达到稳定，同时系统的pH保持稳定且不超过设定值。
判断流程如图4所示。当系统启动后，首先输人目标值，即需要维持的pH，然后系统通过判断数据采集得到的当前值与目标值的差，计算出所需要的输出值；由于数据采集是持续进行的，所以系统中的数据分析判断也是不问断的，可以根据实时采集到的数据来改变设备的输出值，以达到稳定系统中pH的作用。
当工厂化循环水养殖系统中产生投饵、补水或排污信号时，数据分析判断系统会根据其变化量来对输出值进行调节。在数据分析判断算法中：当系统启动后，首先运行PID算法，通过当前值与目标值之差值，增加计量泵的输出流量，加快系统中pH的上升；根据系统中pH的上升速度，在距离目标值约一0.2处设置第一个缓冲点，同时运行TCP算法，先减少50％的计量泵输出流量，然后缓慢增加流量，并判断pH的上升速度是否减缓——如没有减少，再执行一次TCP算法，以确保系统中pH的增加不会超过设定值；此后再使用PID算法和TCP算法进行反复控制，最终将计量泵的输出值稳定在合适的范围，使得pH维持在目标值附近，且不超过目标值，满足系统的要求。而当投饵、补水和排污等动作产生时，通过其作用时间，根据预先设定的程序对计量泵的输出值进行细微调节以满足系统中pH稳定的要求。
2结果与分析
由图5可以看出，从pH维持系统启动到水体pH达到设定值大约经过了30
min，pH变化规律为先快后慢，前10min为第一时间段，由于判断当前值与目标值偏差过大，而使用最大流量进行加碱，因此，第一时间段曲线的斜率很大；在10~20min的第二时间段，由于pH离目标值大约只相差0.5，经过算法对pH增加趋势的判断，降低了计量泵的流量，使第二时间段曲线斜率相对于第一时间段减小；在20~30min的第三时间段，斜率进一步变小，最终在达到接近设定值的位置，斜率降到最小；在系统启动约30min之后，水体的pH达到设定值并维持误差在±0.01的范围内。
由图6可以看出，在pH维持系统启动后2周时间内，RAS中水体的pH完全维持在设定值±0.01的范围内。可以认为pH维持系统在长期的运行中状况良好，系统完全达到了试验的设计要求。
由图7可以看出，5％浓度的碳酸氢钠溶液的使用量基本维持在每天25L左右；第1天由于是从初始值调节到目标值，所以溶液的使用量较大，约为55L 。在使用不确定浓度的碳酸氢钠溶液的实验中，得到的曲线与图4基本一致。其不同点在于：如果溶液的浓度<5％，则曲线第一时间段和第二时间段的斜率明显减小，并且时间增加，曲线的上升更加平稳；同样，当溶液的浓度> 5％时，曲线的第一时间段和第二时间段的长度缩短，其斜率增大，提前进人第三时间段。
3讨论
本循环水养殖系统(RAS)中的pH维持系统不同于传统的PID算法加碱系统，是利用全新的控制方式对养殖水体的pH进行控制。传统方法主要是利用PID算法使设备执行反复开闭的动作来投放碱，如果需要进行精确的控制，则会增加开闭的频率，这样反而缩短了设备的使用寿命；而且由于PID算法的振荡结构，容易造成加碱过量而超过设定值。由于只进行加碱，所以需要等待系统消耗完超出的碱量再进行添加，这个过程十分漫长，不利于控制。虽然有些方法也用到了计量泵，但其作用也只是使用计量泵代替电磁阀作为控制设备，只是预先设定了流量，并没有使用持续加碱的方法进行控制。而有些方法通过改变计量泵流量来进行控制的系统，主要用于工业，且并不是循环系统，不会受到系统中其他因素的影响，因此，不能用于工厂化循环水养殖系统。
本pH控制系统通过使用新型控制算法和新型控制算法和新型控制系统对养殖水体的持续加碱，能将循环水养殖系统水体的pH长期维持在设定值，有助于建立最适合鱼类的生长的水体环境。
- END -
联系客服
