摘 要：本文表述了一种基于模糊算法的生化过程温度控制系统，详细论述了系统的总体结构、控制算法及软件实现流程。系统采用80C196KB单片机为主，控制算法采用模糊控制。本系统对于具有时变、大惯性、强时滞和非线性特点的生化过程温度控制有很好的效果。
关键词：温度控制; 生化过程; 模糊算法
Abstract: This paper presents a temperature control system of biochemical process based on fuzzy arithmetic, Details are described about the overall architecture, control arithmetic and flow chart of software .The 80C196KB MCU is selected as main controller; Fuzzy controller designed for temperature of biochemical process which has the characteristics such as time-varying, inertia, time-delay and nonlinear brings good control effect.
Key words: temperature control;Biochemical Process; Fuzzy Arithmetic
1 引言 生化产品的生产过程是复杂的生化反应过程，其具有时变、大惯性、强时滞和非线性的特点，为了提高产品的质量和成品率必须对生产过程的许多物理量如温度、压力、PH值等进行实时控制。由于目前人们对其中许多反应机理不十分清楚，无法建立控制对象的数学模型，采用传统控制方法的，有时并不比有经验的操作人员手动控制的效率高。模糊控制方法是一种非线性的控制方法，无需建立对象的数学模型，对于时变性有一定的适应能力。在生化反应的温度控制方面，利用模糊技术，对谷氨酸钠生化发酵罐的温度建立模糊控制模型，比传统的采用PID系统具有更强的抗干扰能力，同时具有很强的鲁棒性。
2 系统总体设计 系统总体组成框图如图1所示，该系统主要的控制对象是发酵罐的温度。因为谷氨酸钠生产过程中发酵罐的温度以非线性的形式逐步上升，为了提高产品的质量和成品率必须把温度控制在生产工艺所要求的范围。实际生产中是用冷却水喷洒在发酵罐四周以降低罐温。本控制系统采用80C196KB单片机为主，控制算法采用模糊控制。控制冷却水阀门的开度，经过环型管路喷洒在罐体表面进行降温。 [align=center]
图1系统总体组成框图[/align]
3 模糊及控制模型的建立 3.1发酵罐温度模糊的原理 本模糊是以计算机为控制主体，将控制参数和控制规则事先存入计算机，利用发酵罐热电偶温度检测系统，得到发酵罐的实际温度，依据隶属函数和模糊控制规则计算对应的模糊控制表，根据实测的温度信号的变化情况，控制冷却水阀门的开度以调节出水量大小，从而达到实时控制发酵罐温度的目的。 本系统采用二维模糊，它有两个输入变量：偏差量E ，是设定值与实测值之差;偏差变化率EC，是单位时间内偏差变化量，EC=dE/dt。它有一个输出变量U，其控制冷却水阀门的开度。 3.2 变量隶属函数的赋值 偏差量E和偏差变化率EC，二者可用模糊语言表示为负大（NB），负中（NM），负小（NS），负零（N0），正零（P0），正小（PS），正中（PM），正大（PB）。 输出变量U可用模糊语言表示阀门开度为：全开或最大（PB），很大（PM）， 大（PS），中等（0），小（NS），很小（NM），全关或最小（NB）。 各变量的隶属度是跟据现场运行经验设置的。 1.温差E的隶属函数 设温差E论域为E=｛-6，-5，-3，-2，-1，-0，+0，+1，+2，+3，+4，+5，+6｝,根据控制精度的要求，采用NB，NM，NS， N0，P0，PS，PM，PB八个模糊量来描述，可以得到EC变量的赋值表如下： 可以得到E变量的赋值表如下： [align=center]
表一：模糊变量E的赋值表[/align] 2.温差变化率EC的隶属函数 设温差变化率EC论域为EC=｛-6，-5，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6｝，采用NB，NM，NS，0，PS，PM，PB七个模糊量来描述，可以得到EC变量的赋值表如下： [align=center]
表二：模糊变量EC的赋值表[/align] 3.输出变量U的隶属函数 设输出变量U论域为U=｛-7，-6，-5，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7｝，用NB，NM，NS，0，PS，PM，PB七个模糊量来描述，可以得到U变量的赋值表如下： [align=center]
表三：模糊变量U的赋值表[/align] 4.模糊控制规则 本系统是双输入单输出系统，采用IF Ei and ECi then Ui为模糊规则。模糊关系R采用 R= EiⅹECiⅹUi ;模糊推理采用 Ui =（Ei ⅹECi ）ºR;根据R与Ui可求出模糊规则，此规则见表四： [align=center]
表四 模糊控制规则表[/align] 本系统采用最大隶属度判决法求得输出精确量U的值，将其构成模糊控制查询表存入计算机作为输出控制量。 3.3模糊的硬件介绍 1. 主 80C196KB单片机，它具有高性能的16位CPU，自带8KB的片内程序存储器和232BYTE寄存器RAM阵列，2个16位定时/计数器，48个I/O接口线，1个串行口，1路模拟输出通道，内置具有8路10位A/D通道，可简化接口电路设计。由于本控制程序没有大于8KB，使用片内的存储器即可，但是为了对采集的数据进行处理还需要扩展RAM，用一片6116RAM芯片构成。 2. 温度检测元件和变送器 生产过程的温度最高只有500C，选用0～1000C温度范围的镍铬热电偶，其输出电压为0～50mV,这个信号较小，故需要变送器将其变换成A/D转换器所需的电压范围。变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成。毫伏变送器用于将热电偶输出的0～50mV变换成0～10mA范围的电流，电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的0～10mA电流变换成0～5V范围的电压，采用片内10位A/D转换器可使量化温度误差保持在±0.50C。 3.D/A和A/D转换器 采用片内8路10位A/D转换器，分时采集八个温度检测点的信号，可以满足检测性能。D/A转换采用美国模拟器件公司生产的10位四象限D/A转换器AD7520，其结构简单，通用性好，配置灵活，输出的信号经功率放大器后可直接控制冷却水阀门开度。 4.执行机构 采用四个50mm的调节阀，经过环型管路喷洒在罐体表面进行降温。并在发酵罐旁安排两个手动水阀，以备调节系统异常时实施人工喷洒降温。 3.4模糊的软件介绍 本软件主要包括主程序，参数设置子程序，现场监测子程序，温度A/D子程序，阀门调节子程序，数据处理子程序，模糊推理子程序，模糊决策子程序，模糊关系R表格并将该表格内置于ROM中。主程序模块流程图如图2所示。 [align=center]
图2主程序模块流程图[/align]
4 结论 模糊控制方法是一种非线性的控制方法，对无法取得数学模型的系统可以取得较满意的控制效果，解决了一些传统控制方法无法解决的问题，尤其是对具有时变、大惯性、强时滞和非线性的生化过程温度的控制有很好的效果。 本文创新点为：提出了以80C196KB单片机为主生化过程温度模糊控制系统，其成本低，工作可靠，抗干扰能力强，提高了产品的质量和成品率。编制一种实用简单、响应速度快、控制性能好的查询模糊控制表程序，提高了执行效率。设计了环型喷洒管路阀门控制系统，节水效果显著，为取代传统的水冷方式提出了新途径,具有很高的推广应用价值。
参考文献： [1] 刘法治,赵明富.模糊控制技术在高楼恒压供水系统中应用[J],微计算机信息,2005（7）:21-23 [2] 张化光，何希勤. 模糊自适应控制理论及其应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2002 [3]李友善. 模糊控制理论及其在过程控制中的应用[M]. 北京：国防工业出版社,1993
