一种蜜环菌液态发酵温度控制装置及方法

一种蜜环菌液态发酵温度控制装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及发酵温度控制，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】
[0002] 蜜环菌营养丰富，还具有药用价值。据报道，干茹含粗蛋白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、何偿病、癒痛病有功效。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肤葡聚糖，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-1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、美巧尔氏症、植物神经功能素 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。
[0003] 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W液态深层发酵为 基础，解决温度控制问题。

【发明内容】

[0004] 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。
[000引技术方案；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W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，该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，模糊控制系统的鲁椿性强，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。
[0006] 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；第一阀口、第二阀口、第= 阀口、第四阀口、第五阀口、第六阀口；第一电磁阀、第二电磁阀、第一温度变送器、第二温度 变送器、循环累；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揽拌器；在发酵罐的底部顺序通过第一阀口、循环累、第二 阀口接恒温水箱的下部，发酵罐的上部通过第=阀口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 过第四阀口、第五阀口接外部的冷却水，在第四阀口、第五阀口的两端并联有第六阀口，在 第四阀口、第五阀口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。
[0007] 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。作为系统两个输 入，经模糊化和模糊推理后，输出参数Kp，町，Kd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，Kp为比例增益；= 为 积分系数；& 为微分系数。
[000引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 累通过第一阀口、第二阀口累入发酵罐底部夹套内，再由发酵罐上部夹套经第=阀口回到 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。
[0009] 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】
[0010] 图1是本发明模糊PID温度控制系统的结构图。
[0011] 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Ti、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 ;第一阀口F1、第二阀口F2、第S阀口F3、第四阀口F4、第五阀口F5、第六阀口F6 ;第一电 磁阀DPI、第二电磁阀DP2、第一温度变送器WB1、第二温度变送器WB2、循环累B。
【具体实施方式】
[0012] 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中的机械揽拌器；在发酵罐1的底部顺序通过第一阀口 F1、循环累B、第二阀口巧接恒温水箱2的下部，发酵罐1的上部通过第=阀口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DPI，第一温度传感器Ti通过第一温度 变送器WB1接下位机4;在恒温水箱2的上部通过第四阀口F4、第五阀口巧接外部的冷却 水，在第四阀口F4、第五阀口巧的两端并联有第六阀口F6,在第四阀口F4、第五阀口巧之 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。
[0013] 1.增量型PID算法
[0014] A U化）=U化)-U化-1)
[0015] = Kp[e(k)-e化-1)]+Kie化)+Kn[e化)-2e化-l)+e(k-2)] (1)
[0016]其中Kp为比例增益；At =吟^为积分系数.& 为微分系数 。
[0017] 为编程方便将式（1)整理成如下形式
[001引A U似=q0e似+Qie化-1)+926化-2)似
[0019] 其中
[0020]
[0021] 增量型控制算法与位置型算法比较，具有W下优点：
[0022] (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。
[002引 似增量型算法得出的是控制量的增量，例如阀口控制中，只输出阀口开度的变 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。
[0024] (3)采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。
[00巧]2.模糊PID控制器
[0026] 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。作为系统两个输入，经模糊化和模糊推理后，输出参数KP，町，Kd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。
[0027] 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。AKp、AKi和AKd是模糊控制器的输出，即PID参数的校正量。把Kp、Ki和Kd代入数字 PID表达式中，该样就得到了输出量，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。
[002引表1模糊查询表[0029]
[0030] 3.恒温水系统
[0031] 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 恒温水由循环累通过第一阀口F1、第二阀口巧累入发酵罐底部夹套内，再由发酵罐上部夹 套经阀口F3回到恒温水箱内。
[0032] 发酵罐内发酵液的温度T1经由温度传感器ptlOO传输到温度变送器WB1，再变换 成4-20mA信号送到下位机.
[0033] 恒温水箱内的温度T2经由温度传感器ptlOO传输到温度变送器WB2,再变换成 4-20mA信号也送到下位机.
[0034] 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。
[0035] 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、鲁椿性强等特点，根据发酵过程参 数的变化修改控制规则，该样对发酵过程温度控制取得较好的效果。
【主权项】
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（I)，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 (T 2)、加热器（R)、上位机（3)、下位机⑷；第一阀门（Fl)、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（WBl)、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（Fl)、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（DPI)，第一温度传感器（T 1)通过第一温 度变送器（WBl)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（T 2)，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. -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。作为系统两个输入，经模糊 化和模糊推理后，输出参数K p，Ki, Kd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，Kp为比例增益； < =心^为积分系数； Cl 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⑴内发酵液的温度是由夹套（I. 1)内的水温进行调节，恒温水箱⑵内的恒温水由循 环泵（B)通过第一阀门（Fl)、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Tl经由第一温度传 感器（T 1)传输到第一温度变送器（WBl)，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（T 2)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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G05D23/32
【公开号】CN104881066
【申请号】CN201510320587
【发明人】陈永琪
【申请人】江苏科海生物工程设备有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月11日