基于PLC的海洋生物酶发酵温度Fuzzy-PID控制研究

　　1 引言

　　海洋生物酶作为一种新型鱼类饲料添加剂，有着广阔的市场前景。海洋生物酶发酵主要是通过对富含活性物质的海洋微生物进行发酵培养，从中获得大量的产物。

　　在海洋生物酶发酵过程中，发酵温度是影响微生物生长和代谢活力的重要因素。精确保持微生物的生长繁殖和合成所需要的适宜温度，对稳定发酵、缩短发酵周期和提高发酵单位产量具有积极的作用。

　　2 发酵温度控制方式的选取

　　海洋生物酶发酵系统具有大滞后、非线性和时变性的特点，对准确控制发酵罐温度带来一定的难度。

　　smith预估补偿法控制是解决工业纯滞后问题的有效方法，但它过分地依赖于被控对象的精确数学模型。而发酵温度由于其自身的特点无法得出精确数学模型。

　　传统数字pid控制算法简单、鲁棒性好、可靠性高，被广泛应用于可建立精确数学模型的确定性工业过程控制系统。而对于具有大滞后、非线性和时变性系统，数字pid控制适应性较差，易出现参数整定不良、超调量大等现象。

　　fuzzy控制有效的避开了被控对象的数学模型，以控制人员的经验为基础制定控制规则，实现复杂系统的控制。fuzzy控制的鲁棒性较好，对纯滞后及被控对象参数的变化不敏感，但因控制规则粗糙而容易产生稳态误差。

　　针对海洋生物酶发酵自身的特点，我们采用fuzzy-pid复合控制对发酵温度进行精确调节，主要设计思想如下：当发酵温度偏差较大时采用fuzzy控制，以加快系统响应速度;当发酵温度偏差较小时，系统自动切换到数字pid控制，消除静态误差以提高控制精度。控制方式的切换由plc程序根据设定的偏差阈值自动实现。

　　3 发酵温度fuzzy-pid控制原理设计

　　3.1 发酵温度fuzzy-pid控制原理图

　　发酵温度fuzzy-pid控制系统原理图如图1所示。图1中fuzzy控制和pid控制根据温度偏差大小进行自动切换。在本发酵控制系统中，fuzzy控制器和pid控制器均通过西门子s7 300 plc来实现，以获得良好的控制效果和系统稳定性。

　　图1 fuzzy-pid控制系统原理图

　　3.2 发酵温度控制系统的硬件构成

　　海洋生物酶发酵温度控制系统硬件结构如图2所示。控制系统通过模拟输入模块对发酵温度进行采集，经过plc程序处理后，通过模拟输出模块调节温度调节阀开度对发酵温度进行控制。

　　西门子s7300 plc通过profibus电缆与上位机(工控机)建立通讯，进行控制信息和发酵数据的交换。在上位机中通过西门子wincc v6.0软件对发酵过程进行全程监控，并存储相关数据。