基于模糊自適應PID的CSTR厭氧發酵系統溫度控制

北方民族大學電氣信息工程學院　趙　陽　艾靜靜　尚　燕　潘俊濤

基于模糊自適應PID的CSTR厭氧發酵系統溫度控制

北方民族大學電氣信息工程學院趙陽艾靜靜尚燕潘俊濤

在沼氣發酵出產的過程中，溫度是影響沼氣微生物出產量的主要因素，在CSTR的厭氧發酵罐中的溫度是整個發酵系統中主要控制對象，通過控制溫度可以控制發酵罐內的產氣率、微調PH值。而CSTR中溫度控制具有滯后性。本設計利用模糊自適應PID控制不用精確數學模型以及能夠自行整定參數特點控制CSTR，使其能夠適合微生物出產沼氣并保持溫度恒定，大大提升了沼氣生產的效率。

沼氣；CSTR；PID；溫度

0　前言

沼氣池是一種在農村十分常見的設備，但是由于一般家用沼氣池環境普通，微生物不在最適宜的條件下，所以家用沼氣池產氣率很低，當沼氣池溫度低于10度時幾乎不產氣體，因此在大規模沼氣生產時要對溫度加以控制進而保證產氣率。CSTR是一種全混合厭氧反應器，通過攪拌電機的運轉使反應罐內微生物和細菌充分融合，從而達到快速反應充分反應的目的，反應器設計有加熱系統，可聯通外部熱水罐控制內部反應罐溫度。

1　系統設計

CSTR發酵罐的結構如圖1所示，整個發酵罐處于密封狀態，在6處安裝正負減壓閥防止出現內外氣壓偏差過大發生危險。溫度傳感器安裝在與熱水管道存在一距離的反應物中，且要安裝多個處于不同水平面上，圖1中所有器件位置僅作說明用，并非實際工程中位置，在使用溫度傳感器數據時按照平均法，將采集到的同一時刻不同位置的多個溫度值做平均運算以求得到盡量合適的溫度信號。12處為氣動調節閥，可根據控制信號調整開度大小，控制熱水流量進而控制發酵罐內液體溫度。8處為氣體成分分析儀，通過分析實時氣體成分做好實時調整。

圖1　系統設計圖1.熱水出口 2.入料口 3.液位傳感器 4.攪拌器 5壓力傳感器6.正負減壓閥 7.沼氣出氣口 8.氣體成分分析儀 9.溫度傳感器 10.出料口 11.注水入口 12.氣動調節閥 13.容器壁

圖2　系統控制圖

2　控制方案

系統以PLC為控制核心，通過溫度傳感器將溫度信號轉化為電信號，最終以4～20MA的電流信號送到PLC的模擬量輸入，PLC根據當前溫度情況，向氣動調節閥傳送4～20MA信號，控制閥門開度，進而控制熱水流量，實現對罐內溫度的調節。

圖2中，r為設定的合適發酵溫度，被控對象為入水口的氣動調節閥，模糊推理與PID算法被植于PLC 中。

3　數據的模糊化處理

沼氣微生物最適宜的活動溫度范圍在35℃左右，所以CSTR的溫度控制系統設定35℃為給定值，CSTR發酵罐內溫度提供內部溫度傳感器反饋至系統PLC，則系統輸出控制熱水的流入量及流入速度影響CSTR發酵罐內溫度變化。

由于CSTR發酵罐內沼氣微生物對溫度十分敏感，傳統PID控制CSTR發酵罐內溫度的參數很難適應微生物活動規律，本設計通過實際操作經驗及微生物活動統計規律，結合模糊控制理論設計出了模糊自適應PID發酵罐溫度控制參數調整方法。根據模糊控制理論，模糊推理規則由

CSTR發酵罐溫度控制系統的偏差e及偏差變化率ec輸入決定，參數的變化值由模糊推理規則得kp、ki、kd的新參數為上一次加上本次參數的模糊變化值如式（1）。

輸入量偏差 e 及偏差變化率ec的模糊論域子集為：｛ NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝ ，

當|e| 較大時，為使系統具有較好的跟蹤性能，取較大的kp與較小的kd，同時為避免系統響應出現較大的超調，應對積分作用加以限制，通常取ki= 0；當|e| 處于中等大小時，具有較小的超調，kp應取得小些，在這種情況下，kd的取值對系統響應的影響較大，ki的取值要適當；當|e|較小時，為使系統具有較好的穩定性kp和ki均取大些，當|ec|較大時，kd可取小些； |ec|較小時kd可取得較大些，通常kd為中等大小。

根據以上規定和模糊控制理論，以及現場操作經驗，做出模糊規則推理表，如表1、2、3所示。

表1　kp模糊查詢表

表2　ki模糊查詢表

表3　kd模糊查詢表

圖4　kp的數據塊

4　模糊控制在PLC中的實現

本系統選擇使用西門子S7-300PLC，系統配置包括：PS 307 ，

CPU315-2DP，SM331，SM332，及適配器。在Step7中建立項目，組態硬件編寫程序。程序控制包括主程序OB1，中斷程序OB35，數據塊DB1、DB2、DB3及組織FC1，初始化程序塊OB100。通過基址加偏移量的方式將模糊表導入DB塊中，在FC1中編寫模糊49條模糊規則，在OB35中編寫PID程序。DB1中導入kp的模糊查詢表，

DB2中導入ki的模查詢經OB100初始化后輸入設定值，采集當前溫度值計算偏差與偏差變化率，最終求得所需kp、ki、kd值，通過多個周期的調整溫度值最終穩定在設定值周圍（見圖4）。

4.結論

記錄從開始發酵到穩定得曲線圖5。

圖5　溫度數據擬合圖像

由圖5知，在調節初期溫度變化不大，隨著閥門開度的增大中期溫度上升迅速，調節30min左右出現達到35度最優溫度，隨后出現超調，峰值最終達到36.2度，隨后開始靠近最優值，并穩定在35度左右，可見在CSTR厭氧發酵罐中使用模糊自適應PID調節取得較好的控制效果。

［1］劉建敏.農村家用沼氣發酵工藝參數的優選研究［D］.西南大學，2006.

［2］孫麗麗.秸稈高效沼氣發酵研究［D］.中國農業科學院，2009.

［3］楚莉莉.沼氣高效厭氧發酵的條件及產氣效應研究［D］.西北農林科技大學，2011.

［4］劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真［M］.電子工業出版社.