專利名稱：食用菌液體發酵過程中溫度的控制方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種食用菌液體發酵過程中溫度的控制方法及裝置，屬于自動控制技術領域。
背景技術：
發酵罐內的溫度是食用菌菌種液體發酵生產中一個非常重要控制參數，傳統的控制方法主要采用II型調節儀表來控制液體發酵罐內的發酵溫度，對液體發酵這樣的非線性、大滯后系統而言，存在著控溫質量差、自動化程度低、可靠性得不到保證以及投資大等諸多缺點。近些年來，有的公司盡管開發了一些計算機控制系統(主要采用PID控制技術)，但實際效果并不理想。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種能準確控制液體發酵罐內溫度的方法及實現這種方法的裝置，使食用菌液體發酵能通過自動控制來保證達到液體發酵工藝的要求。
解決上述技術問題的技術方案是一種食用菌液體發酵過程中溫度的控制方法，它采用以下工藝流程用傳感器采集發酵罐內的溫度，并將檢測信號傳送給計算機，計算機將采集到的信息處理后與預先標定好的設定值進行比較，當超過預定值時進行報警，同時輸出控制信號，輸出信號作用于調節閥，通過控制調節閥開口大小及時控制發酵罐夾層循環水溫，調節發酵溫度，實現對發酵罐內溫度的有效調控，在上述工藝過程中，本發明的特別改進之處是，它在建立上述預定值和輸出控制信號時采用了預測模糊控制算法和步驟1.利用專家經驗知識和預測模型進行預測，得到系統未來的預測輸出，微機經中斷采樣獲取被控量的精確值，通過預測模型，然后將設定輸出值和預測輸出值間的預測誤差及預測誤差變化率作為模糊控制器輸入；2.經過對輸入輸出量的模糊化、模糊控制規則的確定和模糊量的反模糊化處理，得到精確的數字控制量；3.數字控制量再經數模轉換為精確的模擬量送給執行機構，對被控對象進行控制。
上述食用菌液體發酵過程中溫度的控制方法，所述的模糊控制器的結構為兩輸入單輸出的形式，輸入為發酵罐溫度p步預測誤差e和p步預測誤差變化量ec，輸出為控制調節閥開口增量Δu(k)。
上述食用菌液體發酵過程中溫度的控制方法，溫度信號采樣周期為10秒。
上述食用菌液體發酵過程中溫度的控制方法，考慮系統的模型誤差和干擾等的影響，系統的輸出預測值需在預測模型輸出的基礎上，用實際輸出誤差校正。
一種實現上述食用菌液體發酵過程中溫度的控制方法的裝置，它由液體發酵罐、溫度傳感器、計算機、數據采集板、控制繼電器、水泵和調節閥組成，溫度傳感器放置在液體發酵罐內，數據采集板插入計算機的插槽中，數據采集板的模擬輸入通道連接溫度傳感器，數字I/O通道連接控制繼電器，控制繼電器再與調節閥相連接。
本發明采用了計算機技術、虛擬儀器技術、測試技術相結合的方法，對食用菌液體發酵過程中的溫度參數進行了檢測。針對受控對象的非線性和時變性，選用預測控制和模糊控制相結合的控制算法對其進行了控制，通過控制調節閥開口大小及時控制發酵罐夾層循環水溫，使液體發酵的溫度保持在適當的范圍，從而為菌絲生長提供良好的發酵環境，滿足菌絲發酵過程對溫度的要求，更好的提高發酵產物的產量和質量。本裝置的利用溫度傳感器檢測數據，實現參數的自動采集，利用智能控制技術控制水泵及調節閥的開啟。
圖1是食用菌液體發酵過程中溫度的控制方法的工作流程圖；圖2是食用菌液體發酵過程中溫度的控制裝置的原理框圖；圖3是本發明的模糊預測控制框4是本發明的預測控制算法流程5是本發明的模糊控制算法流程圖具體實施方式
金針菇菌種液體發酵應用實例圖1、圖2顯示了本發明的工作過程和裝置。
液體發酵溫度控制系統主要由液體發酵罐1、溫度傳感器2、計算機3、數據采集板4、控制繼電器5、水泵6和調節閥7等組成。其工作過程是液體發酵罐1內的溫度由溫度傳感器2采集并轉換成電信號，通過具有A/D轉換功能的數據采集板4，將檢測信號傳送給計算機3，計算機3一方面利用虛擬儀器軟件。代替傳統的組合儀表，在屏幕上動態的顯示檢測參數的變化，并以表格等形式記錄、存儲數據，另一方面計算機將采集到的信息處理后與預先標定好的設定值25℃進行比較，當超過預定值25±0.5℃時進行報警，同時采用預測模糊控制算法進行運算，輸出控制信號，再經數據采集板4的數字I/O通道，將輸出信號作用于繼電器，通過控制調節閥開口的大小，調節發酵罐夾層水溫來達到調節發酵溫度的目的，實現對液體發酵罐1內溫度的有效調控。
數據采集板4選擇了美國NI公司生產的插入式數據采集板PCI-6024E。該數據采集板由數據采集器、存儲單元和控制邏輯等部分組成。本實例中選用該數據采集板4的67，68端口連接溫度傳感器2，采集液體發酵罐1內的溫度，為模擬輸入通道；選用52，53端口連接控制繼電器5，通過控制繼電器5開合控制調節閥7開口的大小，為數字I/O通道。
溫度傳感器2選用靈敏度高、線性好Pt100鉑電阻溫度傳感器。
水泵6型號為AB-12其額定功率為40W，最大流量為12升/分。與水泵相連的調節閥為ZAZP型電動調節閥。電源輸出380V三相交流電經熔斷器、控制繼電器5輸入到調節閥7電源的輸入端，數據采集板4通過數字I/O口輸出低電壓信號控制繼電器5的開合。其中控制繼電器5采用了GJ系列(過零型)固態繼電器(SSR)作為強電與弱電的接口器件。
圖3是用于溫度控制的模糊預測控制系統框圖，其工作原理是微機經中斷采樣獲取被控量的精確值，通過預測模型，利用系統的輸入輸出數據預測未來時刻系統輸出，作為模糊控制器的輸入。模糊控制器的結構為兩輸入單輸出的形式，輸入為發酵罐溫度p步預測誤差e和p步預測誤差變化量ec，輸出為控制調節閥開口增量Δu(k)經過輸入輸出量的模糊化、模糊控制規則的確定和模糊量的反模糊化處理，得到精確的數字控制量，再經數模轉換為精確的模擬量送給執行機構，對被控對象進行控制。考慮系統的模型誤差和干擾等的影響，系統的輸出預測值需在預測模型輸出的基礎上，用實際輸出誤差校正。具體說明如下1、預測部分在每一采樣時刻，未來P個時刻的期望輸出Wo(k)與初始預測輸出yp0(k)構成的偏差向量同動態控制向量dT點乘，計算公式為 得到該時刻的控制增量Δu(k)，這一控制增量一方面通過數字積分(累加)運算求出控制量u(k)并作用于對象，另一方面與模型向量a相乘并按式 計算出其作用后的預測輸出yN1(k)。到下一采樣時刻，首先檢測對象的實際輸出y(k+i)，并與預測值yN1(k)相比較后按式 構成輸出誤差e(k+i)。這一誤差與校正向量h相乘作為誤差預測，在于模型預測一起按式 得到校正后的預測輸出yp(k+i)，并按式 移位后作為新的初始預測值yN0(k+1)，整個過程將反復在線進行。預測控制算法流程圖如圖4所示，圖中 為修正向量，這里可取h＝1.0，a＝1.0。
2、模糊控制通過預測模型，利用系統的輸入輸出數據預測未來時刻系統輸出，作為模糊控制器的輸入。模糊控制器的結構為兩輸入單輸出的形式，輸入為發酵罐溫度p步預測誤差e和p步預測誤差變化量ec，輸出為控制增量Δu(k)，其模糊子集論域為 ；E、EC、U模糊子集為{負大、負中、負小、零、正小、正中、正大}，分別表示為{NB、NM、NS、ZR、PS、PM、PB}，本發明的實施例設定金針菇液體發酵溫度是25℃，偏差范圍±3℃，偏差變化率的范圍為±1.2℃，調節閥開口大小的控制量范圍為±3mm，隸屬度函數如表1所示表1 語言變量的隸屬度函數X*X-6 -5-4-3-2-10123456NB 1.0 0.5 0 0 0 00000000NM0 0.5 1.0 0.5 0 00000000NS00 0 0.5 1.0 0.50000000ZR00 0 0 0 0.5 1.0 0.500000PS00 0 0 0 00 0.5 1.0 0.5000PM00 0 0 0 0000 0.5 1.0 0.50PB00 0 0 0 000000 0.5 1.0經過輸入輸出量的模糊化，確定模糊控制規則。模糊控制規則的選取是以食用菌專家知識為基礎，總結操作人員實踐經驗得到的。圖5是本發明的模糊控制算法流程圖，模糊控制規則如表2所示。
表2 模糊控制系統的模糊規則EC變E變量量NBNMNSZRPSPMPBNBPBPBPBPBPMZRZRNMPBPBPBPBPMZRZRNSPMPMPMPSZRNSNSZRPMPMPSZRNSNMNMPSPSPSZRNSNMNMNMPMZRZRNMNBNBNBNBPBZRZRNMNBNBNBNB在將模糊量進行反模糊化處理，得到精確的數字控制量，模糊控制響應表如表3所示。
表3 模糊控制響應表eec-6 -5 -4 -3 -2 -10123456-66666554000000-56665443000000-46654321000000-3665432100 -2 -2 -20-2665411000 -2 -4 -20-1554321000 -3 -5 -3004333210 -1 -2 -4 -4 -6 -6
12343000-1 -2 -4 -6 -6 -620232000-1 -2 -4 -6 -6 -63022200 -1-2 -3 -4 -6 -6 -64000000 -2-3 -4 -5 -6 -6 -65000000 -3-4 -5 -5 -6 -6 -66000000 -4-5 -6 -6 -6 -6 -63、模型自校正本發明如果在某一段過程中實際輸出和預測輸出之間的偏差始終偏離實際值某一個方向且無減小的趨勢，則說明預測模型與實際模型偏差較大，可啟動自校正算法，自校正算法公式為e＝Δy(k)＝y(k)-y(k-1)，其中y(k)為k時刻系統的輸出，y(k-1)為k-1時刻系統的輸出。
本發明采用了中文Windows98操作系統作為軟件的運行環境，開發工具選用了美國NI公司推出的虛擬儀器開發軟件Labwindows/CVI6.0，LabWindows/CVI6.0和其它大多數工程測控軟件一樣都包含如下內容用戶界面、程序控制、數據采集、數據分析等幾個部分。其中軟面板程序用來提供虛擬儀器與用戶的接口，它可以在計算機屏幕上生成一個與傳統儀器面板相似的圖形界面，用于顯示測量的結果等。同時，用戶還可通過軟面板上的開關和按扭，模擬傳統儀器的各種操作，通過鍵盤或鼠標實現對虛擬儀器的控制。儀器驅動程序主要用來初始化虛擬儀器，設置特定的參數和工作方式，使虛擬儀器保持在正常的工作狀態。應用程序主要用來對輸入計算機的數據進行處理，用戶就是通過編制應用程序來定義虛擬儀器功能的。本測控系統主要包括參數設定、參數標定、檢測與控制、數據管理、歷史查詢、幫助等幾個模塊。在進入測控系統前首先要輸入用戶密碼，輸入正確，才可進入主控臺。
參數設定模塊主要是對發酵罐基本參數設置、采集參數、控制參數進行系統設置。設置系統采集參數時，用戶可以根據硬件的情況再此處分配各路通道，如對采樣周期、模擬輸入通道、模擬輸出通道和數字通道進行選擇與初始化。初始化內容包括給定通道號、量程下限，量程上限，采樣時間等數據。如遇硬件故障，需更換通道時，只需重新分配通道即可。
權利要求
1.一種食用菌液體發酵過程中溫度的控制方法，它采用以下工藝步驟完成用傳感器采集發酵罐內的溫度，并將檢測信號傳送給計算機，計算機將采集到的信息處理后與預先標定好的設定值進行比較，當超過預定值時進行報警，同時輸出控制信號，輸出信號作用于調節閥，通過控制調節閥開口大小及時控制發酵罐夾層循環水溫調節發酵溫度，實現對發酵罐內溫度的有效調控，其特征在于它在建立上述預定值和輸出控制信號時采用了預測模糊控制算法和步驟(1)、利用專家經驗知識和預測模型進行預測，得到系統未來的預測輸出，微機經中斷采樣獲取被控量的精確值，通過預測模型，然后將設定輸出值和預測輸出值間的預測誤差及預測誤差變化率作為模糊控制器輸入；(2)、經過對輸入輸出量的模糊化、模糊控制規則的確定和模糊量的反模糊化處理，得到精確的數字控制量；(3)、數字控制量再經數模轉換為精確的模擬量送給執行機構，對被控對象進行控制。
2.根據權利要求1所述的食用菌液體發酵過程中溫度的控制方法，其特征在于所述的模糊控制器的結構為兩輸入單輸出的形式，輸入為發酵罐溫度p步預測誤差e和p步預測誤差變化量ec，輸出為控制調節閥開口增量Δu(k)。
3.根據權利要求2所述的食用菌液體發酵過程中溫度的控制方法，其特征在于溫度信號采樣周期為10秒。
4.根據權利要求3所述的食用菌液體發酵過程中溫度的控制方法，其特征在于考慮到系統的模型誤差和干擾等的影響，系統的輸出預測值需在預測模型輸出的基礎上，用實際輸出誤差校正。
5.一種實現上述食用菌液體發酵過程中溫度的控制方法的裝置，其特征在于它由液體發酵罐 溫度傳感器 計算機 數據采集板 控制繼電器 水泵 調節閥 組成，溫度傳感器 放置在液體發酵罐 內，數據采集板 插入計算機 的插槽中，數據采集板 的模擬輸入通道連接溫度傳感器 的輸出端，數字I/O通道連接控制繼電器 控制繼電器 再與調節閥 相連接。
全文摘要
一種食用菌液體發酵過程中溫度的控制方法及裝置，屬于自動控制技術領域，所要解決的技術問題是提供一種能準確控制液體發酵罐內溫度的方法及實現這種方法的裝置，其技術解決方案是采用計算機技術、虛擬儀器技術、測試技術相結合的方法，對食用菌液體發酵過程中的溫度參數進行了檢測，將設定輸出值和預測輸出值間的預測誤差及預測誤差變化率作為模糊控制器輸入，選用預測控制和模糊控制相結合的控制算法對其進行了控制，使液體發酵的溫度保持在在適當的范圍，從而為菌絲生長提供良好的發酵環境，滿足菌絲發酵過程對溫度的要求，更好的提高發酵產物的產量和質量。其裝置為液體發酵罐、溫度傳感器、計算機、數據采集板、控制繼電器、水泵和調節閥組成。
文檔編號C12M1/36GK1597918SQ20041001244
公開日2005年3月23日 申請日期2004年7月27日 優先權日2004年7月27日
發明者錢東平, 張瑞青, 霍曉靜, 劉亞瓊, 陳文杰 申請人:河北農業大學