专利名称：食用菌液体发酵过程中温度的控制方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种食用菌液体发酵过程中温度的控制方法及装置，属于自动控制技术领域。
背景技术：
发酵罐内的温度是食用菌菌种液体发酵生产中一个非常重要控制参数，传统的控制方法主要采用II型调节仪表来控制液体发酵罐内的发酵温度，对液体发酵这样的非线性、大滞后系统而言，存在着控温质量差、自动化程度低、可靠性得不到保证以及投资大等诸多缺点。近些年来，有的公司尽管开发了一些计算机控制系统(主要采用PID控制技术)，但实际效果并不理想。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能准确控制液体发酵罐内温度的方法及实现这种方法的装置，使食用菌液体发酵能通过自动控制来保证达到液体发酵工艺的要求。
解决上述技术问题的技术方案是一种食用菌液体发酵过程中温度的控制方法，它采用以下工艺流程用传感器采集发酵罐内的温度，并将检测信号传送给计算机，计算机将采集到的信息处理后与预先标定好的设定值进行比较，当超过预定值时进行报警，同时输出控制信号，输出信号作用于调节阀，通过控制调节阀开口大小及时控制发酵罐夹层循环水温，调节发酵温度，实现对发酵罐内温度的有效调控，在上述工艺过程中，本发明的特别改进之处是，它在建立上述预定值和输出控制信号时采用了预测模糊控制算法和步骤1.利用专家经验知识和预测模型进行预测，得到系统未来的预测输出，微机经中断采样获取被控量的精确值，通过预测模型，然后将设定输出值和预测输出值间的预测误差及预测误差变化率作为模糊控制器输入；2.经过对输入输出量的模糊化、模糊控制规则的确定和模糊量的反模糊化处理，得到精确的数字控制量；3.数字控制量再经数模转换为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行控制。
上述食用菌液体发酵过程中温度的控制方法，所述的模糊控制器的结构为两输入单输出的形式，输入为发酵罐温度p步预测误差e和p步预测误差变化量ec，输出为控制调节阀开口增量Δu(k)。
上述食用菌液体发酵过程中温度的控制方法，温度信号采样周期为10秒。
上述食用菌液体发酵过程中温度的控制方法，考虑系统的模型误差和干扰等的影响，系统的输出预测值需在预测模型输出的基础上，用实际输出误差校正。
一种实现上述食用菌液体发酵过程中温度的控制方法的装置，它由液体发酵罐、温度传感器、计算机、数据采集板、控制继电器、水泵和调节阀组成，温度传感器放置在液体发酵罐内，数据采集板插入计算机的插槽中，数据采集板的模拟输入通道连接温度传感器，数字I/O通道连接控制继电器，控制继电器再与调节阀相连接。
本发明采用了计算机技术、虚拟仪器技术、测试技术相结合的方法，对食用菌液体发酵过程中的温度参数进行了检测。针对受控对象的非线性和时变性，选用预测控制和模糊控制相结合的控制算法对其进行了控制，通过控制调节阀开口大小及时控制发酵罐夹层循环水温，使液体发酵的温度保持在适当的范围，从而为菌丝生长提供良好的发酵环境，满足菌丝发酵过程对温度的要求，更好的提高发酵产物的产量和质量。本装置的利用温度传感器检测数据，实现参数的自动采集，利用智能控制技术控制水泵及调节阀的开启。
图1是食用菌液体发酵过程中温度的控制方法的工作流程图；图2是食用菌液体发酵过程中温度的控制装置的原理框图；图3是本发明的模糊预测控制框4是本发明的预测控制算法流程5是本发明的模糊控制算法流程图具体实施方式
金针菇菌种液体发酵应用实例图1、图2显示了本发明的工作过程和装置。
液体发酵温度控制系统主要由液体发酵罐1、温度传感器2、计算机3、数据采集板4、控制继电器5、水泵6和调节阀7等组成。其工作过程是液体发酵罐1内的温度由温度传感器2采集并转换成电信号，通过具有A/D转换功能的数据采集板4，将检测信号传送给计算机3，计算机3一方面利用虚拟仪器软件。代替传统的组合仪表，在屏幕上动态的显示检测参数的变化，并以表格等形式记录、存储数据，另一方面计算机将采集到的信息处理后与预先标定好的设定值25℃进行比较，当超过预定值25±0.5℃时进行报警，同时采用预测模糊控制算法进行运算，输出控制信号，再经数据采集板4的数字I/O通道，将输出信号作用于继电器，通过控制调节阀开口的大小，调节发酵罐夹层水温来达到调节发酵温度的目的，实现对液体发酵罐1内温度的有效调控。
数据采集板4选择了美国NI公司生产的插入式数据采集板PCI-6024E。该数据采集板由数据采集器、存储单元和控制逻辑等部分组成。本实例中选用该数据采集板4的67，68端口连接温度传感器2，采集液体发酵罐1内的温度，为模拟输入通道；选用52，53端口连接控制继电器5，通过控制继电器5开合控制调节阀7开口的大小，为数字I/O通道。
温度传感器2选用灵敏度高、线性好Pt100铂电阻温度传感器。
水泵6型号为AB-12其额定功率为40W，最大流量为12升/分。与水泵相连的调节阀为ZAZP型电动调节阀。电源输出380V三相交流电经熔断器、控制继电器5输入到调节阀7电源的输入端，数据采集板4通过数字I/O口输出低电压信号控制继电器5的开合。其中控制继电器5采用了GJ系列(过零型)固态继电器(SSR)作为强电与弱电的接口器件。
图3是用于温度控制的模糊预测控制系统框图，其工作原理是微机经中断采样获取被控量的精确值，通过预测模型，利用系统的输入输出数据预测未来时刻系统输出，作为模糊控制器的输入。模糊控制器的结构为两输入单输出的形式，输入为发酵罐温度p步预测误差e和p步预测误差变化量ec，输出为控制调节阀开口增量Δu(k)经过输入输出量的模糊化、模糊控制规则的确定和模糊量的反模糊化处理，得到精确的数字控制量，再经数模转换为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行控制。考虑系统的模型误差和干扰等的影响，系统的输出预测值需在预测模型输出的基础上，用实际输出误差校正。具体说明如下1、预测部分在每一采样时刻，未来P个时刻的期望输出Wo(k)与初始预测输出yp0(k)构成的偏差向量同动态控制向量dT点乘，计算公式为 得到该时刻的控制增量Δu(k)，这一控制增量一方面通过数字积分(累加)运算求出控制量u(k)并作用于对象，另一方面与模型向量a相乘并按式 计算出其作用后的预测输出yN1(k)。到下一采样时刻，首先检测对象的实际输出y(k+i)，并与预测值yN1(k)相比较后按式 构成输出误差e(k+i)。这一误差与校正向量h相乘作为误差预测，在于模型预测一起按式 得到校正后的预测输出yp(k+i)，并按式 移位后作为新的初始预测值yN0(k+1)，整个过程将反复在线进行。预测控制算法流程图如图4所示，图中 为修正向量，这里可取h＝1.0，a＝1.0。
2、模糊控制通过预测模型，利用系统的输入输出数据预测未来时刻系统输出，作为模糊控制器的输入。模糊控制器的结构为两输入单输出的形式，输入为发酵罐温度p步预测误差e和p步预测误差变化量ec，输出为控制增量Δu(k)，其模糊子集论域为 ；E、EC、U模糊子集为{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}，分别表示为{NB、NM、NS、ZR、PS、PM、PB}，本发明的实施例设定金针菇液体发酵温度是25℃，偏差范围±3℃，偏差变化率的范围为±1.2℃，调节阀开口大小的控制量范围为±3mm，隶属度函数如表1所示表1 语言变量的隶属度函数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经过输入输出量的模糊化，确定模糊控制规则。模糊控制规则的选取是以食用菌专家知识为基础，总结操作人员实践经验得到的。图5是本发明的模糊控制算法流程图，模糊控制规则如表2所示。
表2 模糊控制系统的模糊规则EC变E变量量NBNMNSZRPSPMPBNBPBPBPBPBPMZRZRNMPBPBPBPBPMZRZRNSPMPMPMPSZRNSNSZRPMPMPSZRNSNMNMPSPSPSZRNSNMNMNMPMZRZRNMNBNBNBNBPBZRZRNMNBNBNBNB在将模糊量进行反模糊化处理，得到精确的数字控制量，模糊控制响应表如表3所示。
表3 模糊控制响应表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、模型自校正本发明如果在某一段过程中实际输出和预测输出之间的偏差始终偏离实际值某一个方向且无减小的趋势，则说明预测模型与实际模型偏差较大，可启动自校正算法，自校正算法公式为e＝Δy(k)＝y(k)-y(k-1)，其中y(k)为k时刻系统的输出，y(k-1)为k-1时刻系统的输出。
本发明采用了中文Windows98操作系统作为软件的运行环境，开发工具选用了美国NI公司推出的虚拟仪器开发软件Labwindows/CVI6.0，LabWindows/CVI6.0和其它大多数工程测控软件一样都包含如下内容用户界面、程序控制、数据采集、数据分析等几个部分。其中软面板程序用来提供虚拟仪器与用户的接口，它可以在计算机屏幕上生成一个与传统仪器面板相似的图形界面，用于显示测量的结果等。同时，用户还可通过软面板上的开关和按扭，模拟传统仪器的各种操作，通过键盘或鼠标实现对虚拟仪器的控制。仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器，设置特定的参数和工作方式，使虚拟仪器保持在正常的工作状态。应用程序主要用来对输入计算机的数据进行处理，用户就是通过编制应用程序来定义虚拟仪器功能的。本测控系统主要包括参数设定、参数标定、检测与控制、数据管理、历史查询、帮助等几个模块。在进入测控系统前首先要输入用户密码，输入正确，才可进入主控台。
参数设定模块主要是对发酵罐基本参数设置、采集参数、控制参数进行系统设置。设置系统采集参数时，用户可以根据硬件的情况再此处分配各路通道，如对采样周期、模拟输入通道、模拟输出通道和数字通道进行选择与初始化。初始化内容包括给定通道号、量程下限，量程上限，采样时间等数据。如遇硬件故障，需更换通道时，只需重新分配通道即可。
权利要求
1.一种食用菌液体发酵过程中温度的控制方法，它采用以下工艺步骤完成用传感器采集发酵罐内的温度，并将检测信号传送给计算机，计算机将采集到的信息处理后与预先标定好的设定值进行比较，当超过预定值时进行报警，同时输出控制信号，输出信号作用于调节阀，通过控制调节阀开口大小及时控制发酵罐夹层循环水温调节发酵温度，实现对发酵罐内温度的有效调控，其特征在于它在建立上述预定值和输出控制信号时采用了预测模糊控制算法和步骤(1)、利用专家经验知识和预测模型进行预测，得到系统未来的预测输出，微机经中断采样获取被控量的精确值，通过预测模型，然后将设定输出值和预测输出值间的预测误差及预测误差变化率作为模糊控制器输入；(2)、经过对输入输出量的模糊化、模糊控制规则的确定和模糊量的反模糊化处理，得到精确的数字控制量；(3)、数字控制量再经数模转换为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行控制。
2.根据权利要求1所述的食用菌液体发酵过程中温度的控制方法，其特征在于所述的模糊控制器的结构为两输入单输出的形式，输入为发酵罐温度p步预测误差e和p步预测误差变化量ec，输出为控制调节阀开口增量Δu(k)。
3.根据权利要求2所述的食用菌液体发酵过程中温度的控制方法，其特征在于温度信号采样周期为10秒。
4.根据权利要求3所述的食用菌液体发酵过程中温度的控制方法，其特征在于考虑到系统的模型误差和干扰等的影响，系统的输出预测值需在预测模型输出的基础上，用实际输出误差校正。
5.一种实现上述食用菌液体发酵过程中温度的控制方法的装置，其特征在于它由液体发酵罐 温度传感器 计算机 数据采集板 控制继电器 水泵 调节阀 组成，温度传感器 放置在液体发酵罐 内，数据采集板 插入计算机 的插槽中，数据采集板 的模拟输入通道连接温度传感器 的输出端，数字I/O通道连接控制继电器 控制继电器 再与调节阀 相连接。
全文摘要
一种食用菌液体发酵过程中温度的控制方法及装置，属于自动控制技术领域，所要解决的技术问题是提供一种能准确控制液体发酵罐内温度的方法及实现这种方法的装置，其技术解决方案是采用计算机技术、虚拟仪器技术、测试技术相结合的方法，对食用菌液体发酵过程中的温度参数进行了检测，将设定输出值和预测输出值间的预测误差及预测误差变化率作为模糊控制器输入，选用预测控制和模糊控制相结合的控制算法对其进行了控制，使液体发酵的温度保持在在适当的范围，从而为菌丝生长提供良好的发酵环境，满足菌丝发酵过程对温度的要求，更好的提高发酵产物的产量和质量。其装置为液体发酵罐、温度传感器、计算机、数据采集板、控制继电器、水泵和调节阀组成。
文档编号C12M1/36GK1597918SQ20041001244
公开日2005年3月23日 申请日期2004年7月27日 优先权日2004年7月27日
发明者钱东平, 张瑞青, 霍晓静, 刘亚琼, 陈文杰 申请人:河北农业大学