厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫pH監(jiān)控系統(tǒng)模糊控制的實(shí)現(xiàn)

魏東輝，李文哲，禪一平

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) a.電氣與信息學(xué)院；b.工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

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厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫pH監(jiān)控系統(tǒng)模糊控制的實(shí)現(xiàn)

魏東輝a，李文哲b，禪一平b

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) a.電氣與信息學(xué)院；b.工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

pH是發(fā)酵產(chǎn)氫過程中非常重要的參數(shù)之一。為此，利用模糊控制算法建立厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫pH值監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了發(fā)酵產(chǎn)氫過程中的pH控制系統(tǒng)，增加了測控過程的穩(wěn)定性，提高了pH值測控的精度和效率，適應(yīng)了厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的工業(yè)化生產(chǎn)需求，具有較好的使用價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

厭氧發(fā)酵；pH；監(jiān)控；模糊控制

0 引言

在全球化日益加快的今天，人類生存活動(dòng)對(duì)能源的消耗越來越大；但隨著對(duì)化石能源的不斷開發(fā)利用，其全球儲(chǔ)量也隨之在不斷減少。因此，世界各國都把能源列為發(fā)展的第一戰(zhàn)略。在我國，隨著改革開發(fā)的快速發(fā)展，社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)步伐不斷加快，對(duì)能源的需求也與日俱增，使得氫氣等可再生能源的開發(fā)與利用備受關(guān)注。生物制氫技術(shù)由于在獲得清潔能源氫氣的同時(shí)，還使得大量有機(jī)廢棄物得到處理或凈化，從而使得該技術(shù)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

pH作為發(fā)酵產(chǎn)氫過程中的重要參數(shù)之一，pH值高低直接影響著氫氣的產(chǎn)量，是微生物生長的一個(gè)重要參數(shù)。在發(fā)酵過程中，pH的變化決定于所用的菌種、培養(yǎng)基和發(fā)酵條件。在菌體的代謝過程中，菌體本身有建成其生長最適pH的能力，但外界條件發(fā)生較大變化時(shí)，pH值將會(huì)不斷波動(dòng)。若pH值過高會(huì)有大量的甲烷形成，導(dǎo)致產(chǎn)氫率較低；但過低的pH對(duì)產(chǎn)氫細(xì)菌也不利，所以對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氫過程中pH進(jìn)行控制，維持適當(dāng)?shù)膒H值，是提高發(fā)酵產(chǎn)氫效率的有效方法之一。本文根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫pH模糊控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

從控制模式上看，發(fā)酵液的pH值是一個(gè)大滯后、大慣性的控制對(duì)象。在同一發(fā)酵時(shí)期菌體生命力不同，其產(chǎn)酸率也不一樣，因此pH控制模式還必須適應(yīng)發(fā)酵液中pH變化能力的需要。模糊控制是使計(jì)算機(jī)具有智能的一種控制方法，且并不需要建立控制過程的精確的數(shù)學(xué)模型，完全憑人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)“直觀”地進(jìn)行控制。圖2是一個(gè)模糊控制器對(duì)一個(gè)過程進(jìn)行控制的示意圖。根據(jù)從過程中測得的pH值，與設(shè)定值進(jìn)行比較，將這些數(shù)據(jù)輸入一個(gè)模糊控制器，由模糊控制器推斷出需要校正的量值，用它控制一個(gè)過程。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 模糊控制器的控制過程

如圖3所示，本研究采用目前應(yīng)用廣泛的雙輸入單輸出模糊控制系統(tǒng)。以發(fā)酵產(chǎn)氫過程中pH偏差E及其偏差變化率△E作為輸入變量，以儲(chǔ)酸罐的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥流量U作為輸出變量，設(shè)計(jì)模糊控制器，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)pH調(diào)節(jié)儲(chǔ)酸罐閥門流量來控制發(fā)酵過程pH值在合理范圍內(nèi)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

圖3 雙輸入單輸出模糊控制系統(tǒng)

發(fā)酵產(chǎn)氫過程中，pH值在4.6～5.8范圍內(nèi)變化，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥流量控制范圍在0～50mL/s。將輸入量與輸出量離散化：

pH偏差E的基本論域?yàn)閇-0.6，+0.6]；其離散論域?yàn)椋篬-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]。

pH偏差變化率△E的基本論域?yàn)閇-0.1，+0.1]；其離散論域?yàn)閇-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]。

電動(dòng)調(diào)節(jié)閥流量U的基本論域?yàn)閇0,+50]；其離散論域?yàn)閇0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]。

pH偏差E的量化因子K1為6/0.6=10；

pH值偏差變化率△E的量化因子K2為6/0.1=60；電動(dòng)調(diào)節(jié)閥流量U的量化因子K3為6/50=0.12。

模糊控制集的語言變量為[6]：負(fù)大(NL)表示在-6附近取值，負(fù)中(NM)表示在-4附近取值，負(fù)小(NS)表示在-2附近取值，零(ZO)表示在0附近取值，正小(PS)表示在+2附近取值，正中(PM)表示在+4附近取值，正大(PL)表示在+6附近取值。E、△E、U隸屬函數(shù)賦值表如表1～表3所示。

表1 輸入量E隸屬度函數(shù)賦值表

未填寫處數(shù)值均為0。

表2 輸入量△E隸屬度函數(shù)賦值表

未填寫處數(shù)值均為0。

表3 輸出量U隸屬度函數(shù)賦值表

未填寫處數(shù)值均為0。

發(fā)酵產(chǎn)氫過程中，較為適宜的pH值范圍在4.7～4.9。若pH值較低，則應(yīng)關(guān)閉電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的流量，使液體pH維持緩慢上升狀態(tài)。當(dāng)pH超過最適pH值時(shí)，應(yīng)當(dāng)控制流量閥，適量對(duì)發(fā)酵池加入酸液。如果pH超過最適范圍且變化迅速，則應(yīng)把調(diào)節(jié)閥流量調(diào)節(jié)至較高水平以控制pH值在最適范圍內(nèi)變化。根據(jù)以上控制原則，得到該模糊控制系統(tǒng)的控制規(guī)則如下：

IF E=NL OR E=NM THEN U=ZO

IF E=NS AND △E=NL OR △E=NM OR △E=NS OR △E=ZO THEN U=ZO

IF E=NS AND △E=PS OR △E=PM OR △E=PL THEN U=PS

IF E=ZO AND △E=NL OR △E=NM OR △E=ZO OR △E=PS THEN U=PS

IF E=ZO AND △E=PM OR △E=PL THEN U=PM

IF E=PS THEN U=PM

IF E=PM AND △E=NL OR △E=NM OR △E=NS OR △E=ZO OR THEN U=PM

IF E=PM AND △E=PS OR △E=PM OR △E=PL THEN U=PL

IF E=PL THEN U=PL

根據(jù)控制規(guī)則，制定模糊規(guī)則控制表，如表4所示。

2 模糊控制器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

模糊控制器的設(shè)計(jì)采用、西門子S7-300可編程控制器，能適合自動(dòng)化工程中的各種應(yīng)用場合，是一種模塊化中小型PLC系統(tǒng)。其多種性能遞增的CPU和豐富的且?guī)в性S多方便功能的I/O擴(kuò)展模塊，使用戶可以完全根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的模塊，當(dāng)任務(wù)規(guī)模擴(kuò)大并且愈加復(fù)雜時(shí)，可隨時(shí)使用附加模塊對(duì)PLC進(jìn)行擴(kuò)展。系統(tǒng)硬件實(shí)物硬件連接如圖4所示。

表4 模糊控制規(guī)則表

圖4 實(shí)物電路接線圖

3 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC模糊控制算法的流程：首先將量化因子置入變量存儲(chǔ)區(qū)中，將采集到的數(shù)據(jù)輸入到變量存儲(chǔ)區(qū)中，經(jīng)過處理后，根據(jù)模糊控制規(guī)則表進(jìn)行對(duì)pH得控制。pH控制流程如圖5所示。

4 試驗(yàn)分析

以厭氧活性污泥為接種物，發(fā)酵產(chǎn)氫最佳pH值為4.7～4.9，所以控制系統(tǒng)設(shè)定pH值上下限為4.8與4.9，啟動(dòng)發(fā)酵，發(fā)酵時(shí)間為12h。發(fā)酵過程中pH變化如圖6、圖7所示。發(fā)酵完成后測量氫氣產(chǎn)量，第1組產(chǎn)氣量為570mL，第2組產(chǎn)氣量為680mL。

從圖6、圖7中可以看出：隨著時(shí)間的增長，第1組發(fā)酵液pH值呈逐漸上升的趨勢，最終pH為5.7；第2組發(fā)酵液pH開始逐漸上升，而后在4.8與4.9之間波動(dòng)。由于使用控制系統(tǒng)維持發(fā)酵液在最佳pH范圍內(nèi)，所以第2組產(chǎn)氣量比第1組產(chǎn)氣量提高19.2%。

圖5 pH值控制流程圖

圖6 第1組pH值隨時(shí)間的變化

圖7 第2組pH值隨時(shí)間的變化

5 結(jié)論

1)在發(fā)酵產(chǎn)氫工程中對(duì)發(fā)酵液的pH進(jìn)行模糊控制，系統(tǒng)的魯棒性好，對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)變化不敏感，能維持發(fā)酵液pH在最佳產(chǎn)氣范圍內(nèi)，可有效提高發(fā)酵產(chǎn)氫效率。

2)系統(tǒng)利用模糊控制技術(shù)，增加了測控過程的穩(wěn)定性，提高了pH測控的精度和效率。

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Implement of the Monitoring System's Fuzzy Control of the pH Value of the Hydrogen Production in the Anaerobic Fermentation

Wei Donghuia, Li Wenzheb, Chan Yipingb

(a.College of Electronic and Information; b.College of Engineering, Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

pH value is one of the most important parameters of the process of hydrogen production from the fermentation. Therefore, by the method of fuzzy control algorithm the system to be developed as a mathematic model of pH value monitoring system through the process of hydrogen production from the anaerobic fermentation. The created system includes pH value control system during the process of hydrogen production from the fermentation, increases the stability of the process of measurement and control, enhance the accuracy and efficiency of the measurement and control of the PH value, adapts the demand of industrial production of hydrogen production from the anaerobic fermentation and has good use value and application value.

anaerobic fermentation; pH; monitoring; fuzzy control algorithm

2016-07-22

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD15B04)；國際科技合作項(xiàng)目(2010DFB60680-1)

魏東輝(1981-),男，黑龍江勃利人，講師，博士研究生，(E-mail)372162666@qq.com。

李文哲(1955-)，男，哈爾濱人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail) liwenzhe9@163.com。

S216.4；TP273

A

1003-188X(2017)07-0224-05