（机械电子工程专业论文）智能箱体孵化设备的研究.pdf

摘要 孵化设备是仿生学的一个应用，模拟自然界的孵化环境，提供胚胎 发育的适宜条件，用于家禽种蛋的孵化其控制系统是一个多变量、多 耦合、多干扰、大滞后的复杂动态系统。根据孵化工艺，将整个系统分 解成温度控制子系统、湿度控制子系统和风门控制子系统。本系统采用 了间接模糊解耦方法。 为了提高孵化机温度控制精度并简化控制结构，加温系统采用多组 加热管，由过零触发固态继电器控制。本系统选用a d s 9 0 集成温度传感 器和法国h u m i r e l 公司的电容式湿度传感器h s ii 0 1 。采用的四位半( 1 4 位) 双积分型a d 转换器i c l 7 1 3 5 ，具有精度高、低噪声、低漂移等特点， 以及很强的抗工频干扰的能力。 为了提高控制系统的可靠性和经济性，本系统采用m c s 5 1 系列单片 机。系统硬件结构除了常规设计外，扩展一片e e p r o m9 3 c 8 6 存储系统 的设定值以及专家系统所需的数据。本系统具有存储和显示孵化过程中 温度、湿度等记录的功能，并有各种运行状态显示与报警功能。并提供 标准的串行通讯口，便于和上位机实现主从式群控系统。 实验表明，该系统运行稳定可靠，明显地提高了孵化率，减少了弱 雏数量。 关键词：孵化设备温度控制，湿度控制模糊控制a d 转换耦合 h a t c he q u i p m e n ti so n eo ft h ea p p l i c a t i o n so ft h eb i o n i c s i ti m i t a t e s t h en a t u r a lh a t c h i n ge n v i r o n m e n ta n dp r o v i d e st h ef i t t i n gc o n d i t i o no ft h e e m b r y ou p g r o w t h i tc a nb eu s e di nt h ed o m e s t i c a t e df o w lb r e e d i n ge g go f t h eh a t c h i n g 码eh a t c h i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e mi sm u l t i v a r i a b l e m u l t i - c o u p l i n g s ；m u l t i d i s t u r b a n c e sa n db i gl a gc o m p l e xd y n a m i cs y s t e m a c c o r d i n gt ot h eh a t c h i n gc r a f t t h eo v e r a l ls y s t e mc a nb ed e c o m p o s e di n t o t h r e e p a r t s ：t h et o m p c r a t u r ec o n u 0 1s u b s y s t e m ，t h eh u m i d i t yc o n t r o l s u b s y s t e ma n dt h et h r o t t l ec o n t r o ls u b s y s t e m t h es y s t e mh a su s e dt h e i n d i r e c tf u z z yd e c o u p l i n gm e t h o d i no r d e rt oi n c r e a s et h eh a t c h i n gm a c h i n et e m p e r a t u r ec o n t r o lp r e c i s i o n a n d s i m p l i f i e st h e c o n t r o ls t r u c t u r e ，t h ew a r m i n gs y s t e mu s e st h e m u l t i g r o u pp r e h e a t e dp i p ec o n t r o l l e db yt h ez e r oc r o s s i n gt r i g g e r i n gs o l i d s t a t er e l a y t h es y s t e m l c c t st h ea d 5 9 0i n t e g r a t i o nt o m p e r a t u r es e n s o r a n df r e n c hh u m i r e l c o r p o r a t i o n sc a p a c i t yt y p eh u m i d i t ys e n s o rh $ 1 1 0 1 t h e s y s t e mu s e sf o u rh a l f ( 1 4b y t e s ) d o u b l ei n t e g r a la ds w i t c hi c l 7 1 3 5 i t h a st h eh i g hp r e c i s i o n ，t h el o wn o i s e ，t h el o wd r i f t i n ga sw e l la sv e r ys t r o n g a n t i p o w e rf r e q u e n c yd i s t u r b a l i c ea b i l i t ya n ds oo n i n0 r d e rt oe n h a n c et h er e l i a b i l i t ya n dt h ee f f j c i e n c yo ft h ec o n t r o l s y s t e m ，t h es y s t e mu s e st h em c s 5 1s e r i e sm o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t e x c e p tc o n v e n t i o n a ld e s i g n t h es y s t e mh a r d w a r ea r c h i t e c t h i ee x p a n d sd a t a w h i c hp i e c eo fe e p r o mt h e9 3 c 8 6m e m o r ys y s t e r nt h es e t t i n gv a l u ea s w e l la st h ee x p e r ts y s t e mn e e d s t h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ym e f i th a s b e e nm e m o r i z e da n dd e m o n s t r a t e di nt h eh a t c h i n g p r o c e s sr e c o r d i n g , a n di t h a st h ed e m o n s t r a t i o no fe a c hk i n do fm r m i n gs t a t u sa n da l a r m i n gf u i n c t i o n t h es y s t e mp r o v i d e st h es t a n d a r ds e r i a lc o m m u n i c a t i o nc o n n e c t i o n ；i tc a n r e a l i z et h eg r o u dc o n t r o ls y s t e mo fh o s ta n ds u b o r d i n a t et y p ew i t ht h e m a s t e rc o m p u t e r t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h es y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l e ：i t e n h a n c e st h eh a t c h i n gr a t eo b v i o u s l ya n dr e d u c e st h ew e a k y o u n gq u a n t i t y k e yw o r d s ：h a t c he q u i p m e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o lh u m i d i t yc o n t r o l f u z z yc o n t r o la ds w i t c hc o u p l i n g 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文智能箱体孵化设备的研究 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 叠逦痉! z 生主目兰墨目 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：f 主趋应! z 生童且壁目 指导导师签名：乒髫上生名。生互曲 。p 第一章绪论 1 1 课题来源 随着生活水平的提高，人们对物质生活的要求越来越高，尤其对日 用饮食，与前十年相比，有了明显的改善。鸡肉、鸡蛋以其营养价值高， 价格便宜等优点，始终是人们日常生活中不可缺少的。 为了能够生产出高质量的鸡肉，在养殖过程中对种蛋的选择以及种 蛋孵化过程中的各种影响因素提出了更高的要求，不仅要保证出雏率， 而且还要保证健雏率。 近年来，随着长春经济发展速度的稳步提升，长春周边地区的个体 养殖业发展迅速，尤其以德惠的德大为首的大型肉类加工企业，带动了 当地个体养殖产业的迅速成长，为当地的经济腾飞注入了新的生命力。 人们的生活逐渐富裕起来了，但是养殖场尤其是是孵化这个环节出现了 较多的问题。目前使用的孵化设备有中电科技集团公司第四十一研究所 研制的“依爱”牌数显、汉显智能箱体孵化机以及杰姆斯威公司的p t l 0 0 型孵化机。这两种机型的孵化设备由于使用年限较长，某些功能已经失 去了功效，而且控温、控湿精度不能满足孵化过程中的要求，故使得出 雏率和健雏率较低，从而使得经济效益受到较大的影响。 本人走访了长春地区的几家中小型养殖场，了解到当前孵化设备所 存在的问题就是：温度和湿度的控制精度不高，和设定值的偏差较大， 而且控制孵化过程中不可预知因素太多，从而不能满足较高的出雏率和 健雏率。同时“依爱”牌汉显智能箱体孵化机的价格在2 0 2 5 万人民 币，对一般的养殖户来说，负担较大。敌对现在的孵化设备进行改进是 一个解决现存问题的行之有效的手段，而且可以节省投资成本，满足一 般养殖户的生产需要，随着禽流感的消失，养鸡产业将会出现一个较为 广阔的发展的空间，故我们对现存设备进行改进的这项研究将会有更大 的市场前景和社会效益。 1 2 研究本课题的意义和目的 随着计算机科学技术的飞速发展，利用电脑来对孵化过程进行控 制，可以使得孵化过程中传统控制技术难以精确、稳定控制的温度、湿 度换气等相互影响的参数更加稳定、适宜和合理，孵化环境更有利于胚 胎发育的需要，而且节约能源。 随着我国加入w t o ，养殖业与世界接轨，竞争更加激烈。竞争的结 果，必将使养殖业沿着产业化、规模化的方向发展，而与之相配套的孵 化设备必将迎来新的挑战和机遇。因而，孵化设备该如何发展，往何处 发展的问题，成了使用者和制造者们都关心的话题因为孵化设备的先 进程度往往是影响一个养殖场、一个地区、甚至一个国家养殖业发展的 重要因素，因而孵化设备的发展一直备受人们的关注 1 3 国内外研究的现状 我国孵化设备的制造比国外起步较晚，1 9 8 0 年以前，只有少数鸡场 从日本引进少量的设备，并仿制了部分产品，谈不上有设计能力，8 0 年代初期北京市平谷电子机械厂生产出了云峰牌孵化机，对当时养禽业 有很大的促进，同时北京西山孵化设备厂等也开始从事专业的孵化设备 生产。8 0 年代末至9 0 年代初期，养禽业有了极大的发展，国内孵化设备 已不能满足需要，于是大型鸡场开始大量从国外引进先进的孵化设备， 如美国鸡王孵化器公司、加拿大的詹姆斯威公司、比利时的皮特森以及 日本、罗马尼亚、苏联等国的产品。这一来，对我国孵化设备的生产产 生了深远的影响，许多生产厂家从中吸收先进技术改进自己的设计，设 计水平有了飞跃。 经过二十多年的发展，我国目前已形成具有一定规模的从事孵化机 设计和制造的专业队伍，基本上能满足我国养禽业的需要。据不完全统 计，孵化机、出雏机的生产厂家有5 0 余家，其品种规格从d ( 5 0 0 0 蛋位 以下) 到大( 约1 0 万蛋位) ，规格齐全，其品种近1 0 0 余种，其结构形式有 八角式、固定蛋架式和蛋车式等。中、小型箱式孵化机适用于个体专业 户和中等规模的集体养鸡场，而大型巷道式孵化机适用于大型机场的需 要。目前研制巷道式孵化机的厂有3 家以上，有的已经进入实际生产阶 段。在孵化机的设计中，有许多厂家已能设计具有先进水平的微电脑控 制的孵化设备，其设计和生产能力已赶上国外先进国家水平。但在近5 0 余家生产厂中，真正形成生产能力有质量保证的生产厂仍为数不多，只 有1 0 余家。近几年来，中国家禽业协会，致力于家禽设备的管理工作， 为家禽设备的发展和质量提高做了很大的贡献。如组织专家对孵化设备 生产厂进行评审，推荐出具有国内一流水平和质量有保证的生产厂。获 推荐的厂有电子工业部第4 1 研究所、杭州富阳春江孵化设备厂、杭州下 沙孵化设备厂和南京实验仪器厂。农业部还对一些产品质量好的生产厂 进行推广鉴定，获得推广许可证的孵化机生产厂有：北京市西山孵化设 备厂、广东省中山市家禽机械设备厂以及浙江富阳春江孵化设备厂等。 随着我国孵化设备专业队伍的壮大，技术水平的提高。外国公司及其设 备已逐渐退出我国市场。 1 3 1 孵化设备的现状 孵化设备虽然减轻了孵化人员的大部分体力劳动，但对孵化人员的 脑力劳动非但没有减轻，反而有加重的趋势。因为孵化人员不但要记住 2 并修改不同胚龄种蛋所需的孵化参数，而且还要记住何时照蛋，何时落 盘等操作，甚至要学会如何简单地维修和排除故障。目前，年产苗鸡超 过百万的孵化场已经很普遍，在这样的孵化场，不同品种、不同胚龄的 种蛋同时孵化。其脑力劳动的强度可以想象是何等之大。 在目前的条件下，孵化人员的经验仍然是孵化效果的决定性因素， 也是影响孵化场经济效益的重要因素，因孵化人员的一时疏忽而导致损 失惨重的现象仍时有发生。因而仅能实现机械化、自动化的孵化设备远 远不能满足人们的需要，人们一直期盼着智能型、傻瓜型、高可靠性的 孵化设备的出现。在市场经济下，用户的追求就是孵化设备的发展方向。 1 3 2 发展方向 针对目前孵化设备的现状，未来的孵化设备应具备以下几个方面的 要求： 1 专家系统的开发与应用 影响孵化效果的因素较多，根据不同的季节、不同的环境、不同的 品种、不同周龄种禽产的种蛋和种蛋保存时间的长短等，孵化时所需的 参数均有所变化。对这么多的变化，光靠人来记忆确实较难，而且容易 出错。为此，有必要开发孵化专家系统。 专家系统就是将不同品种的种蛋在不同的环境下，孵化时所需的参 数组合在一起，必要时会自动调用；还要把孵化时可能出现的故障现象 和解决措施都集成在里面，必要时会指导使用者对故障的处理；而且还 能对孵化的效果进行评估，并指出其中的不足。 用专家系统的孵化设备孵化时，使用者仅需输入( 告诉孵化设备) 所孵种蛋品种种类和种禽的周龄。孵化设备会根据输入的参数和环境条 件( 环境温度、湿度等) 自动设定孵化参数，并会提醒使用者何时照蛋和 落盘，何时消毒效果最佳等。 专家系统的作用就是降低孵化行业的门槛，让更多的人都能轻松地 进行孵化。即使一个完全不懂孵化的人，在专家系统的引导下，亦能取 得最佳的效果。 如果使用者将孵化的各种数据( 入孵种蛋数、无精蛋、死精蛋、出 雏数和健雏数等) 输入孵化设备，专家系统将自动计算出本次的孵化效 果，并形成报告。如果连续每批都输入孵化数据，专家系统还能自动形 成季度、年度报告，并能分析其中的不足，指出必要的预防措旌。 2 ，智能化 能自动记忆并修改系统中的参数，根据以前的孵化情况自动修改孵 化参数；不仅能更改修正本台机器的孵化参数，而且能更改本场局域网 内的孵化设备的参数，甚至能将新的参数，自动形成更新报告，通过 i n t e r n e t 网络上传给专家系统的开发者，以便更新专家系统中的参数。 3 3 高可靠性 、 设备可靠性的提高，不代表设备没有故障。最主要的是：设备一旦 发生故障，如何使故障的负面影响降到最小；如何使使用者能在最短的 时间内获得最多的帮助，并不影响生产。这就要求：一方面，设备通过 自身对故障的提示，一步一步引导使用者或维修人员将故障排除：一方 面，启动应急系统：再者，能自动上网寻求支持。 4 网络资源的利用 正如上面所说，通过网络，可以将要更新的数据传给专家系统：同 时，也可通过网络，寻求技术支撑，了解行业动态，为你的下一发展寻 找机会与援助。 一个公司可能有若干个分散在全国各地的孵化场，每个孵化场又有 若干台孵化设备，为了便于管理，只需要将每个孵化场内的若干台孵化 设备组合成局域网，由一台计算机来控制( 即现在的“群控系统”) ，这 台计算机再通过i n t e r n e t 网络可与公司总部或其它孵化场进行通讯。这 样，公司的管理者就不必在孵化场与总部间飞来飞去，因为他不仅在办 公室内能监视和控制各个孵化场的运转情况，甚至能了解每台孵化设备 的运转情况，而且可在世界各地均可通过i n t e r n e t 网络对远在他乡的孵 化设备迸行监控。 5 能源问题 能源的问题直接影响着孵化场的生产成本，节能永远是孵化场和孵 化设备生产厂家追求的目标。能源问题主要从以下三个方面考虑： ( 1 ) 节能 通过更加合理的设计，提高换气效率，降低通风量，以避免因过多 的换气而浪费能量。 ( 2 ) 新能源的利用 由于电费的提高，许多地方又用起了煤、稻草作能源，虽然降低了 孵化成本，但这又会带来新的问题污染。 随着近几年家庭用太阳能设备的普及，利用太阳能作为孵化设备的 能源将是为期不远的事，因为太阳能最大的优点是取之不尽，用之不竭， 而且无污染；尽管一次性投资较大，但使用成本极低 ( 3 ) 废气热的利用 对孵化设备排出的废气应进行处理，因为孵化设备排出的废气基本 都是2 0 0 c 左右的热空气，对其处理，一方面可减少其对环境的污染，另 一方面对其中的余热可加以利用，这在气温较低的冬天会更有意义。 专家系统的开发和新能源的利用，需多学科、跨行业的合作，还有 很多工作要做，很长的路要走。 新一代的孵化设备应朝着人性化、智能化、网络化、高可靠性和节 4 能型的方向发展。尽管其中的许多功能和要求离现实还有很大的距离， 但这是孵化设备使用者们所期待的，也应是孵化设备开发者们所追求 的。 1 4 本章小结 本章主要介绍了本课题的来源、研究本课题的意义和目的。同时介 绍了孵化设备国内外发展现状，对于智能箱体孵化设备的研究具有参考 价值和借鉴意义。 5 第二章孵化的原理 所谓孵化是指体外成雏阶段，它是通过外界条件( 如温度、湿度、 通气等条件) 的影响，使鸡蛋变成雏鸡的过程。孵化的好坏直接影响孵 化率的高低、小鸡的成活率以及生长发育和生产性能，所以一定要重视 孵化，了解和掌握孵化的原理、胚胎发育过程中各阶段对外界条件的要 求，熟练掌握孵化条件、孵化技术等以获得良好的孵化效果。 2 1 孵化原理 鸡胚的新陈代谢依赖于种蛋内各种酶( 如淀粉酶、蛋白酶、氧化酶、 溶菌酶等) 的活力，而酶活力的强弱又受到温度的制约。使酶活力最强 所需的温度，就是胚胎发育所要求的最适宜温度，这就是孵化的原理。 2 2 孵化条件 胚胎发育所需要的条件有温度、湿度、通风、翻蛋、凉蛋等。 2 2 1 温度条件 温度是孵化条件中最重要的条件。胚胎只有在适宜的温度下才能正 常发育。胚胎发育的各个阶段对温度的要求不同。孵化初期，胚胎处于 形成阶段，胚胎物质代谢处于低级阶段，没有体温，因此初期要给予较 稳定的高温，以促进胚胎的发育。中期，特别是后期，随着胚龄增长， 物质代谢逐渐加强，特别是脂肪代谢增强，胚胎自身可散发出大量热量， 这时胚胎自身的温度高于孵化器的温度，应给予较低的温度，因而在孵 化过程中，一般采用高一中低的给温方式。 孵化温度可分为恒温与变温两种制度。孵化温度与孵化季节、孵化 器类型、人孵种蛋批次有很大关系，所以在人工孵化时，要根据孵化器 的类型、季节和气温高低等，大体确定施温方案。 大型孵化器，大批种蛋整批人孵，应采用变温孵化。具体温度如 表2 1 。 分批入孵可采用恒温孵化法，具体温度见表2 2 。 平箱孵化可采用表2 3 的施温方案。 6 表2 1 不同胚龄期孵化室与孵化器内温度关系 孵化器内温度 孵化室内温度 1 5 天6 1 3 天1 4 1 8 天1 9 2 1 天 1 2 8 ( 5 5 下) 左 3 9 2 3 9 3 3 8 9 3 8 3 右 ( 1 0 2 5 1 0 3 f )( 1 0 2 f )( i o i f ) 1 8 3 c ( 6 5 f ) 左 3 8 9 3 9 2 3 7 2 3 9 8 3 8 5 3 8 0 5 右 ( 1 0 1 5 下、( 1 0 0 5 d( 9 9 6 1 0 0 ( 1 0 2 1 0 2 5 下1 o f ) 2 3 9 c ( 7 5 下1 左 3 8 5 3 8 9 3 8 3 3 7 8 右 ( 1 0 1 5 1 0 2 f )( 1 0 1 f )( 1 0 0 f ) 2 9 5 0 ( 8 5 t ) 左 3 8 3 3 8 。5 3 8 0 5 3 7 5 右 ( 1 0 1 1 0 1 5 下、( 1 0 0 s t )( 9 9 5 下、 3 2 2 ( 9 0 下) 左 3 7 8 3 8 0 5 3 7 5 3 7 右 ( 1 0 0 1 0 0 5 下)( 9 9 - 5 下1( 9 8 5 下1 表2 2 立体孵化分批入孵所取的温度 孵化室内温度孵化器内温度 1 2 8 c ( 5 5 d 3 8 9 ( 7 ( 1 0 2 1 7 ) 1 8 3 c ( 6 5 f )3 8 5 c ( 1 0 1 5 下1 2 3 9 。c ( 7 5 f )3 8 3 c ( 1 0 1 f ) 2 9 5 c ( 8 5 f )3 8 0 5 c ( 1 0 0 5 下1 3 2 2 c ( 9 0 f 以上13 7 5 c ( 9 9 5 d 表2 3 平箱孵化施温方案 胚龄温度 l 5 天3 9 5 4 0 6 7 天3 8 9 3 9 5 8 1 0 天3 8 3 1 1 1 3 天3 6 7 3 7 8 c 1 4 2 1 天3 5 7 ( 9 6 下左右即可) 附：华氏与摄氏( q 的温度换算公式：f = 3 2 + 9 5 c ；c = 5 9 x 口一3 2 ) 表2 4 常用孵化温度换算表 l 华氏( f ) 9 9 9 9 51 0 0 51 0 11 0 1 51 0 21 0 2 5 1 0 31 0 3 5 l 摄氏( c ) 3 7 23 7 53 7 83 8 33 8 63 8 93 9 23 9 53 9 7 2 2 。 头照时各种蛋的情况如图2 1 ，正常情况下胚胎逐日发育情况如图 7 图2 1 头照时各种种蛋的情况 a 头照无精蛋b 头照死胚蛋c 头照弱精蛋d 头照正常蛋 1 气室2 廓黄3 血圈4 血管5 胚胎6 眼睛 8 图2 2 鸡胚胎逐日发育图 1 第1 天2 第2 天3 第3 天4 第4 天5 第5 天6 第6 天7 第7 天8 第8 天 9 第8 天( 背面) 1 0 第9 天( 背面) 1 1 第1 0 天( 背面) 1 2 第1 1 天( 背面) 1 3 第1 2 天( 背面) 1 4 第1 3 天( 背面) 1 5 第1 4 天( 背面) 1 6 第1 5 天( 背面) 1 7 第1 6 天( 背面) 1 8 第1 7 天( 背面) 1 9 第1 8 天2 0 第1 9 天2 1 第2 0 天2 2 第2 1 天 2 2 2 湿度条件 通常是指孵化箱内的相对湿度。一般孵化器的相对湿度应经常保持 在5 5 7 0 。湿度与胚胎发育有很大关系： 湿度可影响蛋内水分蒸发和胚胎的物质代谢。湿度过高，则蛋内 水分不易蒸发，从而影响胚胎的物质代谢及气体交换，有碍胚胎发育。 相反，如湿度过低，则蛋内水分蒸发过多，可导致胚胎与蛋壳发生粘连， 便尿囊绒毛膜复合体变干，也会影响胚胎正常的物质代谢 湿度有导热作用。初期保持定湿度可使胚胎受热均匀，后期则 可使胚胎散热加强。 湿度与胚胎的破壳有关。出雏时保持一定的湿度，可使空气中二 氧化碳作用于构成蛋壳的碳酸钙，使其变成碳酸氢钙，从而使蛋壳交脆， 有利干雏鸡啄壳而出。 9 2 2 3 通风条件 胚胎在发育过程中不断吸入氧气，排出二氧化碳。一般孵化器内氧 气含量为2 1 ，二氧化碳含量为o 5 ，二氧化碳超过0 5 ，胚胎发育 迟缓，超过1 ，死亡率增高，并出现胎位不正和畸形等现象，所以必 须重视通风，使新鲜空气进入。一般在孵化初期，为保温以及使温度平 稳可以关闭进气孔或部分开放进气孔( 一般可开启1 4 1 3 ) ，以后逐渐 增大出气孔，出雏时完全开放出气孔。 2 2 4 翻蛋 翻蛋的作用是： 可避免胚胎与壳膜粘连。因卵黄含脂量高，相对密度较小，总是 浮在蛋的上部，易与壳接触。翻蛋可经常改变蛋的位置使其不会因粘连 而造成胚胎死亡。 翻蛋可使胚胎受热均匀，有利于胚胎发育。 翻蛋有助于胚胎运动，增强活力，保持胎位正常。 一般翻蛋呈9 0 度，前4 5 度后4 5 度，每2 小时翻一次。1 8 天以后 可不再翻蛋，整批人孵时1 4 天后即可不再翻蛋。 2 2 5 凉蛋 凉蛋可使孵化器彻底换气，同时间歇的低温还可促进胚胎发育，增 强活力，有利于后期胚胎散热，但如进气良好，各孵化条件正常也可不 进行凉蛋。如通风不良或利用同一孵化器出雏时则应进行凉蛋。一般每 天2 8 次，每次1 5 4 0 分钟，凉至蛋壳表面温度接近于3 2 即可。 2 3 本章小结 本章主要介绍了家禽孵化的原理以及孵化过程中必备的几个条件。 对于孵化设备，温度、湿度、通风和翻蛋的控制是重点，也是难点。 第三章设计目标及方案 3 1 设计目标 智能箱体孵化设备的控温精度一般在0 5 0 c ，当前孵化设备的控 温精度都在一度以上，甚至好几度，这样就不能满足孵化的要求，难以 获得较高的出雏率和健雏率：同时湿度随温度的变化也有较大幅度的变 化，容易产生耦合现象，故必须对两者进行解耦运算，以达到最佳的控 制品质。 3 1 1 工作重点 1 基本电路设计：传感器转换电路，温度、湿度控制电路，显示 电路； 2 控制系统设计：模糊p i d 控制； 3 降低噪音措施； 4 抗干扰措施； 5 风扇工作实时监控系统； 6 防止打雷闪电； 7 系统软件设计。 3 1 2 主要技术指标 控温范围：3 5 3 9 控湿范围：4 0 8 0 r h 控温精度：0 5 温度显示分辨率：0 0 1 湿度显示精度：l r h 温度场稳定性：0 0 1 机内孵化后期c 仉含量： o 1 5 3 2 常用温湿度控制方案 智能箱体孵化系统是一个复杂的大系统，很难建立系统的数学模 型，用经典控制或现代控制都很难实现。而根据模糊控制的特点，它不 需要建立被控对象的数学模型，系统的鲁捧性强，适合于非线性、时变、 滞后系统的控制。因此，对智能箱体孵化系统采用模糊控制是非常合适 的。 3 2 1 模糊控制 模糊控制的基本思想是利用计算机来实现人的控制经验，而这些经 验多是用语言表达的具有相当模糊性的控制规则“1 模糊控制器 1 1 ( f u z z yc o n t r o l l e r ，即f c ) 获得巨大成功的主要原因在于它具有如下 一些突出特点： 1 模糊控制是一种基于规则的控制。它直接采用语言型控制规则， 出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要 建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理 解，设计简单，便于应用。 2 由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而 模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著 的对象非常适用。 3 基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的 不同，容易导致较大差异；但一个系统的语言控制规则却具有相对的独 立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制 效果优于常规控制器。 4 模糊控制算法是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有 利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有 一定的智能水平。 5 模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被 大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。 模糊控制系统的基本结构如图3 1 所示。 图3 1 模糊控制系统框图 其中s 为系统的设定值，y 为系统输出，e 和c 分别是系统偏差和 偏差的微分信号，也就是模糊控制器的输入，u 为控制器输出的控制信 号，e 、c 、u 为相应的模糊量。由图可知模糊控制器主要包含三个功能 环节：用于输入信号处理的模糊量化和模糊化环节，模糊控制算法功能 单元，以及用于输出解模糊化的模糊判决环节。 模糊控制器设计的基本方法和主要步骤大致包括： 1 、选定模糊控制器的输入输出变量，并进行量程转换选取方法 一般如图3 1 所示，即分别取e 、c 和u 。 2 、确定各变量的模糊语言取值及相应的隶属函数，即进行模糊化。 模糊语言值通常选取3 、5 或7 个，例如取为 负，零，正) f 负大，负 小，零，正小，正大) ，或 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 等。然后对所选取的模糊集定义其隶属函数，可取三角形隶属函数( 如 图3 2 所示) 或梯形，并依据问题的不同取为均匀间隔或非均匀的；也 可采用单点模糊集方法进行模糊化。 图3 2 隶属函数取法示意 3 、建立模糊控制规则或控制算法。这是指规则的归纳和规则库的 建立，是从实际控制经验过渡到模糊控制器的中心环节。控制律通常由 一组i f - t h e n 结构的模糊条件语句构成，例如：i fe = na n dc = n ，t h e n u = p b 等；或总结为模糊控制规则表，如表3 l 中所示，可直接由 e 和c 查询相应的控制量u 。 表3 1 模糊控制规则表举例 uc ：nc ：zc ：p c ：np bp mz c ：zp szn s c ：pzn mn b 4 、确定模糊推理和解模糊化方法p 9 j 。常见的模糊推理方法有最大最小 推理和最大乘积推理两种，可视具体情况选择其一：解模糊化方法有最 大隶属度法，中位数法，加权平均，重心法，求和法或估值法等等，针 对系统要求或运行情况的不同而选取相适应的方法，从而将模糊量转化 为精确量，用以实旌最后的控制策略。 3 2 2 模糊控制解耦方法 温、湿度联控是一个多变量控制系统对象，温度控制和湿度控制之 间相互影响且动态特性差异较大，特别是温度和湿度的相关性较强，易 产生耦合现象，所以必须对系统的温度和湿度进行解耦控制。解耦控制 有两种方法，串级控制和分程控制方法。温湿度控制是一种非线性的、 滞后的时变的复杂过程。且温度与湿度之间存在交叉耦合，即温度控制 会引起湿度变化，湿度控制会引起温度变化，采用传统的p i d 控制是不适 宜的。现有的研究和实践表明，对于无法取得精确数学模型或数学模型 相当粗糙的系统，采用模糊控制可以获得令人满意的控制效果。 温度、湿度之间的耦合关系如图3 3 所示。 图3 3 温度和湿度的耦含示意图 温湿度之间有耦合，就必须对其解耦，具体的解祸方法如下： ( 1 ) 根据温度与湿度之间的关系，采用预估解耦”1 。 主要思想如下：基于空气焓动态平衡思想，在平衡状态下，假设只 进行温度的单变量调节。即空气中水分不变，则温度t 的变化对相对湿 度有如下影响 r h r h ! x p c b l( 3 1 ) p 曲z 式中：1 妒- 为温度t l 下的饱和水蒸汽分压力( p a ) ； 1 庐z 为温度t 2 下的饱和水蒸汽分压力( p a ) ； 删- 为实测的相对湿度； 删2 为预估的参与运算的相对湿度。 在温度控制回路中，用预估相对湿度删z 代替实测的相对湿度 删- 参与控制运算。该解耦方法，利用公式( 3 1 ) 进行解耦必须是在假 设只进行温度的单变量调节，即空气中水分不作为前提条件。也就是说， 在系统平衡前，前提条件不完全存在，用公式( 3 1 ) 进行解耦只是近似 解耦，当系统趋于平衡时才成立。 ( 2 ) 通过解耦环节反，声，实现控制解耦”1 由图3 4 可知，该控制系统采用二维模糊控制器。经过解耦，控制 器的实际输出为： 图3 4 模糊解耦控制原理 1 4 u ，一k f 【( 1 一鼠) c ，+ 岛x g 】( 展0 1 ) ( 3 2 ) u 一k h 【( 1 一声：) x c + 户：x c ，】( 卢：- 0 1 ) ( 3 3 ) c ，c 分别表示温度与湿度模糊控制器的输出；巧，k h 分别表 示温度与湿度模糊控制器的比例因子；u ，巩分别表示温度与湿度控 制器的实际输出：3 , ，历分别表示温度与湿度之间的解耦系数。 当厉，以为0 时，u 一墨c ，u 一k h c ，这是相当于两个单回 路控制，没有去耦作用：当届，晟为1 时，以- k c h ，以t 毛c ， 对应于极限耦合情况。实际的厉，区的值在o 1 之间，可通过实验确 定值。 该解耦方法与静态解耦相似，他的缺点在于解耦系数确定后，就不 再改变，缺乏自适应性，难以获得较好的解耦效果。 ( 3 ) 采用多变量模糊控制方法，将解耦融进多变量控制中” 利用计算机强大的数据处理和计算能力，从生产数据中提取优化的 人工经验，将其用形如“i f a n d a n d t h e n ”的模糊控制 规则表示，则这些规则集合可以构成该系统的模糊控制模型，由此实现 系统的自动控制。并且在控制过程中不断自动总结新的控制规则，以此 修改原有控制模型，使得模型具有自适应性。这种方法缺点在于，一方 面过于依赖专家经验，另一方面计算量太大，不适合基于单片机的实时 控制。 ( 4 ) 基于静态解耦的动态解祸 解耦的原理：由静态增益导出的解耦参数，在静态时能全部消除耦 合，而对于时变系统，则不太准确。为了在动态时尽量减小耦合造成的 影响，可以在传统静态解耦的基础上，增加一个修正解耦系数的回路， 通过不断修正解耦系数，达到使解耦系数始终处于最佳值的目的。见图 3 5 所示的模糊修正解耦系数控制回路示意图。 图3 5 模糊修正解耦系数控制回路示意图 系统输出响应为： 褂臣地】 ( 3 4 ) 式中：“。和母；分别代表模糊控制器的输出和系统的输出增量，4 。 代表修正解耦系数( i = 1 ，2 ：j = l ，2 ) 根据式( 3 4 ) ，可分别得到时刻n 一1 和n 的输出增量y i 缈l 以一1 ) _ 口n 球1 0 2 ) + 口1 2 “2 0 一2 ) ( 3 5 ) y ，o ) - 口l l “。一1 ) + 口1 2 “2 0 1 ) ( 3 6 ) 将式( 5 ) 和( 6 ) 联立得： a。ayl(n-1)u,(n-1)-ay,(n)u,(n-2)( 3 7 ) “：o 一2 ) u 。0 1 ) 一“：o 一班1 0 2 ) 欲消除回路2 对回路1 的影响，只要使q ：= o 即可。如果a ，偏离了零 值，说明目前的解耦系数不合适，需要修正解耦系数，修改的方向( 增 大或减小) 由口。符号决定，修正的大小由口。的绝对值大小决定。同理 可得到口：i 的表达式。 将修正系数口。和a ：，作为一维模糊控制器的输入，输出即为修正的 解耦系数。 这种方案的不足之处在于：修正系数是根据公式( 3 7 ) 通过近似的 方法计算碍到，无法真实的反映出实际变化。尤其，在变化的初始阶段 8 。比较大，而根据公式计算的值可能很小；当对象趋于平稳时，口，：可 能计算出很大的值。并且，当系统出现干扰时，a ，：距离真实值更远。 3 3 智能箱体孵化设备控制方案 家禽孵化是一个复杂的生物学过程，适当地控制孵化温度、湿度、 通风等，不仅能提高出雏率，而且还提高了雏禽质量“一。目前很多孵 化设备仅仅采用简单的控制策略，还远远不能满足要求。因此，国内外 孵化技术革新的中心环节是提高控制性能，逐步完善孵化机的安全可靠 性和自动化程度。 本设计将人工智能理论应用于孵化过程控制，实现了孵化机的多变 量模糊专家控制系统，从而明显地提高了孵化率，减少了弱雏数量，并 减轻了工人的劳动强度。 3 3 1 孵化机多变量模糊控制器的简化和解耦 孵化机控制系统是一个多变量、多耦合、多干扰、大滞后的复杂动 态系统。根据已有模糊控制理论直接设计一个多变量模糊控制器是很困 难的。本系统基于考虑大干扰、强耦合，忽略小干扰、弱耦合的思想， 利用模糊控制器本身的解耦性特点，在控制器结构上实现解耦，即将一 1 6 个多输入多输出的模糊控制器，分解成若干个多输入单输出的模糊控制 器。根据孵化工艺分析，可以将整个系统分解成风门控制子系统、加热 控制子系统和加湿控制子系统。加热主要影响孵化温度，加湿主要影响 孵化湿度，但风门开度不仅影响含氧量，而且对温度和湿度也有很大影 响。本系统将孵化过程的三输入三输出模糊控制器，分解成两个单输入 单输出的模糊控制器和一个三输入单输出的模糊控制器，从而大大简化 了模糊控制器的结构。为孵化机模糊控制器的设计带来很大的方便。本 文采用间接模糊解耦方法，对控制风门的三输入单输出模糊控制器进行 解耦，分解成3 个子系统的相交组合。孵化机模糊控制系统的结构如图 3 ，6 所示。 图3 6 孵化机模糊控制系统结构框图 对于三输入单输