專利名稱：用于北蟲草液體發(fā)酵過程的溫度智能控制裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及一種用于北蟲草液體發(fā)酵過程的溫度智能控制裝置。
背景技術(shù)：
在北蟲草液體菌種發(fā)酵生產(chǎn)的過程中，發(fā)酵罐內(nèi)的溫度一個非常重要的控制參 數(shù)，傳統(tǒng)的控制方法是通過II型調(diào)節(jié)儀表來控制液體發(fā)酵罐內(nèi)的發(fā)酵溫度，然而對于液體 發(fā)酵這樣的非線性、大滯后系統(tǒng)而言，此控制方法存在著控溫效果差、自動化程度低、可靠 性不高等諸多缺點。近年來雖開發(fā)了一些相應的用于發(fā)酵罐溫度控制的計算機控制系統(tǒng) (主要采用PID控制技術(shù))，但存在著操作系統(tǒng)繁瑣、運行不穩(wěn)定、維護費用高等缺點，實際 使用的效果并不理想。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題是在北蟲草液體菌種發(fā)酵生產(chǎn)的過程中，由于發(fā) 酵罐內(nèi)的溫度難以實時、準確控制，而目前的計算機控制系統(tǒng)對其應用的效果也不盡人意， 為解決該問題，特公開了一種用于北蟲草液體發(fā)酵過程的溫度智能控制裝置，該裝置能夠 實時、準確、自動地控制液體菌種發(fā)酵罐內(nèi)的溫度。本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種用于北蟲草液體發(fā)酵過程 的溫度智能控制裝置，包括有液體發(fā)酵罐、溫度傳感器、計算機、數(shù)據(jù)采集板、控制繼電器、 水泵和電動調(diào)節(jié)閥，發(fā)酵罐具有循環(huán)冷卻水夾層，溫度傳感器設置在液體發(fā)酵罐內(nèi)，數(shù)據(jù)采 集板插置在計算機內(nèi)對應的插槽中，計算機內(nèi)設置有模糊PID控制算法模塊與工程測控模 塊，數(shù)據(jù)采集板具有模擬輸入A/I通道、數(shù)字I/O通道及模擬輸出A/0通道，其中模擬輸入 A/I通道連接溫度傳感器，數(shù)字I/O通道連接控制繼電器，模擬輸出A/0通道連接電動調(diào)節(jié) 閥，控制繼電器另與電動調(diào)節(jié)閥電聯(lián)，水泵出水口通過水管及電動調(diào)節(jié)閥連接發(fā)酵罐的循 環(huán)冷卻水夾層入口。該套裝置的工作原理是傳感器采集發(fā)酵罐內(nèi)的溫度，并將檢測信號通過數(shù)據(jù)采 集板傳送給計算機，計算機將采集到的信息處理后與預先標定好的設定值進行比較，當超 過預定值時進行報警，同時輸出控制信號，輸出的控制信號作用于電動調(diào)節(jié)閥，控制電動調(diào) 節(jié)閥的開口大小，從而控制發(fā)酵罐循環(huán)冷卻水夾層內(nèi)冷卻水的循環(huán)流量，達到調(diào)節(jié)發(fā)酵罐 內(nèi)發(fā)酵溫度的目的。計算機在建立上述設定值和輸出控制信號時通過所設的模糊PID控 制算法模塊進行運作，模糊PID控制算法模塊的運行流程為a.微機經(jīng)中斷采樣獲取被控 量的精確值，與設定值比較，得到誤差和誤差變化率作為模糊控制器輸入；b.利用專家經(jīng) 驗知識，經(jīng)過對輸入輸出量的模糊化、模糊控制規(guī)則的確定和模糊量的反模糊化處理，得到 PID控制器的比例系數(shù)KP、微分系數(shù)Kd和積分系數(shù)K1的在線整定；c.利用在線整定得到的 比例、微分和積分系數(shù)，經(jīng)PID控制器得到精確的數(shù)字控制量；d.數(shù)字控制量再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換 為精確的模擬量傳送給執(zhí)行機構(gòu)，以對被控對象進行控制。上述的模糊控制器為兩輸入三 輸出的結(jié)構(gòu)形式，輸入為發(fā)酵罐溫度誤差e和誤差變化量ec，輸出為KP、K1, KD，并作為PID
3控制器的輸入，經(jīng)PID控制器得到控制輸出，控制電動調(diào)節(jié)閥的開口增量，u(k)。工程測控模塊提供人機交互界面，并對系統(tǒng)全局的運作進行控制。計算機內(nèi)還設置有虛擬儀器模塊，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的組合儀表進行運作，在屏幕上動 態(tài)地顯示檢測參數(shù)的變化，并以表格等形式記錄、存儲數(shù)據(jù)，以及進行歷史存儲數(shù)據(jù)的查詢 和統(tǒng)計分析等。本實用新型的有益效果是該用于北蟲草液體發(fā)酵過程的溫度智能控制裝置，能 夠?qū)崟r、準確、自動地監(jiān)控液體發(fā)酵罐內(nèi)的溫度，使液體發(fā)酵溫度始終保持在適當?shù)姆秶?從而為菌絲生長提供良好的發(fā)酵環(huán)境，滿足菌絲發(fā)酵過程對溫度的要求，有效提高發(fā)酵產(chǎn) 物的產(chǎn)量和質(zhì)量。
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。


圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)組成框圖；圖2為本實用新型的控制流程原理框圖；圖3為本實用新型中所述模糊PID控制算法模塊的工作原理框圖。
具體實施方式
一種用于北蟲草液體發(fā)酵過程的溫度智能控制裝置，如
圖1所示，其包括有液體 發(fā)酵罐、溫度傳感器、計算機、數(shù)據(jù)采集板、控制繼電器、水泵和電動調(diào)節(jié)閥，發(fā)酵罐具有循 環(huán)冷卻水夾層，溫度傳感器設置在液體發(fā)酵罐內(nèi)，數(shù)據(jù)采集板插置在計算機內(nèi)對應的插槽 中，計算機內(nèi)設置有模糊PID控制算法模塊與工程測控模塊，數(shù)據(jù)采集板具有模擬輸入A/I 通道、數(shù)字I/O通道及模擬輸出A/0通道，其中模擬輸入A/I通道連接溫度傳感器，數(shù)字I/ 0通道連接控制繼電器，模擬輸出A/0通道連接電動調(diào)節(jié)閥，控制繼電器另與電動調(diào)節(jié)閥電 聯(lián)，水泵出水口通過水管及電動調(diào)節(jié)閥連接發(fā)酵罐的循環(huán)冷卻水夾層入口。在計算機內(nèi)另設置有用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的組合儀表進行運作的虛擬儀器模塊。如圖2所示，該套裝置的工作過程是液體發(fā)酵罐內(nèi)的溫度由溫度傳感器采集并 轉(zhuǎn)換成電信號，通過具有A/D轉(zhuǎn)換功能的數(shù)據(jù)采集板，將檢測信號傳送給計算機，計算機一 方面利用虛擬儀器軟件，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的組合儀表，在屏幕上動態(tài)的顯示檢測參數(shù)的變化，并以 表格等形式記錄、存儲數(shù)據(jù)，另一方面計算機將采集到的信息處理后與預先標定好的設定 值25°C進行比較，當超過預定值24士 1. 0°C時進行報警，同時采用模糊PID控制算法進行運 算，輸出控制信號，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集板的數(shù)字I/O通道和模擬A/0通道，將輸出信號作用于控 制繼電器和電動調(diào)節(jié)閥，通過控制調(diào)節(jié)閥開口的大小，調(diào)節(jié)發(fā)酵罐夾層水溫來達到調(diào)節(jié)發(fā) 酵溫度的目的，實現(xiàn)對液體發(fā)酵罐內(nèi)溫度的有效調(diào)控。本例中數(shù)據(jù)采集板選擇了美國NI公司生產(chǎn)的插入式數(shù)據(jù)采集板PCI-6221。該數(shù) 據(jù)采集板由數(shù)據(jù)采集器、存儲單元和控制邏輯等部分組成。本例中選用該數(shù)據(jù)采集板的67、 68端口連接溫度傳感器，采集液體發(fā)酵罐內(nèi)的溫度；選用52、53端口連接控制繼電器，選用 21、55端口連接電動調(diào)節(jié)閥的輸入信號，通過輸入信號的大小控制電動調(diào)節(jié)閥開口的大小。本例中溫度傳感器選用靈敏度高、線性好PtlOO鉬電阻溫度傳感器。溫度傳感器 的溫度信號采樣周期設置為10秒。[0018]本例中水泵型號為AB-12，其額定功率為40W，最大流量為12升/分。與水泵相連 的電動調(diào)節(jié)閥為ZAZP型電動調(diào)節(jié)閥。電源輸出380V三相交流電經(jīng)熔斷器、控制繼電器輸 入到電動調(diào)節(jié)閥電源的輸入端，數(shù)據(jù)采集板一方面通過數(shù)字I/O 口輸出低電壓信號控制繼 電器的開合，另一方面通過模擬A/0 口輸出電壓控制信號到電動調(diào)節(jié)閥的信號輸入端，以 調(diào)節(jié)閥口開度大小。其中控制繼電器采用了 GJ系列(過零型)固態(tài)繼電器(SSR)作為強 電與弱電的接口器件。如圖3所示，模糊PID控制算法模塊的工作原理是微機經(jīng)中斷采樣獲取被控量 的精確值，通過與設定值比較得到誤差和誤差變化率，作為模糊控制器的二維輸入。模糊 控制器的結(jié)構(gòu)為兩輸入三輸出的形式，輸入為發(fā)酵罐溫度誤差e和誤差變化量ec ；利用專 家經(jīng)驗知識，經(jīng)過對輸入輸出量的模糊化、模糊控制規(guī)則的確定和模糊量的反模糊化處理， 得到PID控制器的比例系數(shù)KP、微分系數(shù)Kd和積分系數(shù)K1的在線整定；利用在線整定得到 的比例、微分和積分系數(shù)，經(jīng)PID控制器得到精確的數(shù)字控制量；輸出為控制調(diào)節(jié)閥開口增 量，數(shù)字控制量再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換為精確的模擬量輸送給執(zhí)行機構(gòu)，以對被控對象進行控 制。本例中計算機采用中文WindowsXP操作系統(tǒng)作為軟件的運行環(huán)境，開發(fā)工具選用 了美國NI公司推出的虛擬儀器開發(fā)軟件LabWind0WS/CVI7. 1，工程測控軟件包含如下內(nèi) 容用戶界面、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、程序控制等幾個部分。其中軟面板程序用來提供虛擬 儀器與用戶的接口，它可以在計算機屏幕上生成一個與傳統(tǒng)儀器面板相似的圖形界面，用 于顯示測量的結(jié)果等。同時，用戶還可通過軟面板上的開關(guān)和按扭，模擬傳統(tǒng)儀器的各種操 作，通過鍵盤或鼠標實現(xiàn)對虛擬儀器的控制。儀器驅(qū)動程序主要用來初始化虛擬儀器，設置 特定的參數(shù)和工作方式，使虛擬儀器保持在正常的工作狀態(tài)。應用程序主要用來對輸入計 算機的數(shù)據(jù)進行處理，用戶就是通過編制應用程序來定義虛擬儀器功能的。測控系統(tǒng)主要 包括參數(shù)設定、參數(shù)標定、檢測與控制、報警記錄、數(shù)據(jù)管理、歷史查詢、幫助等幾個模塊。在 進入測控系統(tǒng)前首先要輸入用戶密碼，輸入正確，才可進入主控臺。測控系統(tǒng)中的參數(shù)設定 模塊主要是對發(fā)酵罐基本參數(shù)設置、采集參數(shù)、控制參數(shù)進行系統(tǒng)設置。設置系統(tǒng)采集參數(shù) 時，用戶可以根據(jù)硬件的情況在此處分配各路通道，如對采樣周期、模擬輸入通道、模擬輸 出通道和數(shù)字通道進行選擇與初始化。初始化內(nèi)容包括給定通道號、量程下限，量程上限， 采樣時間等數(shù)據(jù)。如遇硬件故障，需更換通道時，只需重新分配通道即可。參數(shù)標定模塊是 使用戶能夠通過標準件來標定傳感器，用戶在第一次使用本裝置時，必須首先運行本模塊 來標定系統(tǒng)。后續(xù)測試時，可以直接進行測試。多次測量后，若系統(tǒng)測試結(jié)果還不太穩(wěn)定， 可再次進行系統(tǒng)標定。
權(quán)利要求1.一種用于北蟲草液體發(fā)酵過程的溫度智能控制裝置，其特征在于包括有液體發(fā)酵 罐、溫度傳感器、計算機、數(shù)據(jù)采集板、控制繼電器、水泵和電動調(diào)節(jié)閥，發(fā)酵罐具有循環(huán)冷 卻水夾層，溫度傳感器設置在液體發(fā)酵罐內(nèi)，數(shù)據(jù)采集板插置在計算機內(nèi)對應的插槽中，計 算機內(nèi)設置有模糊PID控制算法模塊與工程測控模塊，數(shù)據(jù)采集板具有模擬輸入A/I通道、 數(shù)字I/O通道及模擬輸出A/0通道，其中模擬輸入A/I通道連接溫度傳感器，數(shù)字I/O通道 連接控制繼電器，模擬輸出A/0通道連接電動調(diào)節(jié)閥，控制繼電器另與電動調(diào)節(jié)閥電聯(lián)，水 泵出水口通過水管及電動調(diào)節(jié)閥連接發(fā)酵罐的循環(huán)冷卻水夾層入口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于北蟲草液體發(fā)酵過程的溫度智能控制裝置，其特征在 于計算機內(nèi)還設置有虛擬儀器模塊。
專利摘要本實用新型涉及一種用于北蟲草液體發(fā)酵過程的溫度智能控制裝置，包括有液體發(fā)酵罐、溫度傳感器、計算機、數(shù)據(jù)采集板、控制繼電器、水泵和電動調(diào)節(jié)閥，溫度傳感器設置在液體發(fā)酵罐內(nèi)，數(shù)據(jù)采集板插置在計算機的PCI插槽中，計算機內(nèi)設置有模糊PID控制算法模塊與工程測控模塊，數(shù)據(jù)采集板具有模擬輸入A/I通道、數(shù)字I/O通道及模擬輸出A/O通道，分別連接溫度傳感器、控制繼電器及電動調(diào)節(jié)閥，控制繼電器另與電動調(diào)節(jié)閥電聯(lián)，水泵出水口通過水管及電動調(diào)節(jié)閥連接發(fā)酵罐的循環(huán)冷卻水夾層入口。該裝置能夠?qū)崟r、準確、自動地監(jiān)控液體發(fā)酵罐內(nèi)的溫度，為菌絲生長提供良好的發(fā)酵環(huán)境，提高發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)量和質(zhì)量。
文檔編號C12M1/38GK201785393SQ20102027149
公開日2011年4月6日 申請日期2010年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月27日
發(fā)明者劉淑霞, 張瑞青, 王輝, 耿麗微, 趙春輝, 陳文杰 申請人:河北農(nóng)業(yè)大學