基于參數自整定模糊PID控制的抗生素發酵罐溫度控制系統

梁云峰，谷鳳民，虎恩典，郭學東

LIANG Yun-feng, GU Feng-min, HU En-dian, GUO Xue-dong

（寧夏大學 機械工程學院，銀川 750021）

0 引言

溫度是抗生素發酵過程中最重要的過程參數之一，發酵罐溫度的控制是發酵控制過程中的一個重要環節，其控制精度直接影響到發酵的成敗。但是，由于發酵過程中的溫度是具有很大的滯后性、時變性和非線性的受控對象，再加上發酵過程中溫度的變化規律因培養菌種的不同而不同，因此控制比較困難。傳統的PID控制已不適用于該控制對象。根據該廠的控制系統的現狀和抗生素生產的工藝要求，將PID控制和模糊控制相結合起來的參數自整定模糊PID控制用于發酵罐的溫度控制，實現在線修正PID參數。

1 發酵罐溫度的檢測和數學模型的建立

1.1 發酵罐溫度的檢測

溫度的檢測采用TTR-Pt100一體化溫度變送器，其由傳感器和變送器兩部分組成，安裝于發酵罐側壁，輸出與溫度成正比的4～20mA直流電流信號。根據廠家的要求，發酵罐的溫度控制偏差為：±0.5℃。發酵罐溫度是通過蛇形管間接冷卻控制的，通過控制調節閥的開度，來改變通過調節閥冷卻水的流量，達到溫度控制的目的。

1.2 發酵罐溫度數學模型的建立

發酵過程中，隨著微生物菌種對培養基的利用和機械攪拌作用將產生一定的熱量，同時，發酵罐的罐壁散熱和水分蒸發也會帶走一些熱量，總之，發酵過程中產生的熱量，叫做發酵熱。發酵熱包括生物熱Q生物、攪拌熱Q攪拌、蒸發熱Q蒸發和輻射熱Q輻射等，是引起發酵過程中溫度變化的原因。發酵熱是隨時間變化的，通過在夾套或蛇形管通入冷卻水，來維持一定的發酵溫度。在此不考慮發酵液與罐壁之間的熱量傳遞，發酵罐內的熱平衡方程為：

其中：M1為發酵液的質量；M2為發酵罐的質量；c1為發酵液的比熱，kJ/(kg·℃)；c2為發酵罐材料的比熱，kJ/(kg·℃)；S為溫度上升速率，℃/h；M為近似后發酵液的總質量，kg；c為近似后發酵液的總比熱，kJ/(kg·℃)；θ為發酵罐內的溫度，℃。

對(1)式進行拉氏變換得：

發酵罐本身是一個較復雜的被控對象，它具有非線性、時變性等特點。發酵罐溫度是通過向夾套中通入冷水或熱水進行調節控制的，當通入冷水或熱水后，發酵罐溫度變化存在一定的滯后性；另外，用傳感器測量溫度時，溫度信號轉換為電信號具有一定的純滯后；其余環節可視為比例環節。結合(2)式，所以該系統應是一個一階慣性環節附加一個滯后環節，即系統模型具有的形式[2,3]為：

系統的動態特性（飛升曲線）的測定方法[4]如下：

1）使系統在手動狀態下工作，當系統平衡后，突然加一個干擾信號（階躍信號），輸出變化對應一條曲線，此即為飛升曲線。用儀表記錄下的發酵罐飛升曲線如圖1所示。

2）實測的曲線在起始部分有彎曲，不易找到確切的位置確定參數，可在曲線最大斜率處做一條切線，與時間軸的交點即為純滯后時間τ，與穩態值的交點時間即為純滯后時間和時間常數T的和，這樣就求出一階對象的參數T、τ。

圖1 發酵罐溫度飛升曲線

3）輸出穩定值和輸入階躍信號幅值的比值即為一階對象的放大倍數Ks。根據所得的曲線求得一階對象的三個參數Ks、τ、T。本系統中由飛升曲線知，實測發酵罐時間常數T=190、純滯后時間τ=50、放大倍數Ks=4。

從以上分析計算，再結合上位機監控系統組態王KingView的歷史曲線，得到本系統的數學模型為：

2 發酵罐溫度的參數自整定模糊PID控制算法的原理及MATLAB仿真

2.1 發酵罐溫度的參數自整定模糊PID控制算法的原理

模糊自適應PID控制器主要由參數可調整的PID控制器和模糊推理器兩部分組成，模糊推理器以偏差e和偏差變化率ec作為輸入，以常規PID控制器的三個參數Kp、Ti、Td為輸出，采用模糊推理方法實現對參數Kp、Ti、Td的調整，以滿足不同時刻偏差e和偏差變化率ec對PID參數自調整的要求，其方框圖如圖2所示。

圖2 參數自整定模糊PID控制器方框圖

取模糊語言變量e、ec、ΔKp、ΔTi、ΔTd的論域均為[-6，+6]，確定它們的隸屬度函數（取三角形隸屬函數或梯形），并根據不同偏差及偏差變化率對PID參數的要求及現場調節的經驗，得輸出變量ΔKp、ΔTi、ΔTd的模糊控制規則表，再由模糊控制規則表對輸入語言變量量化后的各種組合通過模糊邏輯推理離線計算出每一個狀態的模糊控制器輸入，最終生產一張模糊控制表，表1給出了變量ΔKp(ΔTi、ΔTd同理）的模糊控制規則。

表1 Δ Kp模糊控制表

2.2 發酵罐溫度的參數自整定模糊PID控制算法的MATLAB仿真

圖3 PID控制階躍響應和模糊PID控制階躍響應

分析仿真結果：由在單位階躍信號下的常規PID控制與模糊自適應PID控制器的響應曲線可知，模糊自適應PID的控制方式獲得的系統動態響應曲線較好，響應時間短、超調量小，且穩態精度高，系統遇到干擾時能很快恢復穩態，動靜態性能好。

3 發酵罐溫度的參數自整定模糊PID控制算法的三種實現方式

3.1 采用PLC實現

以PLC作為控制器，通過PLC相應的編程軟件（如在西門子PLC的編程軟件STEP7中，通過用梯形圖或SCL語言編制程序實現模糊PID控制），編程實現模糊PID控制，其程序流程[6]如圖4所示。控制結構圖如圖5所示。

1）若PLC選用西門子S7-200系列，則使用PC/PPI電纜連接上位機的COM口與PLC的編程口，實現PLC和上位機的通訊。

圖4 模糊PID控制算法程序流程圖

圖5 采用PLC的控制系統結構圖

2）若選用西門子S7-300/400系列，則使用PC適配器（PC Adapter，實現RS232到RS485接口的電平轉換和RS232到MPI協議的轉換）連接Siemens S7-300/400 系列PLC的MPI口（RS485）和PC的COM口（RS232），即可實現PLC和上位機的通訊；或者將MPI通訊卡（如西門子公司提供的CP5611/CP5613）安裝在計算機（配置有組態王KingView軟件）的PCI插槽中，用MPI電纜將MPI卡與S7300系列PLC（所有的S7300系列CPU模塊都有MPI口）的MPI口相連，也可實現PLC與上位機的通訊。傳輸速率為187.5kbit/s。

3）若選用三菱FX2系列PLC，則使用廠家提供的編程電纜（如SC-11）連接PC機的COM口與PLC的編程口，實現PLC和上位機的通訊。

3.2 采用組態軟件＋數據采集卡實現

計算機上配置組態軟件（如Wincc、KingView等），在組態軟件里編寫溫度模糊PID控制算法的程序（如在組態軟件KingView中，使用在語法上類似C語言的命令語言編寫模糊PID控制算法程序）。其程序流程如圖4所示。

同時使用8通道模擬量輸入模塊ICP8017（或7017）A/D采集卡和4路電壓型（或電流型）模擬量輸出模塊ICP8024（或7024）D/A輸出卡。二者的通訊方式都是RS485通訊，輸入信號和輸出信號都是4～20mA。另外使用7000Utility軟件來對以上兩個模塊進行地址分配和設置。控制結構圖[7]如圖6所示。

圖6 采用組態軟件＋數據采集卡的控制系統結構圖

發酵罐的溫度由一次儀表（如溫度變送器TTR-Pt100）測量放大，統一變換為4～20mA（或1～5V）信號，通過ICP8017進行A/D（模數）轉換，作為上位機的輸入，上位機按照預定的控制程序，對被測量進行必要的處理、分析和比較，并按模糊PID控制規律進行運算，從而得出控制量的改變值，輸出到ICP8024進行D/A（數模）轉換并輸出4～20mA（或1～5V）信號，驅動閥門定位器，控制執行機構調節閥的開度，進而控制通過調節閥閥口的冷卻水的流量大小，從而達到調節發酵罐溫度的目的。

3.3 采用智能儀表實現

采用智能儀表實現模糊PID控制的控制結構圖如圖7所示。

圖7 采用智能儀表的控制系統結構圖

HR-WP模糊PID自整定調節器/溫控器的輸入信號：4～20mA (輸入阻抗≤250Ω)；控制輸出：4～20mA（負載電阻≤750Ω）；采樣速率為250ms；通訊方式是RS485通訊，波特率：1200～9600bps，內部自由設定，采用標準MODBUS RTU通信協議。供電電源：AC220V；測量精度：±0.5%FS或0.2%FS；測量范圍：-1999～9999字；溫度補償：0～50℃[8]。其模糊PID控制的參數為：P（即比例系數Kp）、 I（即積分時間Ti）、D（即微分時間Td）。一般可先取P=50，I=200，D=10進行試驗，然后根據輸出百分比來調整。

LU-906M（960M）智能調節儀的輸入信號為：4～20mA，輸出4～20mA電流（RL＜500，可擴展至1000Ω），其采樣周期為 0.5秒。該智能儀表采用RS485通訊接口，波特率1200～9600。LU-906M（960M）智能調節儀在自整定時，采用位式控制方式進行控制，一般要經過三個震蕩周期自整定才能結束。自整定之前，應先設定控制周期（tc）為0，設定回差范圍（Hy）為0.5[9]。其模糊PID控制的參數為：P1（即比例系數Kp）、P2（即積分時間Ti）、rt（即微分時間Td）。在實際控制中, 可通過觀察輸出百分比的變化趨勢來調整P1、P2、rt參數。一般可先取P1=2000，P2=200，rt=100進行試驗，然后根據輸出百分比來調整。

4 結論

將PID控制和模糊控制相結合起來的參數自整定模糊PID控制用于發酵罐的溫度控制，實現在線修正PID參數。實驗仿真和現場實踐應用（該廠使用PLC來實現參數自整定的模糊PID控制算法）都表明：系統最大超調量＜4℃，穩態精度±0.5℃，具有控制精度高，動態性能好等特點。保證了發酵產品的質量，提高了發酵產品的產量，經濟效益可觀。

[1]熊瑞昌.發酵罐的溫度監控系統與模糊控制應用研究[D].杭州:浙江大學,2005.

[2]賴壽宏.微型計算機控制技術[M].北京:機械工業出版社,2003:90-106.

[3]何衍慶,俞金壽,蔣慰孫.工業生產過程控制[M].北京:化學工業出版社,2004:250-252.

[4]王巍.電機定子繞組浸漆后烘干工藝的溫度控制系統的研究:[D].遼寧:遼寧工程技術大學,2004.

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[6]李健平,王曉沖,等.基于PLC的模糊參數自整定溫度控制系統研究[J].微計算機信息,2007,23(6):21-23.

[7]李帥,虎恩典等.基于組態王的電鍋爐溫度控制系統[J].化工自動化及儀表,2010,12:112-114.

[8]虹潤牌智能儀表,模糊PID自整定調節器/溫控器說明書[Z].

[9]Anthone Electronics CO..Ltd. LU-960M.智能調節儀使用說明書[Z].