一种蜜环菌液态发酵温度控制装置及方法.pdf

本发明是一种蜜环菌液态发酵温度控制装置及方法，发酵罐(1)内发酵液的温度是由夹套(1.1)内的水温进行调节，恒温水箱(2)内的恒温水由循环泵(B)通过第一阀门(F1)、第二阀门(F2)泵入发酵罐底部夹套内，再由发酵罐上部夹套经第三阀门(F3)回到恒温水箱内，发酵罐内发酵液的温度T1经由第一温度传感器(T1)传输到第一温度变送器(WB1)，再变换成4-20mA信号送到下位机(4)；恒温水箱内的温度T2经由第二温度传感器(T2)传输到第二温度变送器(WB2)，再变换成4-20mA信号也送到下位机；下位机根据发酵罐内发酵液的温度T1、恒温水箱内的温度T2，通过模糊PID算法，调节加热器(R)或冷却水，达到发酵罐内发酵液温度控制的目的。

1.  一种蜜环菌液态发酵温度控制装置，其特征在于该装置包括发酵罐(1)，夹套(1.1)、电机(1.2)、调速器(1.3)、恒温水箱(2)，第一温度传感器(T₁)、第二温度传感器(T₂)、加热器(R)、上位机(3)、下位机(4)；第一阀门(F1)、第二阀门(F2)、第三阀门(F3)、第四阀门(F4)、第五阀门(F5)、第六阀门(F6)；第一电磁阀(DP1)、第二电磁阀(DP2)、第一温度变送器(WB1)、第二温度变送器(WB2)、循环泵(B)；其中，发酵罐(1)的外壁设有夹套(1.1)，调速器(1.3)的输入端接下位机(4)，输出端接电机(1.2)，由电机(1.2)驱动位于发酵罐(1)中的机械搅拌器；在发酵罐(1)的底部顺序通过第一阀门(F1)、循环泵(B)、第二阀门(F2)接恒温水箱(2)的下部，发酵罐(1)的上部通过第三阀门(F3)接接恒温水箱(2)的上部，在发酵罐(1)的顶部设有第一电磁阀(DP1)，第一温度传感器(T₁)通过第一温度变送器(WB1)接下位机(4)；在恒温水箱(2)的上部通过第四阀门(F4)、第五阀门(F5)接外部的冷却水，在第四阀门(F4)、第五阀门(F5)的两端并联有第六阀门(F6)，在第四阀门(F4)、第五阀门(F5)之间设有第二电磁阀(DP2)，在恒温水箱(2)中还设有加热器(R)和第二温度传感器(T₂)，第二温度传感器(T₂)通过第二温度变送器(WB2)接下位机(4)，加热器(R)和第二电磁阀(DP2)接下位机(4)。

2.  一种如权利要求1所述的蜜环菌液态发酵温度控制装置的控制方法，其特征在于该控制方法采用基于模糊PID算法的蜜环菌液态发酵温度控制方法，模糊PID控制利用模糊控制规则对PID参数进行修改，把温度误差e和误差变化率e_c作为系统两个输入，经模糊化和模糊推理后，输出参数K_p，K_i，K_d给PID调节器，把它们分别加上参数的初始值就得到了PID控制的实际参数，从而确定控制器输入和输出变量，输出相应的控制量控制输出模块，改变平均输出功率，从而实现对温度的控制；其中，K_P为比例增益；为积分系数；为微分系数。

3.  根据权利要求2所述的蜜环菌液态发酵温度控制装置的控制方法，其特征在于发酵罐(1)内发酵液的温度是由夹套(1.1)内的水温进行调节，恒温水箱(2) 内的恒温水由循环泵(B)通过第一阀门(F1)、第二阀门(F2)泵入发酵罐底部夹套内(1.1)，再由发酵罐上部夹套经第三阀门(F3)回到恒温水箱(1)内，发酵罐内发酵液的温度T1经由第一温度传感器(T₁)传输到第一温度变送器(WB1)，再变换成4-20mA信号送到下位机(4)；恒温水箱(2)内的温度T2经由第二温度传感器(T₂)传输到第二温度变送器(WB2)，再变换成4-20mA信号也送到下位机(4)；下位机(4)根据发酵罐内发酵液的温度T1、恒温水箱(2)内的温度T2，通过模糊PID算法，调节加热器(R)或冷却水，达到发酵罐内发酵液温度控制的目的。

一种蜜环菌液态发酵温度控制装置及方法
技术领域
本发明涉及发酵温度控制，特指一种基于模糊PID(比例微分积分)算法的蜜环菌液态发酵温度控制系统。
背景技术
蜜环菌营养丰富，还具有药用价值。据报道，干菇含粗蛋白11.4％，脂肪5.2％，碳水化合物75.9％，纤维素5.8％，灰分7.5％，热量384千卡。子实体中还含D-苏来醇，维生素A等，对治疗腰腿疼痛、佝偻病、癫痫病有功效。经常食用蜜环菌，可预防视力减退、夜盲、皮肤干燥，并可增强人体对某些呼吸道及消化道传染病的抵抗力。据国外报道，从蜜环菌子实体中分离出的水溶性葡聚糖和多肽葡聚糖，经动物试验，后者对小白鼠肉瘤S-180的抑制率为70％，对艾氏腹水癌的抑制率为80％。日本学者，还从蜜环菌子实体中分离出一种AMG-l的化合物，对大脑具有保护作用和镇静作用。蜜环菌的固体发酵制品，蜜环菌片、银蜜片，可代替天麻作药，对高血压椎基底动脉供血不足、美尼尔氏症、植物神经功能紊乱等疾病引起眩晕的病人，治疗效果较好。对肢麻、失眠、耳鸣、中风后遗症等也有一定的疗效。1932年Reitsma对蜜环菌作了详细调查，并进行了一系列生理研究。蜜环菌是天麻不可缺少的互惠共生菌，栽培天麻必需蜜环菌的帮助。
蜜环菌菌丝体的培养有液态深层发酵和固态发酵两种，本发明以液态深层发酵为基础，解决温度控制问题。
发明内容
技术问题：温本发明的目的是提供一种基于模糊PID算法的蜜环菌液态发酵温度控制装置及方法。温度在发酵过程中具有时滞性、非线性等特点，且不易建立发酵过程被控对象精确的数学模型。解决发酵系统的非线性、时变、时滞性、干扰和发酵过程中参数变化对温度控制效果的影响。
技术方案：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精确的数学模型，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。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。模糊控制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。同时，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。
本发明的蜜环菌液态发酵温度控制装置包括发酵罐，夹套、电机、调速器、恒温水箱，第一温度传感器、第二温度传感器、加热器、上位机、下位机；第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门；第一电磁阀、第二电磁阀、第一温度变送器、第二温度变送器、循环泵；其中，发酵罐的外壁设有夹套，调速器的输入端接下位机，输出端接电机，由电机驱动位于发酵罐中的机械搅拌器；在发酵罐的底部顺序通过第一阀门、循环泵、第二阀门接恒温水箱的下部，发酵罐的上部通过第三阀门接接恒温水箱的上部，在发酵罐的顶部设有第一电磁阀，第一温度传感器通过第一温度变送器接下位机；在恒温水箱的上部通过第四阀门、第五阀门接外部的冷却水，在第四阀门、第五阀门的两端并联有第六阀门，在第四阀门、第五阀门之间设有第二电磁阀，在恒温水箱中还设有加热器和第二温度传感器，第二温度传感器通过第二温度变送器接下位机，加热器和第二电磁阀接下位机。
该控制方法采用基于模糊PID算法的蜜环菌液态发酵温度控制方法，模糊PID控制利用模糊控制规则对PID参数进行修改，把温度误差e和误差变化率e_c作为系统两个输入，经模糊化和模糊推理后，输出参数K_p，K_i，K_d给PID调节器，把它们分别加上参数的初始值就得到了PID控制的实际参数，从而确定控制器输入和输出变量，输出相应的控制量控制输出模块，改变平均输出功率，从而实现对温度的控制；其中，K_P为比例增益；为积分系数；为微分系数。
发酵罐内发酵液的温度是由夹套内的水温进行调节，恒温水箱内的恒温水由循环泵通过第一阀门、第二阀门泵入发酵罐底部夹套内，再由发酵罐上部夹套经第三阀门回到恒温水箱内，发酵罐内发酵液的温度T1经由第一温度传感器传输到第一温度变送器，再变换成4-20mA信号送到下位机；恒温水箱内的温度T2经由第二温度传感器传输到第 二温度变送器，再变换成4-20mA信号也送到下位机；下位机根据发酵罐内发酵液的温度T1、恒温水箱内的温度T2，通过模糊PID算法，调节加热器或冷却水，达到发酵罐内发酵液温度控制的目的。
有益效果：PID控制作为一种传统的控制策略，具有控制方式简单、无稳态误差等特点。用模糊PID控制器来控制发酵过程中罐内物料温度。本发明的模糊PID控制是在一般PID控制系统的基础上，加上一个模糊控制规则环节，将模糊控制和PID控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有PID控制精度高的特点，对复杂控制系统系统具有良好的控制效果。发酵罐采用夹套传热控温方式，达到不同发酵阶段对温度的要求。
附图说明
图1是本发明模糊PID温度控制系统的结构图。
图2为蜜环菌发酵装置温度控制示意图，其中包括：发酵罐1，夹套1.1、电机1.2、调速器1.3、第一温度传感器T₁、恒温水箱2，第二温度传感器T₂、加热器R、上位机3、下位机4；第一阀门F1、第二阀门F2、第三阀门F3、第四阀门F4、第五阀门F5、第六阀门F6；第一电磁阀DP1、第二电磁阀DP2、第一温度变送器WB1、第二温度变送器WB2、循环泵B。
具体实施方式
发酵罐1的外壁设有夹套1.1，调速器1.3的输入端接下位机4，输出端接电机1.2，由电机1.2驱动位于发酵罐1中的机械搅拌器；在发酵罐1的底部顺序通过第一阀门F1、循环泵B、第二阀门F2接恒温水箱2的下部，发酵罐1的上部通过第三阀门F3接接恒温水箱2的上部，在发酵罐1的顶部设有第一电磁阀DP1，第一温度传感器T₁通过第一温度变送器WB1接下位机4；在恒温水箱2的上部通过第四阀门F4、第五阀门F5接外 部的冷却水，在第四阀门F4、第五阀门F5的两端并联有第六阀门F6，在第四阀门F4、第五阀门F5之间设有第二电磁阀DP2，在恒温水箱2中还设有加热器R和第二温度传感器T₂，第二温度传感器T₂通过第二温度变送器WB2接下位机4，加热器R和第二电磁阀DP2接下位机4。
1.增量型PID算法
Δu(k)＝u(k)-u(k-1)
＝K_P[e(k)-e(k-1)]+K_Ie(k)+K_D[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]  (1)
其中K_P为比例增益；为积分系数；为微分系数。
为编程方便将式(1)整理成如下形式
Δu(k)＝q₀e(k)+q₁e(k-1)+q₂e(k-2)  (2)
其中
q0=KP(1+TTI+TdT)q1=-KP(1+2TdT)q2=KPTdT]]>
增量型控制算法与位置型算法比较，具有以下优点：
(1)增量型算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，对控制量的计算影响较小。而位置型算法要用到过去的误差的累加值，容易产生大的累加误差。
(2)增量型算法得出的是控制量的增量，例如阀门控制中，只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。而位置型算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大。
(3)采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。
2.模糊PID控制器
如图1所示，模糊PID控制利用模糊控制规则对PID参数进行修改，把温度误差e和误差变化率e_c作为系统两个输入，经模糊化和模糊推理后，输出参数K_p，K_i，K_d给PID调节器。把它们分别加上参数的初始值就得到了PID控制的实际参数。从而确定控制器输入和输出变量。
建立温度的模糊控制规则时，隶属度函数和控制规则表的确定和温控性能紧密相关。ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d是模糊控制器的输出，即PID参数的校正量。把K_p、K_i和K_d代入数字PID表达式中，这样就得到了输出量，经计算后，输出相应的控制量控制输出模块，改变平均输出功率，从而实现对温度的控制。模糊查询表如表1所示。
表1模糊查询表

3.恒温水系统
如图2所示，发酵罐内发酵液的温度是由夹套内的水温进行调节，恒温水箱内的恒温水由循环泵通过第一阀门F1、第二阀门F2泵入发酵罐底部夹套内，再由发酵罐上部夹套经阀门F3回到恒温水箱内。
发酵罐内发酵液的温度T1经由温度传感器pt100传输到温度变送器WB1，再变换成4-20mA信号送到下位机.
恒温水箱内的温度T2经由温度传感器pt100传输到温度变送器WB2，再变换成 4-20mA信号也送到下位机.
下位机根据T1，T2，通过模糊PID算法，调节加热器或冷却水，达到发酵罐内发酵液温度控制的目的。
由于发酵前期、中期、后期的热交换有很大的差异，在此过程中被控对象的参数有较大变化，数学模型的建立是相当困难的，因此考虑对模型要求不太高的模糊控制算法，并结合PID控制器具有结构简单、容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点，根据发酵过程参数的变化修改控制规则，这样对发酵过程温度控制取得较好的效果。