基于参数自整定模糊PID控制的抗生素发酵罐

温度控制系统

The temperature control system of antibiotic fermentor based

on parameters auto-tuning fuzzy PID controller

梁云峰，谷凤民，虎恩典，郭学东

LIANG Yun-feng, GU Feng-min, HU En-dian, GUO Xue-dong

（宁夏大学 机械工程学院，银川 750021）

摘 要：针对抗生素发酵过程中的发酵罐温度具有滞后性、非线性以及很难建立精确的数学模型等特性，本控制系统采用参数自整定模糊PID控制算法对发酵罐的温度进行控制，通过MATLAB仿真及实践应用表明，参数自整定模糊PID控制有效地改善了传统PID控制的缺陷，保证了发酵罐温度的精确控制，克服了温度对象时滞特性。同时对参数自整定模糊PID控制算法的三种实现方式进行了论述。

关键词：参数自整定；模糊PID；发酵罐；温度控制系统

中图分类号：TP273 文献标识码：B 　 文章编号：1009-0134(2011)9(上)-0060-04Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2011.9(上).20

0 引言

温度是抗生素发酵过程中最重要的过程参数之一，发酵罐温度的控制是发酵控制过程中的一个重要环节，其控制精度直接影响到发酵的成败。但是，由于发酵过程中的温度是具有很大的滞后性、时变性和非线性的受控对象，再加上发酵过程中温度的变化规律因培养菌种的不同而不同，因此控制比较困难。传统的PID控制已不适用于该控制对象。根据该厂的控制系统的现状和抗生素生产的工艺要求，将PID控制和模糊控制相结合起来的参数自整定模糊PID控制用于发酵罐的温度控制，实现在线修正PID参数。

制的目的。

1.2 发酵罐温度数学模型的建立

发酵过程中，随着微生物菌种对培养基的利用和机械搅拌作用将产生一定的热量，同时，发酵罐的罐壁散热和水分蒸发也会带走一些热量，总之，发酵过程中产生的热量，叫做发酵热。发酵热包括生物热Q生物、搅拌热Q搅拌、蒸发热Q蒸发和辐射热Q辐射等，是引起发酵过程中温度变化的原因。发酵热是随时间变化的，通过在夹套或蛇形管通入冷却水，来维持一定的发酵温度。在此不考虑发酵液与罐壁之间的热量传递，发酵罐内的热平衡方程为：

(1)

其中：M1为发酵液的质量；M2为发酵罐的质量；c1为发酵液的比热，kJ/(kg·℃)；c2为发酵罐材料的比热，kJ/(kg·℃)；S为温度上升速率，℃/h；M为近似后发酵液的总质量，kg；c为近似后发酵液的总比热，kJ/(kg·℃)；θ为发酵罐内的温度，℃。

对(1)式进行拉氏变换得

：

(2)

1 发酵罐温度的检测和数学模型的建立

1.1 发酵罐温度的检测

温度的检测采用TTR-Pt100一体化温度变送器，其由传感器和变送器两部分组成，安装于发酵罐侧壁，输出与温度成正比的4～20mA直流电流信号。根据厂家的要求，发酵罐的温度控制偏差为：±0.5℃。发酵罐温度是通过蛇形管间接冷却控制的，通过控制调节阀的开度，来改变通过调节阀冷却水的流量，达到温度控

收稿日期：2011-07-11

基金项目：宁夏大学科学研究基金资助项目（ndzr09-31）

作者简介：梁云峰（1977 -），男，宁夏固原人，讲师，硕士，研究方向为机电系统智能控制。【60】 第33卷 第9期

2011-9(上)