北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院　趙　陽　艾靜靜　尚　燕　潘俊濤

基于模糊自適應(yīng)PID的CSTR厭氧發(fā)酵系統(tǒng)溫度控制

北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院趙陽艾靜靜尚燕潘俊濤

在沼氣發(fā)酵出產(chǎn)的過程中，溫度是影響沼氣微生物出產(chǎn)量的主要因素，在CSTR的厭氧發(fā)酵罐中的溫度是整個發(fā)酵系統(tǒng)中主要控制對象，通過控制溫度可以控制發(fā)酵罐內(nèi)的產(chǎn)氣率、微調(diào)PH值。而CSTR中溫度控制具有滯后性。本設(shè)計利用模糊自適應(yīng)PID控制不用精確數(shù)學(xué)模型以及能夠自行整定參數(shù)特點控制CSTR，使其能夠適合微生物出產(chǎn)沼氣并保持溫度恒定，大大提升了沼氣生產(chǎn)的效率。

沼氣；CSTR；PID；溫度

0　前言

沼氣池是一種在農(nóng)村十分常見的設(shè)備，但是由于一般家用沼氣池環(huán)境普通，微生物不在最適宜的條件下，所以家用沼氣池產(chǎn)氣率很低，當(dāng)沼氣池溫度低于10度時幾乎不產(chǎn)氣體，因此在大規(guī)模沼氣生產(chǎn)時要對溫度加以控制進(jìn)而保證產(chǎn)氣率。CSTR是一種全混合厭氧反應(yīng)器，通過攪拌電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)使反應(yīng)罐內(nèi)微生物和細(xì)菌充分融合，從而達(dá)到快速反應(yīng)充分反應(yīng)的目的，反應(yīng)器設(shè)計有加熱系統(tǒng)，可聯(lián)通外部熱水罐控制內(nèi)部反應(yīng)罐溫度。

1　系統(tǒng)設(shè)計

CSTR發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個發(fā)酵罐處于密封狀態(tài)，在6處安裝正負(fù)減壓閥防止出現(xiàn)內(nèi)外氣壓偏差過大發(fā)生危險。溫度傳感器安裝在與熱水管道存在一距離的反應(yīng)物中，且要安裝多個處于不同水平面上，圖1中所有器件位置僅作說明用，并非實際工程中位置，在使用溫度傳感器數(shù)據(jù)時按照平均法，將采集到的同一時刻不同位置的多個溫度值做平均運(yùn)算以求得到盡量合適的溫度信號。12處為氣動調(diào)節(jié)閥，可根據(jù)控制信號調(diào)整開度大小，控制熱水流量進(jìn)而控制發(fā)酵罐內(nèi)液體溫度。8處為氣體成分分析儀，通過分析實時氣體成分做好實時調(diào)整。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計圖1.熱水出口 2.入料口 3.液位傳感器 4.攪拌器 5壓力傳感器6.正負(fù)減壓閥 7.沼氣出氣口 8.氣體成分分析儀 9.溫度傳感器 10.出料口 11.注水入口 12.氣動調(diào)節(jié)閥 13.容器壁

圖2　系統(tǒng)控制圖

2　控制方案

系統(tǒng)以PLC為控制核心，通過溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號，最終以4～20MA的電流信號送到PLC的模擬量輸入，PLC根據(jù)當(dāng)前溫度情況，向氣動調(diào)節(jié)閥傳送4～20MA信號，控制閥門開度，進(jìn)而控制熱水流量，實現(xiàn)對罐內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)。

圖2中，r為設(shè)定的合適發(fā)酵溫度，被控對象為入水口的氣動調(diào)節(jié)閥，模糊推理與PID算法被植于PLC 中。

3　數(shù)據(jù)的模糊化處理

沼氣微生物最適宜的活動溫度范圍在35℃左右，所以CSTR的溫度控制系統(tǒng)設(shè)定35℃為給定值，CSTR發(fā)酵罐內(nèi)溫度提供內(nèi)部溫度傳感器反饋至系統(tǒng)PLC，則系統(tǒng)輸出控制熱水的流入量及流入速度影響CSTR發(fā)酵罐內(nèi)溫度變化。

由于CSTR發(fā)酵罐內(nèi)沼氣微生物對溫度十分敏感，傳統(tǒng)PID控制CSTR發(fā)酵罐內(nèi)溫度的參數(shù)很難適應(yīng)微生物活動規(guī)律，本設(shè)計通過實際操作經(jīng)驗及微生物活動統(tǒng)計規(guī)律，結(jié)合模糊控制理論設(shè)計出了模糊自適應(yīng)PID發(fā)酵罐溫度控制參數(shù)調(diào)整方法。根據(jù)模糊控制理論，模糊推理規(guī)則由

CSTR發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)的偏差e及偏差變化率ec輸入決定，參數(shù)的變化值由模糊推理規(guī)則得kp、ki、kd的新參數(shù)為上一次加上本次參數(shù)的模糊變化值如式（1）。

輸入量偏差 e 及偏差變化率ec的模糊論域子集為：｛ NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝ ，

當(dāng)|e| 較大時，為使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能，取較大的kp與較小的kd，同時為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對積分作用加以限制，通常取ki= 0；當(dāng)|e| 處于中等大小時，具有較小的超調(diào)，kp應(yīng)取得小些，在這種情況下，kd的取值對系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大，ki的取值要適當(dāng)；當(dāng)|e|較小時，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性kp和ki均取大些，當(dāng)|ec|較大時，kd可取小些； |ec|較小時kd可取得較大些，通常kd為中等大小。

根據(jù)以上規(guī)定和模糊控制理論，以及現(xiàn)場操作經(jīng)驗，做出模糊規(guī)則推理表，如表1、2、3所示。

表1　kp模糊查詢表

表2　ki模糊查詢表

表3　kd模糊查詢表

圖4　kp的數(shù)據(jù)塊

4　模糊控制在PLC中的實現(xiàn)

本系統(tǒng)選擇使用西門子S7-300PLC，系統(tǒng)配置包括：PS 307 ，

CPU315-2DP，SM331，SM332，及適配器。在Step7中建立項目，組態(tài)硬件編寫程序。程序控制包括主程序OB1，中斷程序OB35，數(shù)據(jù)塊DB1、DB2、DB3及組織FC1，初始化程序塊OB100。通過基址加偏移量的方式將模糊表導(dǎo)入DB塊中，在FC1中編寫模糊49條模糊規(guī)則，在OB35中編寫PID程序。DB1中導(dǎo)入kp的模糊查詢表，

DB2中導(dǎo)入ki的模查詢經(jīng)OB100初始化后輸入設(shè)定值，采集當(dāng)前溫度值計算偏差與偏差變化率，最終求得所需kp、ki、kd值，通過多個周期的調(diào)整溫度值最終穩(wěn)定在設(shè)定值周圍（見圖4）。

4.結(jié)論

記錄從開始發(fā)酵到穩(wěn)定得曲線圖5。

圖5　溫度數(shù)據(jù)擬合圖像

由圖5知，在調(diào)節(jié)初期溫度變化不大，隨著閥門開度的增大中期溫度上升迅速，調(diào)節(jié)30min左右出現(xiàn)達(dá)到35度最優(yōu)溫度，隨后出現(xiàn)超調(diào)，峰值最終達(dá)到36.2度，隨后開始靠近最優(yōu)值，并穩(wěn)定在35度左右，可見在CSTR厭氧發(fā)酵罐中使用模糊自適應(yīng)PID調(diào)節(jié)取得較好的控制效果。

［1］劉建敏.農(nóng)村家用沼氣發(fā)酵工藝參數(shù)的優(yōu)選研究［D］.西南大學(xué)，2006.

［2］孫麗麗.秸稈高效沼氣發(fā)酵研究［D］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2009.

［3］楚莉莉.沼氣高效厭氧發(fā)酵的條件及產(chǎn)氣效應(yīng)研究［D］.西北農(nóng)林科技大學(xué)，2011.

［4］劉金琨.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真［M］.電子工業(yè)出版社.