模糊PID控制在柠檬酸发酵过程中的应用

河北科技大学学报

第２２卷第４期ＪＯＵＲＮＡｌＩＯＦＨＥＢＥｌＵＮＩＶＥＲＳｌＴＹ０ＦＶ【）１．２２Ｎｏ４总第５９期２００１年ＳＣＩＥＮＣＥＡＮｎＴＦＣｌ｛ＮＯＬＯＧＹＳｕｍ５９２㈨１

文章编号：ｌ００８１５４ｚ（：ｏ【１１）０４一００３４０５

模糊一ＰＩＤ控制在柠檬酸发酵过程中的应用

宋雪玲１，刘朝英２，宋哲英２，赵晓东３

（１．河北工业大学研究生部，天津３００１３０；２．河北科技大学电气信息学院．河北石家

庄０５００１８；３．河北科技大学研究生部河北石家庄０５００１８）

摘要：针对柠檬酸发酵过程非线性、大滞后、大一ｌ贯性、不确定性等特点介绍了发酵过程

的ＰＩＤ控制和模糊控制，并在此基础上着重介绍了鲒合二者优点的带积分分离的模糊

ＰＩｒ）软开关控制。仿真结果表明模糊Ｐ１Ｉ）软开关控制是一种有效的控制方法。

关键词：柠谍酸发酵；模糊控制；ＰＩＤ控制；模糊ＰＩＤ控制；计算机仿真

中图分类号：ＴＰ２７３＋．４；ＴＱ２２５文献标识码：Ａ

随着生物工程的迅速发展，发酵工业越来越受到科技界、生物界的重视。我国是世界上第二大柠檬酸生产国，目前出口已占柠檬酸总产量的８０跖以上，为国家创造了大量的外汇，且国内外市场对柠檬酸的需求量呈逐年上升的趋势。但我国柠檬酸行业的自动化程度不高，一般小型的发酵罐温度控制系统仅采用简单ＰＩＤ单回路控制方案。对大型发酵罐系统，则采用发酵罐温度为主回路，以冷却水系统为副回路的串级控制。由于控制过程中，参数变化较大，ＰＩＤ控制适应性差，直接影响到产量和质量。为了改进控制策略，本文针对发酵罐温度控制过程的参数不确定特点，提出了ＰＩＤ结合模糊控制的控制方法。

ｌ柠檬酸发酵过程工艺简介

柠檬酸发酵是好气性发酵，柠檬酸是单糖进行氧化过程的一种中间产物。目前采崩的发酵方法主要有表面发酵、固体发酵和深层发酵三种。深层发酵具有产酸率高、杂菌污染少、纯度高的特点因此很受青睬。但这种方法的技术难度较大，必须提高控制水平和优化管理水平，一般只在大规模生产中采用这种方法。图１为薯干缪液深层发酵的工艺流程。

采用深层发酵方法时，影响发酵过程进行的因素较多，而且在发酵过程的不同阶段对上述参数的要求不同。如发酵条件控制不当，就不能达到预期的效果。发酵条件也因菌种、工艺、原料的不同而异。在发酵过程中，除要求严格无菌条件外，还需要保持一定的温度、通风量及ｐＨ值等．工艺过程复杂。

２控制系统设计

柠檬酸发酵过程需控制的量很多，如温度、通风量等。在此主要以发酵罐温度为控制对象进收稿开期：２００１一０６１１；责任编辑：卞铜身

作者简介：宋雪玲（１９７４一），女，扣』北高邑县人，河北工业大学硕十研究生．研究＾向为计算机智能控制

第４期宋雪玲等模糊一ＰＩＤ控制在柠檬酸发酵过程中的应用３５行控制系统的设计。

２．１常规ＰＩＤ控制设计种于

ＰＩＤ控制作为一种传统的控制策ｌ

略．具有控制方式简单、无稳态误差等薹干粉—叫菌—叫却—斗发酵 一无茁空气特点。但随着对象特性的变化，调节器Ｔ

参数不变时，其适应能力变差。村擞畦叠酵寝

２．２模糊控制器设计

模糊控制作为一种新型的控制方图１柠檬酸发酵Ｉ艺流程

式，可以把人的经验形式化，模型化．变Ｈｇ．１Ｔｅｃｈｍｃｑｕｅｆｌ。ｗｏｆｃｌｔｒ－ｃａｃ｜ｄｆｅｒｍｅｎｔａｔ㈨

成计算机可以接受的控制模型，从而实现让计算机代替人进行有效的控制。因此这种控制方式特别适合对象具有不确定性系统．具有快速性和超调量小的特点，但其控制精度有限。其原理框图如图２所示。

２．３带积分分离的模糊ＰＩＤ软开关控制器设计

模糨一ＰＩＤ控制器设计方案的思想是充分发挥

模糊控制器快速、超调量小的优点和常规ＰＩＤ控

制．克服余差的优点使其控制系统在整个发酵过程

中都能较好的满足控制要求。即在偏差较大时采用图２模糊控制器的结构框图模糊控制，在偏差较小时采用ＰＩＤ控制，使其发挥Ｆ嗦．２ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｌｏｎｄ１８９ｒａｍｆｕｚｚｙ∞ｎｔｒｏｌｌＰｒ各自的优点。但在如果采用开关简单切换的办法，很

容易由于两作用在切换点附近相互切换而给

系统带来附加的干扰。因此在选择控制方案

时．既要考虑切换点的取值又要考虑切换点

的平稳。基于此种考虑，笔者采用了死区和饱叫一圈弓÷匝，！畴几ｒ园刍÷呼ｏｆ

和非线性组成模糊控制和ＰＩＤ控制的转换开

关，如图３所示。在整个控制过程中，ＰＩＤ一 直Ｌ圈三卜（刊

发挥作用，为了避免出现积分饱和引起的超图３转换控制开关结构图

调量增加、调节时间延长，采用积分分离的Ｆｌｇ．３Ｄｉ８９ｒａⅢｏｆｔｒａｎｓｋｒｃｏｎｔｒｏｌ…ｔｃｈＰＩＤ控制。

３仿真

３．１对象简介

以５０立方米的发酵罐为例，通过现场测试得到以温度控制对象时系统的传递函数为Ｇ㈨一面‰

其中输八为冷水流量，输出为发酵罐内温度．＾为系统静态放大倍数，其值随发酵过程所处阶段的不同．会产生较大的变化。在发酵初期，有少量的菌种开始繁殖，产生的发酵热少。而到了中期和后期，生长和不断成熟的菌体产生大量的发酵热，使其静态放大倍数下降。由此可见发酵过程的温度对象不仅与其他温度控制一样，具有较大的滞后．且其静态放大倍数也随发酵过程的进行而改变．即具有非线性特性。３．２仿真结构

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根据温度对象特性 在Ｍａｔｌａｂ环境下对控制系统进行了仿真研究。系统结构图如图４所示。

图４带积分分离的模糊ＰＩＤ控制系统框图

Ｆｌｇ ４Ｓｙｓｔｅｍｄｊ８９’ａｍｏｆｆ啪ｙ—ＰＩＤｗ１幽ａｐａｒｔｏｆＩｎｔ。ｇｒａｌ

其中模糊控制器框图如图５所示。

图５模糊控制器框图

Ｆ１９５Ｄ１８９ｒａｍｏｆｆｕｚｚｙ∞ｎｔｒｏ【Ｉｅｒ

采用简单模糊控制器时．为提高控制精度，输入输出变量的隶属函数分布如图６所示；在模糊复合控制中，输人输出变量的隶属函数分布如图７所示，即采用等量化因子分布。

图６变量化因子隶属函数分布圈图７等量化因子隶属函数分布图

Ｆ１９．６ＤｌａｇｒａｍｏｆｍｅｍｂｅｒｓｈｌｐＦ１９．７Ｄ１８９ｒａｍｏｆｍｅｎｌｂｅｒｓｈ‘ｐ

ｗｌｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆａｃｔｏｒＷＬｔｈ∞ｎｓｔａｎｌｆａｃｔｏｒ

３．３仿真结果

仿真结果如图８～１１所示。

图８为常规ＰＩＤ控制对发酵罐温度给定值为阶跃输入．对象特性变化时的闭环响应曲线。从图中可以看出由于调节器参数不变，调节效果明显变差。当＾由８减小到２时，系统振荡严重，超调量从１．３增加到２，调节时间从６增加到１６。

图９为模糊控制器作用下，对象特性参数变化的闭环响应曲线。基本模糊控制系统在不同ｊ＝．况下，模糊控制器的超调量减小，调节时问比ＰＩＤ控制时明显缩短，当ｌ取８时为【）．７，但稳态误差比ＰＩＤ作用时明显增加。同时由于比例因子不变，控制效果随＾的变化而下降。

图１０为利用简单切换开关的模糊一ＰＩＤ控制策略用于被控对象时的闭环响应曲线。由图可以看出，对同样的＾值．超调量比常规的ＰＩＤ作用明显降低．但调节时问不理想。例如当女取８时，超调量为Ｏ．３５，调节时间为８。系统由于模糊和ＰＩＤ控制之间在切换点附近的来回切换，造

第４期宋雪玲等模糊一ＰｒＤ控制在柠檬酸发酵过程中的应用

成附加干扰，控制效果不理想。

图１１为利用带积分分离的模糊一ＰＩＤ软开关控制策略作用于被控对象的响应曲线，扶图中可以看出对同样的々值，其超调量和响韪￡时间均明显小于以上几种控制方案。当＆取２时，超讽量为ｏ．３。随着＾值的增加，超词最明显减小，取８时仅为０．０７，＾取１６时基本无超调．大大提高了对被控对象的适应能力．提高了调节精度和系统的抗干扰能力。

从仿真结果比较可看出，采用带积分分离的模糊ＰＩＤ智能软开关控制策略，不仪静态特性得以改善，动态偏差也减小，并且调节速度加快．控制效果较好，对干扰的克服能力增强．是一种理想的控制策略。

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６８１０１２１４哮，、０迭ｊ２．厂●１６１日∞蹲

因１１固ｌＯ模糊一ＰＩＤ作用下的仿真曲线

Ｆ１９．１０ＳｌｍｕｌａｔＬｏｎｄｌａｇｒａｍ。ｆ带积分分离的模糊一ＰＩＤ软开关仿真曲线Ｆ１９．１１Ｓｌｍｕｌａｔｉｏｎｄｌａ９７“ｍ。ｆｆ¨ｚ。ｙＰＴＤ

ｃ。ｎｔｆｌｌｚ。ｙ—ＰＴｒ）ｃｏｎｔｒｕｌｒｏｌｗ¨ｈａｐａｒｔｕ¨ｎｔ。ｇｒ。１

图中ａｌ、ｌ，ｌ、ｃｌ、ｃｌ’为＾取２时的响应曲线．ａ２、ｌ，２、ｃ２，ｃ２’为＾取８时的响应曲线，ａ３．ｂ３ｃ３、ｃ３’为女取ｌｊ时的响ｌ，ｔ曲线４结束语

作为一种新型的控制策略，带积分分离的模糊ＰＩＤ智能软开关控制器结合了模糊控制和Ｐｍ控制的优点，采用积分分离的方法克服了积分饱和现象，缩短了系统凋节时间；各部分开关阀值可根据系统具体要求进行调节，易于实现，控制效果良好和抗ｒ扰能力强，大大提高了柠檬酸产品的产量和质量。在发酵过程自动控制巾具有重要的参考价值。

参考文献：

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上面的ＰＬ／ｓＱＩ。存储过程存放在Ｏｒａｃｌｃ服务器中，用户ａＴ以在本地通过浏览器调用此存储过程并可以在ｗｅｂ中输入查询条件、修改０ｒａｃｌｅ数据库中的ｉ己录等。参考文献：［１：王燕，崔雨拍０ｒａｃｌｅｗｅｂｓｅ…ｒ数据库开发指南［Ｍ］北京：机械Ｔ业出版社．１鲫８：：：沈金发，郏甫泉．土令齐．关系数据库系统（）ｒａｃＩｅ［Ｍ：北京清华人学出版社．１９９０．：３。马力空．陈小军０ｒａｃｌｅ数据库管理手册［Ｍ：北京：学葩出版社，ｌ９９９ＴｈｅＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎＢｅｔｗｅｅｎＤａｔａｂａｓｅａｎｄＷｅｂ。ＩＵＥｎ—ｈａｉ，ＮＩＥＪｕｎｌａｎ，ＨＡＮＨｕａｎｐｍｇ，ｗＡＮ（；Ｉ。ｌａｎｚｅ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒＩｃａＩＥ“ｇ‘ｎｅｅｒｌ“ｇａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｌｕｎＴｅｃｈｎｕ【。ｇｙ ＨｅｂｅｌＵｎｌｖｅｒｓｌｏｙ。ｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ｜ｒＩａｎ】ｌｎ３００ｌ３０．Ｃｈｍａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：１ｎｌｎｆｏｒｍａｔｌｏｎｄｏｍａｉｎ．ｔｈ∞ｎｎｅｃｔｌｏｎｂｅｔｗ㈣Ｄａｔａｈ槲ａｎｄＷｅｂｂｅｃ。吣ｍ（）…ｎ（｛ｍｏｒ９ｌｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ，ｓｅｖＰｒａｌｇｅｎｅｒａｌｍｅｔｈｏｄｓｂｅｔｗｅｅｎＤａ姐ｂａｓｅａｎｄｗｅｂａｒｅｍｔｒｏｄ㈣ｄａｎｄｔｈＰ忙ａｔｕｒｅｓ。ｆｔｈＰｍａ州ｏｍ阳ｒｅｄ．ＡｔｔｈｅｓａｍＰｔ㈣，ｔｈｅｗｏｒｋＩ“ｇｐ『ｌｎｃＩｐＩ…ＬｎｄＩＩｌｅｒｌｔｓｏｆｏｒａｆｆＰ聃７ｅｈＳＰｒ、ｒｒ川ｌｎｄ（】ｆｐｒｏｄｕｆｔｏｆＷｅｂＤａｔａｈａｓｅ，ａｒｅｄｌｓｃｕｓｓｅｄｍｇｒｅａｔ如ｔａｌｌ．Ｆｌｌｌａｌｌｙ．ａｐｒｏｇｒａｎｌ１ｓｐｌ¨ｆ。㈤ｒｄＴ叭ｘｐｌａｌｎ｝１。ｗＩｏ’ｅａｌｌｚｅｑｕｅ。ｙａｎｄｍｏ击ｆｌｃａｔｉ。ｎｌｎｔｈｅＷｅｂｐ８９ｅ】ｎＯｒａｃｌｅＷ曲Ｓ…ｒＫｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＳＰ；ｗｅｂ；ｄａｔａｂａｓｅ；ｗｅｂｂｒｏｗｓｅｒ；ｓｅｒｖｅ’；ｃ¨ｅｎｔ

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