基于模糊自整定PID發(fā)酵溫度串級控制的應(yīng)用研究

2.73萬字
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摘要 微生物發(fā)酵現(xiàn)在越來越受到科學(xué)界的重視，在食品、醫(yī)藥等方面占有越來越重要的地位，因此如何提高發(fā)酵效率值得人們?nèi)パ芯?。影響發(fā)酵效率的因素有不少，比如溫度對于發(fā)酵速率和發(fā)酵程度有很大的影響；pH影響微生物的生存與發(fā)酵效率；壓力、溶氧度DO對于發(fā)酵環(huán)境的影響。
鑒于溫度對發(fā)酵的關(guān)鍵性影響，本文著重研究對微生物發(fā)酵的溫度控制。目前的溫度控制方法有很多，比如模糊控制、PID控制以及將兩者結(jié)合起來的模糊PID參數(shù)控制。本文在將這幾種常用的控制方法比較之后，結(jié)合各種控制方法的特性，最后采用模糊PID參數(shù)自整定控制的方法，以求對發(fā)酵罐溫度的有效控制，從而達(dá)到發(fā)酵效率的最大化。
在發(fā)酵罐溫度控制中，由于發(fā)酵罐溫度具有大時(shí)變、滯后性、非線性等特點(diǎn)，鑒于這些特點(diǎn)，這里采用了串級控制的方法。所謂的串級控制，就是采用了兩個(gè)控制變量，即主控變量和副控變量，用一個(gè)變量的結(jié)果作為給定值，用于另一個(gè)變量的輸入，這種控制能夠有效解決大時(shí)變、滯后性、非線性等問題。
硬件部分是使用PLC來完成的，本文利用S7-200來對發(fā)酵罐的溫度進(jìn)行控制。相對于單片機(jī)等，PLC使用方便、操作簡單也比較容易掌握。
軟件部分采用了模塊化處理的方法，將三個(gè)控制部分作為三個(gè)子程序來完成，模塊化的好處是能夠簡便程序，降低維護(hù)維修成本。
關(guān)鍵詞：發(fā)酵 溫度 模糊PID參數(shù)整定 PLC


Based on the Fuzzy Self-tuning PID Fermentation Temperature Cascade Control Application Research
Abstract Microbial fermentation is now more and more get the attention of the scientific community, in food, medicine and other aspects occupies more and more important position. So how to improve the efficiency of fermentation are worth to study. There are many factors that influence efficiency of fermentation, such as temperature for fermentation rate and degree of fermentation has a great influence; The influence of PH on the fermentation environment for reactants can reflect, reflect how influential; Pressure, dissolved oxygen level DO effect on the fermentation conditions
In view of the critical influence of temperature on fermentation, this paper research on microbial fermentation temperature control. The present temperature control methods are many, such as fuzzy control and PID control, and combine the fuzzy PID control in this paper, after comparing the several kinds of commonly used control methods, combined with the advantages and disadvantages of various methods, finally USES the fuzzy PID control method, for the effective control of the fermentation tank temperature so as to maximize the efficiency of fermentation.
In the fermentation tank temperature control Because the temperature of fermentation tank has large variable, time-varying characteristics, in view of the characteristics of the cascade control method was adopted here. Is adopted, for example, the so-called cascade control two control variables, namely the control variables and control variables, using a variable as the result of the given value, the output to another variable, this control can effectively avoid big variable, time-varying characteristics.
Is the use of PLC to complete that part of the hardware in this paper, using S7-200 to control the temperature of fermentation tank, PLC is simple to use and easy to operate, learn fast.
Software part adopts the modular processing method, the three control part as a subroutine to complete, the benefits of modularity is easy to program, reduce maintenance cost.
Key words Fermentation temperature fuzzy PID parameters setting the PLC


目錄
第一章 緒論 1
1.1 課題的背景及意義 1
1.2微生物發(fā)酵的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.3 論文主要研究內(nèi)容 4
1.4本章小結(jié) 5
第二章 微生物發(fā)酵工藝參數(shù)研究 6
2.1微生物發(fā)酵工藝流程 6
2.2 微生物發(fā)酵主要環(huán)境因子的影響 8
2.2.1溫度對發(fā)酵過程的影響 8
2.2.2 pH值對發(fā)酵過程的影響 9
2.2.3 DO對發(fā)酵過程的影響 9
2.2.4菌體濃度對發(fā)酵過程的影響 11
2.3主要環(huán)境因子控制方法 11
2.3.1.溫度的控制 11
2.3.2溶氧量DO的控制 12
2.3.3.pH值的控制 13
2.4 本章小結(jié) 14
第三章 模糊PID參數(shù)自整定的控制算法 15
3.1 控制基礎(chǔ) 15
3.1.1模糊控制算法 15
3.1.2 PID 控制算法 17
3.1.3串級控制算法 19
3.1.4模糊PID參數(shù)自整定控制算法 21
3.2 基于模糊自整定PID溫度串級控制器設(shè)計(jì) 23
3.2.1溫度的模糊推理機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23
3.2.2溫度的精確量模糊化處理 24
3.2.3溫度PID控制器參數(shù)的模糊自整定規(guī)則 25
3.3本章小結(jié) 31
第四章 控制系統(tǒng)的硬件配置 32
4.1 PLC的選型及硬件配置 32
4.1.1 PLC的工作原理 32
4.1.2 PLC硬件配置 33
4.2 PLC硬件原理圖 34
4.3 傳感器的選擇 35
4.3.1溫度傳感器 35
4.3.2 DO傳感器 36
4.3.3 pH傳感器 36
4.4發(fā)酵罐系統(tǒng)硬件分析 37
4.4.1發(fā)酵罐系統(tǒng)分析 37
4.4.2發(fā)酵罐硬件組成 38
4.5本章小結(jié) 40
第五章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 41
5.1下位機(jī)開發(fā)環(huán)境 41
5.2下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 42
5.3 各控制過程程序設(shè)計(jì) 44
5.3.1電機(jī)控制調(diào)節(jié)閥控制流量 44
5.3.2出口水溫度控制發(fā)酵罐內(nèi)溫度 46
5.4發(fā)酵溫度控制程序設(shè)計(jì) 48
5.5本章小結(jié) 49
第六章 總結(jié)與展望 50
致謝 51
參考文獻(xiàn) 52