1引言

　　海洋生物酶發(fā)酵自動(dòng)控制系統(tǒng)，是中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所承擔(dān)的國(guó)家“九五”863計(jì)劃項(xiàng)目（海洋生物酶示范工程）的配套電氣控制系統(tǒng)。海洋生物酶是采用我國(guó)海洋產(chǎn)酶微生物的代謝產(chǎn)物，運(yùn)用現(xiàn)代生物工程手段開(kāi)發(fā)出的一種新型酶制劑產(chǎn)品，與傳統(tǒng)酶制劑相比具有更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)前景。海洋生物酶發(fā)酵自動(dòng)控制系統(tǒng)是海洋生物酶產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的重要載體，它將現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)與傳統(tǒng)生物發(fā)酵技術(shù)相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)海洋生物酶發(fā)酵過(guò)程的自動(dòng)優(yōu)化控制。

　　在發(fā)酵過(guò)程中采集溶解氧濃度數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)控制是海洋生物酶示范工程中的難點(diǎn)，必須根據(jù)生物發(fā)酵和溶解氧控制的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)發(fā)酵設(shè)備和先進(jìn)工控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溶解氧濃度的自動(dòng)優(yōu)化控制。

　　2海洋生物酶發(fā)酵溶解氧自動(dòng)控制策略

　　2.1海洋生物酶發(fā)酵溶解氧的特性

　　要實(shí)現(xiàn)海洋生物酶發(fā)酵溶解氧濃度的自動(dòng)優(yōu)化控制，必須首先了解生物酶發(fā)酵和發(fā)酵溶解氧濃度控制的特點(diǎn)。

　　在發(fā)酵過(guò)程中，微生物以培養(yǎng)液為依托，經(jīng)歷著生長(zhǎng)、繁殖和死亡等一系列的變化。本文所研究的海洋微生物其生長(zhǎng)階段可分為：延遲期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、平穩(wěn)期和衰亡期四個(gè)階段，生物酶菌在這四個(gè)階段中的耗氧情況也不盡相同，也就是說(shuō)發(fā)酵過(guò)程中溶解氧濃度的最優(yōu)值非恒定。發(fā)酵溶解氧濃度的變化既受到自身特性的制約，又受到周圍發(fā)酵環(huán)境的影響。

　　海洋生物酶發(fā)酵溶解氧具有大滯后、非線性和時(shí)變性的特點(diǎn)，影響溶解氧濃度的因素很多，比如發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)型式、表面張力、培養(yǎng)液的粘度和攪拌方式等，這些都是發(fā)酵系統(tǒng)固有的、無(wú)法改變的因素，另外無(wú)菌空氣的流量、攪拌轉(zhuǎn)速、發(fā)酵溫度和罐內(nèi)壓力也是直接影響溶解氧濃度的重要因素。我們無(wú)法簡(jiǎn)單地通過(guò)控制某單一參數(shù)完成對(duì)溶解氧濃度的優(yōu)化控制，必須綜合考慮各種因素。

　　海洋生物酶發(fā)酵所允許的溶解氧濃度范圍為[6mg/L，12mg/L]，濃度過(guò)高或過(guò)低都將對(duì)微生物的活性和酶制劑產(chǎn)品的品質(zhì)造成嚴(yán)重影響。

　　2.2海洋生物酶發(fā)酵溶解氧自動(dòng)控制策略探討

　　海洋生物酶發(fā)酵溶解氧濃度的控制是一個(gè)復(fù)雜的非線性過(guò)程，受到諸多因素的共同影響，本課題從無(wú)菌空氣的流量、攪拌轉(zhuǎn)速、發(fā)酵溫度和罐內(nèi)壓力等工藝參數(shù)出發(fā)，探討實(shí)現(xiàn)溶解氧濃度優(yōu)化控制的策略和方法。

　　Smith預(yù)估補(bǔ)償法控制是解決工業(yè)純滯后問(wèn)題的有效方法，但它過(guò)分地依賴被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，而發(fā)酵溶解氧濃度由于其自身的特點(diǎn)目前還無(wú)法得出精確的數(shù)學(xué)模型。

　　傳統(tǒng)數(shù)字PID控制算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程中的模擬控制系統(tǒng)，但對(duì)于具有大滯后、非線性和時(shí)變性特點(diǎn)的系統(tǒng)，數(shù)字PID控制適應(yīng)性較差，易出現(xiàn)參數(shù)整定不良、超調(diào)量大等現(xiàn)象。

　　Fuzzy控制有效的避開(kāi)了被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，以專家知識(shí)和操作人員經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)制定控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的控制。Fuzzy控制的魯棒性較好，對(duì)純滯后及被控對(duì)象參數(shù)的變化不敏感，但因控制規(guī)則粗糙而容易產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。

      針對(duì)海洋生物酶發(fā)酵自身的特點(diǎn)，我們采用Fuzzy-PID復(fù)合控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)酵溶解氧濃度進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，主要控制思想如下：當(dāng)發(fā)酵溶解氧濃度偏差較大時(shí)采用Fuzzy控制，以加快系統(tǒng)響應(yīng)速度；當(dāng)偏差較小時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到數(shù)字PID控制，消除靜態(tài)誤差以提高控制精度，控制方式的切換由PLC程序根據(jù)設(shè)定的偏差閾值自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，以獲得良好的控制效果和系統(tǒng)穩(wěn)定性。該發(fā)酵溶解氧濃度Fuzzy-PID復(fù)合控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

　　在該Fuzzy-PID控制系統(tǒng)中，發(fā)酵溶解氧濃度信號(hào)來(lái)自DO電極，經(jīng)DO變送器將4～20mA信號(hào)傳送至PLC。圖1虛線框內(nèi)為該控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，包括兩種控制方式的切換及各自控制算法基于PLC的實(shí)現(xiàn)，這也是本文要重點(diǎn)探討的內(nèi)容。

　　圖1海洋生物酶發(fā)酵溶解氧Fuzzy-PID控制系統(tǒng)原理圖

　　3發(fā)酵溶解氧Fuzzy-PID控制系統(tǒng)的構(gòu)建

　　3.1發(fā)酵過(guò)程溶解氧控制變量的選擇

　　要實(shí)現(xiàn)發(fā)酵溶解氧濃度的自動(dòng)優(yōu)化控制，首先必須解決控制變量選擇的問(wèn)題。通過(guò)分析可知，海洋生物酶發(fā)酵溶解氧濃度的控制是一個(gè)復(fù)雜的非線性過(guò)程，受到諸多因素的共同影響：有些因素是系統(tǒng)固有的，比如發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)型式、表面張力等；有些因素是難以實(shí)現(xiàn)控制的，比如培養(yǎng)基的粘度和攪拌方式等；而實(shí)際發(fā)酵過(guò)程中真正可以用作控制溶解氧的變量只有：無(wú)菌空氣的流量、攪拌轉(zhuǎn)速、發(fā)酵罐溫度和罐內(nèi)壓力等四個(gè)變量。

　　對(duì)海洋生物酶發(fā)酵過(guò)程而言，溫度是關(guān)系到微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物生成的關(guān)鍵因素之一，是根據(jù)黃海水產(chǎn)研究所中試試驗(yàn)生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)給定的（29±0.5℃），近似為恒定值，不可以把它作為一個(gè)控制變量。

　　對(duì)于罐壓，罐壓為零時(shí)可能造成染菌，因此發(fā)酵罐需要維持一定的正壓。增大壓力可以增加氧在培養(yǎng)液中的溶解度，有利于菌的生長(zhǎng)及海洋生物酶的合成，但是二氧化碳在水中的溶解度比氧大30倍，罐壓增大，二氧化碳的溶解度也增加，從而可能會(huì)造成菌體的窒息死亡，因此罐壓不宜過(guò)高。罐壓一般穩(wěn)定在0.04～0.06MPa之間，也就是說(shuō)罐壓也不適宜作為控制變量。

　　攪拌轉(zhuǎn)速可以作為一個(gè)控制變量，但對(duì)攪拌轉(zhuǎn)速有一定的要求：攪拌轉(zhuǎn)速不可過(guò)高，否則將會(huì)打斷菌絲；攪拌轉(zhuǎn)速也不能過(guò)低，因?yàn)閿嚢璩四軌蛟黾尤芙庋踔猓€具有維系發(fā)酵液物系均勻混合的作用。

　　對(duì)于無(wú)菌空氣流量而言，它也可以作為一個(gè)控制變量，但對(duì)它也需要作上下限的限制：通氣量不能太大，否則將會(huì)產(chǎn)生過(guò)多泡沫，造成發(fā)酵液的逸出并大大增加染菌的機(jī)會(huì)；通氣量也不能太小，發(fā)酵液中的大量氣泡隨著微生物的呼吸會(huì)有大量的二氧化碳的產(chǎn)生，如果不及時(shí)地把這些氣泡帶走將會(huì)造成菌體的二氧化碳中毒。

　　綜上所述，系統(tǒng)選取無(wú)菌空氣流量和攪拌轉(zhuǎn)速作為溶解氧濃度控制的控制變量，通過(guò)對(duì)無(wú)菌空氣通氣量和攪拌轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)間接優(yōu)化控制海洋生物酶發(fā)酵溶解氧濃度。

　　3.2發(fā)酵溶解氧PID控制器的構(gòu)建

　　發(fā)酵溶解氧PID控制器的系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，轉(zhuǎn)速PID控制器和空氣流量PID控制器各自獨(dú)立運(yùn)行，但均以溶解氧濃度為最終控制對(duì)象：轉(zhuǎn)速PID控制器通過(guò)調(diào)節(jié)攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)溶解氧濃度的調(diào)節(jié)；空氣流量PID控制器通過(guò)改變無(wú)菌空氣的流量達(dá)到調(diào)節(jié)溶解氧濃度的目的。

　　發(fā)酵溶解氧PID控制器主要應(yīng)用在溶解氧濃度偏差小于閾值的情況下，可以在設(shè)定值附近實(shí)現(xiàn)精確控制，且穩(wěn)定性較好，超調(diào)量較小。轉(zhuǎn)速PID控制器和空氣流量PID控制器的構(gòu)建及其基于PLC的實(shí)現(xiàn)方法與發(fā)酵溫度PID控制器類似。

　　圖2發(fā)酵溶解氧PID控制器的系統(tǒng)構(gòu)成

　　3.3發(fā)酵溶解氧Fuzzy控制器的構(gòu)建

　　發(fā)酵溶解氧Fuzzy控制器同樣將攪拌轉(zhuǎn)速和無(wú)菌空氣流量作為控制變量，以模糊控制算法為基礎(chǔ)，通過(guò)控制攪拌電機(jī)和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)發(fā)酵溶解氧濃度的自動(dòng)優(yōu)化控制。從整體上看該發(fā)酵溶解氧控制系統(tǒng)屬于二維輸入二維輸出模糊控制系統(tǒng)，而攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速和無(wú)菌空氣流量這兩個(gè)參數(shù)相對(duì)獨(dú)立，二者之間不存在明顯的耦合關(guān)系，因此可將模糊控制算法分別單獨(dú)應(yīng)用于轉(zhuǎn)速控制和空氣流量控制。發(fā)酵溶解氧Fuzzy控制器系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。下面將以無(wú)菌空氣流量為對(duì)象探討Fuzzy控制器的構(gòu)建方法，轉(zhuǎn)速Fuzzy控制器與此類似。

　　圖3發(fā)酵溶解氧Fuzzy控制器系統(tǒng)構(gòu)成

　　模糊控制器的結(jié)構(gòu)

      模糊控制的基礎(chǔ)是模糊集合理論的模糊邏輯，是用模糊邏輯來(lái)模仿人的思維，對(duì)那些非線性、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)以及無(wú)法建立數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)進(jìn)行控制。模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，主要由四大部分組成：模糊化接口、知識(shí)庫(kù)、模糊邏輯推理機(jī)和解模糊接口，其基本原理如圖4所示。

    　圖4模糊控制基本原理框圖

      在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)被控對(duì)象的具體情況和系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求進(jìn)行控制器的結(jié)構(gòu)選型。由于模糊控制器的控制規(guī)則是根據(jù)專家知識(shí)或操作經(jīng)驗(yàn)得出的，而實(shí)際操作時(shí)只能觀察到被控對(duì)象的輸出變量及其變化情況，因此，在模糊控制器中，常常選取誤差和誤差的變化率作為二維輸入變量，而把系統(tǒng)控制量作為模糊控制器的輸出變量，這樣就確定了二維模糊控制器的結(jié)構(gòu)。

　　發(fā)酵溶解氧濃度二維模糊控制器的設(shè)計(jì)

　　在模糊控制系統(tǒng)中，模糊控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它的硬件結(jié)構(gòu)和普通數(shù)字控制器相同，因此模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)就是編寫模糊控制算法。當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器時(shí)，并不需要像設(shè)計(jì)數(shù)字控制器時(shí)那樣，必須知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，而是根據(jù)模糊控制原理按以下步驟設(shè)計(jì)模糊控制器：

　　A.確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量；

　　B.設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則；

　　C.確立模糊化和解模糊的方法；

　　D.選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域，并確定模糊控制器的參數(shù)（如量化因子、比例因子等）；

　　E.設(shè)計(jì)模糊控制算法應(yīng)用程序

　　海洋生物酶發(fā)酵溶解氧Fuzzy控制采用二維模糊控制器，將發(fā)酵溶解氧濃度偏差及其偏差變化率作為該控制器的二維輸入變量，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（以無(wú)菌空氣流量為控制變量）如圖5所示：西門子PLC的模擬輸入、輸出模塊完成A/D、D/A的轉(zhuǎn)換工作；計(jì)算控制變量和模糊控制器的實(shí)現(xiàn)工作由PLC程序完成；執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象和傳感器分別為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、發(fā)酵罐（無(wú)菌空氣流量）和DO電極（變送器），也就是說(shuō)通過(guò)改變無(wú)菌空氣的流量來(lái)調(diào)節(jié)溶解氧濃度。

　　圖5海洋生物酶發(fā)酵溶解氧Fuzzy控制（無(wú)菌空氣流量）原理圖

　　A．模糊控制器精確量的模糊化處理

　　溶解氧二維模糊控制器的輸入量為溶解氧濃度偏差及其偏差變化率，首先需要對(duì)其進(jìn)行尺度變換，將測(cè)量變量轉(zhuǎn)換成離散論域中的量值。

　　（3.1）

　　由式（3.1）可知，一旦量化因子選定，系統(tǒng)的任何偏差ei總可以量化為論域X上的某一元素（若為小數(shù)，則四舍五入為整數(shù)值；若超出基本論域，則將其量化為-n或n）。

　　同樣，可得到偏差變化率的量化因子定義如下：

　　（3.2）

　　在發(fā)酵溶解氧模糊控制器中，溶解氧濃度偏差的基本論域?yàn)閇-15mg/L，15mg/L]（將[-3mg/L，3mg/L]擴(kuò)大5倍，以提高系統(tǒng)的靈敏度），偏差變化率的基本論域?yàn)閇-0.8mg/Ls，0.8mg/Ls]；取n=6，E和EC的論域分別取為X={-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}和Y={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，由式（3.1）、式（3.2）可得：

　　圖6正態(tài)分布型隸屬函數(shù)曲線

　　對(duì)于溶解氧濃度偏差變量，選用“正大（PB）、正中（PM）、正?。≒S）、正零（PO）、負(fù)零（NO），負(fù)小（NS）、負(fù)中（NM）和負(fù)大（NB）”等8個(gè)語(yǔ)言變量值（E）分檔，即{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}，溶解氧偏差變化率選用{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}7個(gè)語(yǔ)言變量值（EC）分檔；隸屬函數(shù)均采用正態(tài)函數(shù)（如圖6所示），并根據(jù)海洋生物酶發(fā)酵溶解氧的相關(guān)特性和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正得到如表1、表2所示的語(yǔ)言變量賦值表。

　　發(fā)酵溶解氧模糊控制器的輸出量為控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的信號(hào)u∈[4mA，20mA]，在此

　　表1語(yǔ)言變量E賦值表

　　　　表2語(yǔ)言變量EC賦值表

　　將其線性變換得到其基本論域?yàn)閇-8mA，8mA]，輸出語(yǔ)言變量為U?；谝陨暇幹普Z(yǔ)言變量E、EC賦值表的原理，可選定U的論域Z={-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7}，選取其語(yǔ)言值為{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}。通過(guò)海洋生物酶發(fā)酵的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在確定其隸屬函數(shù)（選為正態(tài)函數(shù)并進(jìn)行修正）的基礎(chǔ)上，建立如表3所示的語(yǔ)言變量U賦值表。

　　表3語(yǔ)言變量U賦值表

　　B．基于手動(dòng)控制策略的模糊控制規(guī)則表

　　根據(jù)海洋生物酶發(fā)酵手動(dòng)控制的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可總結(jié)出8×7=56條由模糊語(yǔ)句構(gòu)成的控制規(guī)則，這些控制規(guī)則對(duì)于雙輸入（E和EC）、單輸出（U）的模糊控制器，通常采用以下形式：

　　if E and EC then U

　　具體到發(fā)酵溶解氧模糊控制中，則表示為：

　　if E= PB and EC= PB then U=PB

　　此模糊語(yǔ)句代表了發(fā)酵操作者這樣的經(jīng)驗(yàn)：發(fā)酵溶解氧濃度很低（偏差大于零）且具有很大的下降趨勢(shì)，此時(shí)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度應(yīng)取最大值，即迅速增大無(wú)菌空氣流量。根據(jù)手動(dòng)控制發(fā)酵過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)可將56條類似的模糊語(yǔ)句（即控制規(guī)則）制成溶解氧濃度模糊控制規(guī)則表，如表4所示。表4中的每一條規(guī)則均決定一個(gè)模糊關(guān)系，共有56個(gè)。其中

　　表4溶解氧濃度模糊控制規(guī)則表

　　C．溶解氧模糊控制查詢表

　　根據(jù)上述論述計(jì)算出總的模糊關(guān)系R后，利用推理合成規(guī)則公式（3.4）進(jìn)行計(jì)算。

　　（3.4）

　　通過(guò)E和EC的所有元素（E為14個(gè)，EC為13個(gè)）在其所對(duì)應(yīng)的論域上的獨(dú)立點(diǎn)模糊集 和 ，便可求得輸出語(yǔ)言變量U的模糊子集 ， 共有14×13=182個(gè)模糊子集合，采用最大隸屬度法對(duì)該模糊集合進(jìn)行模糊判決，并以溶解氧濃度偏差變化率EC的論域元素為行，偏差E的論域元素為列，兩元素相應(yīng)的交點(diǎn)為輸出量U，制成溶解氧濃度模糊控制查詢表（根據(jù)實(shí)際情況已進(jìn)行修正），如表5所示。

      最大隸屬度法是模糊控制器中實(shí)現(xiàn)清晰化的常用算法，在經(jīng)過(guò)推理所得的模糊集合中選取隸屬度最大的元素作為清晰量。

　　表5溶解氧濃度模糊控制查詢表

　　D．模糊控制器輸出量U的轉(zhuǎn)換

　　溶解氧濃度模糊控制查詢表中的U值不能直接用來(lái)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，需將其對(duì)應(yīng)變換為4～20mA的電流信號(hào)u。

　　模糊控制器輸出量U的論域Z={-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7}，通過(guò)尺度變換（用比例因子進(jìn)行變換）得到對(duì)應(yīng)輸出量的基本論域?yàn)閇-8mA，8mA]，再轉(zhuǎn)化為4～20mA的實(shí)際電流信號(hào)。比例因子定義如下：

　　（3.5）

　　可得在該系統(tǒng)中，這樣就可以得到控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作的實(shí)際電流值u。

　　4發(fā)酵溶解氧Fuzzy-PID控制基于PLC的實(shí)現(xiàn)

　　4.1PLC程序控制算法流程

　　針對(duì)海洋生物酶發(fā)酵自身的特點(diǎn)，我們采用Fuzzy-PID復(fù)合控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)酵溶解氧濃度進(jìn)行精確調(diào)節(jié)：當(dāng)發(fā)酵溶解氧濃度偏差|e|＞3.0mg/L時(shí)，系統(tǒng)輸出u取最大值，即電磁閥全開(kāi)或全閉；當(dāng)0.3mg/L≤|e|≤3.0mg/L時(shí)采用Fuzzy控制，以加快系統(tǒng)響應(yīng)；當(dāng)|e|＜0.3mg/L時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)切換至數(shù)字PID控制方式，消除靜態(tài)誤差以提高控制精度，控制方式的切換由PLC程序根據(jù)設(shè)定的偏差閾值自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，以獲得良好的控制效果和系統(tǒng)穩(wěn)定性，發(fā)酵溶解氧Fuzzy-PID控制的PLC程序流程如圖7所示。

　　圖7發(fā)酵溶解氧Fuzzy-PID程序流程圖

　　Fuzzy控制子程序的實(shí)現(xiàn)是海洋生物酶發(fā)酵溶解氧Fuzzy-PID控制器的關(guān)鍵部分，本文將對(duì)其基于西門子PLC的程序流程及實(shí)現(xiàn)方法作詳細(xì)探討。

　　根據(jù)溶解氧濃度二維模糊控制器的構(gòu)建步驟，可得出如圖8所示基于PLC的溶解氧濃度Fuzzy控制算法流程圖。

　　4.2溶解氧Fuzzy控制在STEP7中的實(shí)現(xiàn)

　　由圖8可知，溶解氧濃度Fuzzy控制在STEP7中的實(shí)現(xiàn)主要包括以下五個(gè)步驟：

　　①將量化因子ke、k△e和比例因子ku存放到位存儲(chǔ)器M中；

　?、诓蓸訒r(shí)間到達(dá)時(shí)，計(jì)算實(shí)時(shí)偏差e和偏差變化率△e；

　　③將e和△e量化到模糊論域中，得到其離散值E和EC；

　?、芨鶕?jù)E、EC和溶解氧濃度模糊控制查詢表得到控制輸出量U；

　?、軺值乘以ku并經(jīng)線性變換得到實(shí)際輸出u。

　　其中，第③④是模糊控制功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。①將e和△e量化到模糊論域中，得到其離散值E和EC。

　　溶解氧濃度偏差e和偏差變化率△e的基本論域分別為：[-15mg/L，15mg/L]（將[-3mg/L，3mg/L]擴(kuò)大5倍）和[-0.8mg/Ls，0.8mg/Ls]；E和EC的論域分別為X={-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}和Y={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}。

　　圖8海洋生物酶發(fā)酵溶解氧Fuzzy控制算法流程圖

　　圖9溶解氧偏差e量化處理的PLC程序

　　其中，溶解氧偏差e的實(shí)際值存放在DB1.DBD20中，經(jīng)量化處理后的E值存放在DB1.DBD32中，同理可得到量化處理后的EC值（存放在DB1.DBD40中）。在圖9中，ROUND指令為取整操作，即取最接近的整數(shù)值。

　?、诟鶕?jù)E、EC和溶解氧濃度模糊控制查詢表得到控制輸出量U

　　溶解氧濃度模糊控制查詢表在PLC程序中的實(shí)現(xiàn)是整個(gè)模糊控制PLC程序的重點(diǎn)，為此系統(tǒng)采用PLC的間接尋址功能實(shí)現(xiàn)該表格的存儲(chǔ)和查詢。

　　系統(tǒng)在STEP7中建立共享數(shù)據(jù)塊DB5以存放溶解氧濃度模糊控制查詢表。表5中的14×13=182個(gè)控制輸出量U值按先行后列、從左到右的順序依次存放在DB5中，并設(shè)置其變量初始值。該182個(gè)控制輸出量U值的PLC地址為：DB5.DBD0～DB5.DBD724，每個(gè)U值占用一個(gè)雙字的存儲(chǔ)空間。

　　這樣，表5中的控制輸出U值就與數(shù)據(jù)塊DB5中的PLC地址相對(duì)應(yīng)：表5中的第a行、第b列的U值在DB5中的位置y（順序號(hào)）可由以下公式得出：

　　根據(jù)表5和式（3.8）可得到如圖11所示溶解氧濃度模糊控制查詢表的PLC程序。其中，控制輸出量U的PLC地址存放在位存儲(chǔ)器MD62中，U值存放在MD66中。控制輸出量U值乘以比例因子ku，并經(jīng)線性變換得到實(shí)際輸出u（4～20mA），以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的控制。

　　圖11溶解氧濃度模糊控制器查詢表在STEP7中的實(shí)現(xiàn)

　　在發(fā)酵溶解氧濃度穩(wěn)定（設(shè)定值與實(shí)際值均為8.4mg/L）的前提下，將其設(shè)定值修改為8.0mg/L，此時(shí)濃度偏差大于0.3mg/L。系統(tǒng)首先采用Fuzzy控制方法（提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度）將溶解氧濃度偏差調(diào)節(jié)至0.3mg/L，而后轉(zhuǎn)為PID控制以提高控制精度。調(diào)試過(guò)程中的一組溶解氧濃度響應(yīng)數(shù)據(jù)如表6示，根據(jù)該表格可在MATLAB中采用“描點(diǎn)連線法”作出

　　如圖12所示的溶解氧濃度調(diào)試響應(yīng)曲線。

　　表6溶解氧濃度Fuzzy-PID控制調(diào)試數(shù)據(jù)表格

　　圖12發(fā)酵溶解氧濃度Fuzzy-PID控制響應(yīng)曲線

　　由圖12及發(fā)酵PID控制經(jīng)驗(yàn)可知，相對(duì)于傳統(tǒng)數(shù)字PID控制，F(xiàn)uzzy-PID控制方法在調(diào)節(jié)海洋生物酶發(fā)酵溶解氧濃度時(shí)更具優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度明顯提高，穩(wěn)態(tài)誤差較小，溶解氧濃度的控制能夠滿足海洋微生物的生長(zhǎng)需要，進(jìn)一步提高了其活性和酶制劑產(chǎn)品的品質(zhì)。

　　這樣，系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)菌空氣流量來(lái)控制發(fā)酵溶解氧濃度的目的。依據(jù)以上論述，也可得到攪拌轉(zhuǎn)速的模糊PID控制策略及其基于PLC程序的實(shí)現(xiàn)方法。

　　5結(jié)束語(yǔ)

　　發(fā)酵溶解氧濃度的控制采用了模糊PID控制技術(shù)，將模糊控制和傳統(tǒng)的數(shù)字PID控制相結(jié)合以優(yōu)化溶解氧濃度的自動(dòng)控制。將Fuzzy-PID控制方法引入到發(fā)酵過(guò)程溶解氧濃度自動(dòng)控制中，系統(tǒng)取得了較好的控制效果，海洋生物酶制劑產(chǎn)品的活性接近黃海水產(chǎn)研究所的中試試驗(yàn)結(jié)果，從而大大降低了發(fā)酵生產(chǎn)對(duì)工作人員操作經(jīng)驗(yàn)的依賴，提高了海洋生物酶發(fā)酵自動(dòng)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率。