专利名称：用于北虫草液体发酵过程的温度智能控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于北虫草液体发酵过程的温度智能控制装置。
背景技术：
在北虫草液体菌种发酵生产的过程中，发酵罐内的温度一个非常重要的控制参 数，传统的控制方法是通过II型调节仪表来控制液体发酵罐内的发酵温度，然而对于液体 发酵这样的非线性、大滞后系统而言，此控制方法存在着控温效果差、自动化程度低、可靠 性不高等诸多缺点。近年来虽开发了一些相应的用于发酵罐温度控制的计算机控制系统 (主要采用PID控制技术)，但存在着操作系统繁琐、运行不稳定、维护费用高等缺点，实际 使用的效果并不理想。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是在北虫草液体菌种发酵生产的过程中，由于发 酵罐内的温度难以实时、准确控制，而目前的计算机控制系统对其应用的效果也不尽人意， 为解决该问题，特公开了一种用于北虫草液体发酵过程的温度智能控制装置，该装置能够 实时、准确、自动地控制液体菌种发酵罐内的温度。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是一种用于北虫草液体发酵过程 的温度智能控制装置，包括有液体发酵罐、温度传感器、计算机、数据采集板、控制继电器、 水泵和电动调节阀，发酵罐具有循环冷却水夹层，温度传感器设置在液体发酵罐内，数据采 集板插置在计算机内对应的插槽中，计算机内设置有模糊PID控制算法模块与工程测控模 块，数据采集板具有模拟输入A/I通道、数字I/O通道及模拟输出A/0通道，其中模拟输入 A/I通道连接温度传感器，数字I/O通道连接控制继电器，模拟输出A/0通道连接电动调节 阀，控制继电器另与电动调节阀电联，水泵出水口通过水管及电动调节阀连接发酵罐的循 环冷却水夹层入口。该套装置的工作原理是传感器采集发酵罐内的温度，并将检测信号通过数据采 集板传送给计算机，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，输出的控制信号作用于电动调节阀，控制电动调 节阀的开口大小，从而控制发酵罐循环冷却水夹层内冷却水的循环流量，达到调节发酵罐 内发酵温度的目的。计算机在建立上述设定值和输出控制信号时通过所设的模糊PID控 制算法模块进行运作，模糊PID控制算法模块的运行流程为a.微机经中断采样获取被控 量的精确值，与设定值比较，得到误差和误差变化率作为模糊控制器输入；b.利用专家经 验知识，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 PID控制器的比例系数KP、微分系数Kd和积分系数K1的在线整定；c.利用在线整定得到的 比例、微分和积分系数，经PID控制器得到精确的数字控制量；d.数字控制量再经数模转换 为精确的模拟量传送给执行机构，以对被控对象进行控制。上述的模糊控制器为两输入三 输出的结构形式，输入为发酵罐温度误差e和误差变化量ec，输出为KP、K1, KD，并作为PID
3控制器的输入，经PID控制器得到控制输出，控制电动调节阀的开口增量，u(k)。工程测控模块提供人机交互界面，并对系统全局的运作进行控制。计算机内还设置有虚拟仪器模块，以代替传统的组合仪表进行运作，在屏幕上动 态地显示检测参数的变化，并以表格等形式记录、存储数据，以及进行历史存储数据的查询 和统计分析等。本实用新型的有益效果是该用于北虫草液体发酵过程的温度智能控制装置，能 够实时、准确、自动地监控液体发酵罐内的温度，使液体发酵温度始终保持在适当的范围， 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，有效提高发酵产 物的产量和质量。
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1为本实用新型的结构组成框图；图2为本实用新型的控制流程原理框图；图3为本实用新型中所述模糊PID控制算法模块的工作原理框图。
具体实施方式
一种用于北虫草液体发酵过程的温度智能控制装置，如
图1所示，其包括有液体 发酵罐、温度传感器、计算机、数据采集板、控制继电器、水泵和电动调节阀，发酵罐具有循 环冷却水夹层，温度传感器设置在液体发酵罐内，数据采集板插置在计算机内对应的插槽 中，计算机内设置有模糊PID控制算法模块与工程测控模块，数据采集板具有模拟输入A/I 通道、数字I/O通道及模拟输出A/0通道，其中模拟输入A/I通道连接温度传感器，数字I/ 0通道连接控制继电器，模拟输出A/0通道连接电动调节阀，控制继电器另与电动调节阀电 联，水泵出水口通过水管及电动调节阀连接发酵罐的循环冷却水夹层入口。在计算机内另设置有用以代替传统的组合仪表进行运作的虚拟仪器模块。如图2所示，该套装置的工作过程是液体发酵罐内的温度由温度传感器采集并 转换成电信号，通过具有A/D转换功能的数据采集板，将检测信号传送给计算机，计算机一 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°C进行比较，当超过预定值24士 1. 0°C时进行报警，同时采用模糊PID控制算法进行运 算，输出控制信号，再经数据采集板的数字I/O通道和模拟A/0通道，将输出信号作用于控 制继电器和电动调节阀，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，实现对液体发酵罐内温度的有效调控。本例中数据采集板选择了美国NI公司生产的插入式数据采集板PCI-6221。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。本例中选用该数据采集板的67、 68端口连接温度传感器，采集液体发酵罐内的温度；选用52、53端口连接控制继电器，选用 21、55端口连接电动调节阀的输入信号，通过输入信号的大小控制电动调节阀开口的大小。本例中温度传感器选用灵敏度高、线性好PtlOO钼电阻温度传感器。温度传感器 的温度信号采样周期设置为10秒。[0018]本例中水泵型号为AB-12，其额定功率为40W，最大流量为12升/分。与水泵相连 的电动调节阀为ZAZP型电动调节阀。电源输出380V三相交流电经熔断器、控制继电器输 入到电动调节阀电源的输入端，数据采集板一方面通过数字I/O 口输出低电压信号控制继 电器的开合，另一方面通过模拟A/0 口输出电压控制信号到电动调节阀的信号输入端，以 调节阀口开度大小。其中控制继电器采用了 GJ系列(过零型)固态继电器(SSR)作为强 电与弱电的接口器件。如图3所示，模糊PID控制算法模块的工作原理是微机经中断采样获取被控量 的精确值，通过与设定值比较得到误差和误差变化率，作为模糊控制器的二维输入。模糊 控制器的结构为两输入三输出的形式，输入为发酵罐温度误差e和误差变化量ec ；利用专 家经验知识，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PID控制器的比例系数KP、微分系数Kd和积分系数K1的在线整定；利用在线整定得到 的比例、微分和积分系数，经PID控制器得到精确的数字控制量；输出为控制调节阀开口增 量，数字控制量再经数模转换为精确的模拟量输送给执行机构，以对被控对象进行控 制。本例中计算机采用中文WindowsXP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LabWind0WS/CVI7. 1，工程测控软件包含如下内 容用户界面、数据采集、数据分析、程序控制等几个部分。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。测控系统主要 包括参数设定、参数标定、检测与控制、报警记录、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。测控系统中的参数设定 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在此处分配各路通道，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。参数标定模块是 使用户能够通过标准件来标定传感器，用户在第一次使用本装置时，必须首先运行本模块 来标定系统。后续测试时，可以直接进行测试。多次测量后，若系统测试结果还不太稳定， 可再次进行系统标定。
权利要求1.一种用于北虫草液体发酵过程的温度智能控制装置，其特征在于包括有液体发酵 罐、温度传感器、计算机、数据采集板、控制继电器、水泵和电动调节阀，发酵罐具有循环冷 却水夹层，温度传感器设置在液体发酵罐内，数据采集板插置在计算机内对应的插槽中，计 算机内设置有模糊PID控制算法模块与工程测控模块，数据采集板具有模拟输入A/I通道、 数字I/O通道及模拟输出A/0通道，其中模拟输入A/I通道连接温度传感器，数字I/O通道 连接控制继电器，模拟输出A/0通道连接电动调节阀，控制继电器另与电动调节阀电联，水 泵出水口通过水管及电动调节阀连接发酵罐的循环冷却水夹层入口。
2.根据权利要求1所述的用于北虫草液体发酵过程的温度智能控制装置，其特征在 于计算机内还设置有虚拟仪器模块。
专利摘要本实用新型涉及一种用于北虫草液体发酵过程的温度智能控制装置，包括有液体发酵罐、温度传感器、计算机、数据采集板、控制继电器、水泵和电动调节阀，温度传感器设置在液体发酵罐内，数据采集板插置在计算机的PCI插槽中，计算机内设置有模糊PID控制算法模块与工程测控模块，数据采集板具有模拟输入A/I通道、数字I/O通道及模拟输出A/O通道，分别连接温度传感器、控制继电器及电动调节阀，控制继电器另与电动调节阀电联，水泵出水口通过水管及电动调节阀连接发酵罐的循环冷却水夹层入口。该装置能够实时、准确、自动地监控液体发酵罐内的温度，为菌丝生长提供良好的发酵环境，提高发酵产物产量和质量。
文档编号C12M1/38GK201785393SQ20102027149
公开日2011年4月6日 申请日期2010年7月27日 优先权日2010年7月27日
发明者刘淑霞, 张瑞青, 王辉, 耿丽微, 赵春辉, 陈文杰 申请人:河北农业大学