基于模糊自适应PID的CSTR厌氧发酵系统温度控制

北方民族大学电气信息工程学院　赵　阳　艾静静　尚　燕　潘俊涛

基于模糊自适应PID的CSTR厌氧发酵系统温度控制

北方民族大学电气信息工程学院赵阳艾静静尚燕潘俊涛

在沼气发酵出产的过程中，温度是影响沼气微生物出产量的主要因素，在CSTR的厌氧发酵罐中的温度是整个发酵系统中主要控制对象，通过控制温度可以控制发酵罐内的产气率、微调PH值。而CSTR中温度控制具有滞后性。本设计利用模糊自适应PID控制不用精确数学模型以及能够自行整定参数特点控制CSTR，使其能够适合微生物出产沼气并保持温度恒定，大大提升了沼气生产的效率。

沼气；CSTR；PID；温度

0　前言

沼气池是一种在农村十分常见的设备，但是由于一般家用沼气池环境普通，微生物不在最适宜的条件下，所以家用沼气池产气率很低，当沼气池温度低于10度时几乎不产气体，因此在大规模沼气生产时要对温度加以控制进而保证产气率。CSTR是一种全混合厌氧反应器，通过搅拌电机的运转使反应罐内微生物和细菌充分融合，从而达到快速反应充分反应的目的，反应器设计有加热系统，可联通外部热水罐控制内部反应罐温度。

1　系统设计

CSTR发酵罐的结构如图1所示，整个发酵罐处于密封状态，在6处安装正负减压阀防止出现内外气压偏差过大发生危险。温度传感器安装在与热水管道存在一距离的反应物中，且要安装多个处于不同水平面上，图1中所有器件位置仅作说明用，并非实际工程中位置，在使用温度传感器数据时按照平均法，将采集到的同一时刻不同位置的多个温度值做平均运算以求得到尽量合适的温度信号。12处为气动调节阀，可根据控制信号调整开度大小，控制热水流量进而控制发酵罐内液体温度。8处为气体成分分析仪，通过分析实时气体成分做好实时调整。

图1　系统设计图1.热水出口 2.入料口 3.液位传感器 4.搅拌器 5压力传感器6.正负减压阀 7.沼气出气口 8.气体成分分析仪 9.温度传感器 10.出料口 11.注水入口 12.气动调节阀 13.容器壁

图2　系统控制图

2　控制方案

系统以PLC为控制核心，通过温度传感器将温度信号转化为电信号，最终以4～20MA的电流信号送到PLC的模拟量输入，PLC根据当前温度情况，向气动调节阀传送4～20MA信号，控制阀门开度，进而控制热水流量，实现对罐内温度的调节。

图2中，r为设定的合适发酵温度，被控对象为入水口的气动调节阀，模糊推理与PID算法被植于PLC 中。

3　数据的模糊化处理

沼气微生物最适宜的活动温度范围在35℃左右，所以CSTR的温度控制系统设定35℃为给定值，CSTR发酵罐内温度提供内部温度传感器反馈至系统PLC，则系统输出控制热水的流入量及流入速度影响CSTR发酵罐内温度变化。

由于CSTR发酵罐内沼气微生物对温度十分敏感，传统PID控制CSTR发酵罐内温度的参数很难适应微生物活动规律，本设计通过实际操作经验及微生物活动统计规律，结合模糊控制理论设计出了模糊自适应PID发酵罐温度控制参数调整方法。根据模糊控制理论，模糊推理规则由

CSTR发酵罐温度控制系统的偏差e及偏差变化率ec输入决定，参数的变化值由模糊推理规则得kp、ki、kd的新参数为上一次加上本次参数的模糊变化值如式（1）。

输入量偏差 e 及偏差变化率ec的模糊论域子集为：｛ NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝ ，

当|e| 较大时，为使系统具有较好的跟踪性能，取较大的kp与较小的kd，同时为避免系统响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取ki= 0；当|e| 处于中等大小时，具有较小的超调，kp应取得小些，在这种情况下，kd的取值对系统响应的影响较大，ki的取值要适当；当|e|较小时，为使系统具有较好的稳定性kp和ki均取大些，当|ec|较大时，kd可取小些； |ec|较小时kd可取得较大些，通常kd为中等大小。

根据以上规定和模糊控制理论，以及现场操作经验，做出模糊规则推理表，如表1、2、3所示。

表1　kp模糊查询表

表2　ki模糊查询表

表3　kd模糊查询表

图4　kp的数据块

4　模糊控制在PLC中的实现

本系统选择使用西门子S7-300PLC，系统配置包括：PS 307 ，

CPU315-2DP，SM331，SM332，及适配器。在Step7中建立项目，组态硬件编写程序。程序控制包括主程序OB1，中断程序OB35，数据块DB1、DB2、DB3及组织FC1，初始化程序块OB100。通过基址加偏移量的方式将模糊表导入DB块中，在FC1中编写模糊49条模糊规则，在OB35中编写PID程序。DB1中导入kp的模糊查询表，

DB2中导入ki的模查询经OB100初始化后输入设定值，采集当前温度值计算偏差与偏差变化率，最终求得所需kp、ki、kd值，通过多个周期的调整温度值最终稳定在设定值周围（见图4）。

4.结论

记录从开始发酵到稳定得曲线图5。

图5　温度数据拟合图像

由图5知，在调节初期温度变化不大，随着阀门开度的增大中期温度上升迅速，调节30min左右出现达到35度最优温度，随后出现超调，峰值最终达到36.2度，随后开始靠近最优值，并稳定在35度左右，可见在CSTR厌氧发酵罐中使用模糊自适应PID调节取得较好的控制效果。

［1］刘建敏.农村家用沼气发酵工艺参数的优选研究［D］.西南大学，2006.

［2］孙丽丽.秸秆高效沼气发酵研究［D］.中国农业科学院，2009.

［3］楚莉莉.沼气高效厌氧发酵的条件及产气效应研究［D］.西北农林科技大学，2011.

［4］刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真［M］.电子工业出版社.