摘 要：本文表述了一種基于模糊算法的生化過程溫度控制系統(tǒng)，詳細(xì)論述了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、控制算法及軟件實(shí)現(xiàn)流程。系統(tǒng)采用80C196KB單片機(jī)為主控制器，控制算法采用模糊控制。本系統(tǒng)對(duì)于具有時(shí)變、大慣性、強(qiáng)時(shí)滯和非線性特點(diǎn)的生化過程溫度控制有很好的效果。 關(guān)鍵詞：溫度控制; 生化過程; 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 　　生化產(chǎn)品的生產(chǎn)過程是復(fù)雜的生化反應(yīng)過程，其具有時(shí)變、大慣性、強(qiáng)時(shí)滯和非線性的特點(diǎn)，為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率必須對(duì)生產(chǎn)過程的許多物理量如溫度、壓力、PH值等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。由于目前人們對(duì)其中許多反應(yīng)機(jī)理不十分清楚，無法建立控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，采用傳統(tǒng)控制方法的控制器，有時(shí)并不比有經(jīng)驗(yàn)的操作人員手動(dòng)控制的效率高。模糊控制方法是一種非線性的控制方法，無需建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于時(shí)變性有一定的適應(yīng)能力。在生化反應(yīng)的溫度控制方面，利用模糊技術(shù)，對(duì)谷氨酸鈉生化發(fā)酵罐的溫度建立模糊控制模型，比傳統(tǒng)的采用PID系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)具有很強(qiáng)的魯棒性。 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 　　系統(tǒng)總體組成框圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要的控制對(duì)象是發(fā)酵罐的溫度。因?yàn)楣劝彼徕c生產(chǎn)過程中發(fā)酵罐的溫度以非線性的形式逐步上升，為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率必須把溫度控制在生產(chǎn)工藝所要求的范圍。實(shí)際生產(chǎn)中是用冷卻水噴灑在發(fā)酵罐四周以降低罐溫。本控制系統(tǒng)采用80C196KB單片機(jī)為主控制器，控制算法采用模糊控制?？刂评鋮s水閥門的開度，經(jīng)過環(huán)型管路噴灑在罐體表面進(jìn)行降溫。 [align=center] 圖1系統(tǒng)總體組成框圖[/align] 3 模糊控制器及控制模型的建立 　　3.1發(fā)酵罐溫度模糊控制器的原理 　　本模糊控制器是以計(jì)算機(jī)為控制主體，將控制參數(shù)和控制規(guī)則事先存入計(jì)算機(jī)，利用發(fā)酵罐熱電偶溫度檢測(cè)系統(tǒng)，得到發(fā)酵罐的實(shí)際溫度，依據(jù)隸屬函數(shù)和模糊控制規(guī)則計(jì)算對(duì)應(yīng)的模糊控制表，根據(jù)實(shí)測(cè)的溫度信號(hào)的變化情況，控制冷卻水閥門的開度以調(diào)節(jié)出水量大小，從而達(dá)到實(shí)時(shí)控制發(fā)酵罐溫度的目的。 　　本系統(tǒng)采用二維模糊控制器，它有兩個(gè)輸入變量：偏差量E ，是設(shè)定值與實(shí)測(cè)值之差;偏差變化率EC，是單位時(shí)間內(nèi)偏差變化量，EC=dE/dt。它有一個(gè)輸出變量U，其控制冷卻水閥門的開度。 　　3.2 變量隸屬函數(shù)的賦值 　　偏差量E和偏差變化率EC，二者可用模糊語言表示為負(fù)大（NB），負(fù)中（NM），負(fù)小（NS），負(fù)零（N0），正零（P0），正?。≒S），正中（PM），正大（PB）。 　　輸出變量U可用模糊語言表示閥門開度為：全開或最大（PB），很大（PM）， 大（PS），中等（0），?。∟S），很?。∟M），全關(guān)或最?。∟B）。 　　各變量的隸屬度是跟據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的。 　　1.溫差E的隸屬函數(shù) 　　設(shè)溫差E論域?yàn)镋=｛-6，-5，-3，-2，-1，-0，+0，+1，+2，+3，+4，+5，+6｝,根據(jù)控制精度的要求，采用NB，NM，NS， N0，P0，PS，PM，PB八個(gè)模糊量來描述，可以得到EC變量的賦值表如下： 　　可以得到E變量的賦值表如下： [align=center] 表一：模糊變量E的賦值表[/align] 　　2.溫差變化率EC的隸屬函數(shù) 　　設(shè)溫差變化率EC論域?yàn)镋C=｛-6，-5，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6｝，采用NB，NM，NS，0，PS，PM，PB七個(gè)模糊量來描述，可以得到EC變量的賦值表如下： [align=center] 表二：模糊變量EC的賦值表[/align] 　　3.輸出變量U的隸屬函數(shù) 　　設(shè)輸出變量U論域?yàn)閁=｛-7，-6，-5，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7｝，用NB，NM，NS，0，PS，PM，PB七個(gè)模糊量來描述，可以得到U變量的賦值表如下： [align=center] 表三：模糊變量U的賦值表[/align] 　　4.模糊控制規(guī)則 　　本系統(tǒng)是雙輸入單輸出系統(tǒng)，采用IF Ei and ECi then Ui為模糊規(guī)則。模糊關(guān)系R采用 R= EiⅹECiⅹUi ;模糊推理采用 Ui =（Ei ⅹECi ）ºR;根據(jù)R與Ui可求出模糊規(guī)則，此規(guī)則見表四： [align=center] 表四 模糊控制規(guī)則表[/align] 　　本系統(tǒng)采用最大隸屬度判決法求得輸出精確量U的值，將其構(gòu)成模糊控制查詢表存入計(jì)算機(jī)作為輸出控制量。 　　3.3模糊控制器的硬件介紹 　　1. 主控制器 　　80C196KB單片機(jī)，它具有高性能的16位CPU，自帶8KB的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器和232BYTE寄存器RAM陣列，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，48個(gè)I/O接口線，1個(gè)串行口，1路模擬輸出通道，內(nèi)置具有8路10位A/D通道，可簡(jiǎn)化接口電路設(shè)計(jì)。由于本控制程序沒有大于8KB，使用片內(nèi)的存儲(chǔ)器即可，但是為了對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理還需要擴(kuò)展RAM，用一片6116RAM芯片構(gòu)成。 　　2. 溫度檢測(cè)元件和變送器 　　生產(chǎn)過程的溫度最高只有500C，選用0～1000C溫度范圍的鎳鉻熱電偶，其輸出電壓為0～50mV,這個(gè)信號(hào)較小，故需要變送器將其變換成A/D轉(zhuǎn)換器所需的電壓范圍。變送器由毫伏變送器和電流/電壓變送器組成。毫伏變送器用于將熱電偶輸出的0～50mV變換成0～10mA范圍的電流，電流/電壓變送器用于把毫伏變送器輸出的0～10mA電流變換成0～5V范圍的電壓，采用片內(nèi)10位A/D轉(zhuǎn)換器可使量化溫度誤差保持在±0.50C。 　　3.D/A和A/D轉(zhuǎn)換器 　　采用片內(nèi)8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，分時(shí)采集八個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)的信號(hào)，可以滿足檢測(cè)性能。D/A轉(zhuǎn)換采用美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的10位四象限D(zhuǎn)/A轉(zhuǎn)換器AD7520，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性好，配置靈活，輸出的信號(hào)經(jīng)功率放大器后可直接控制冷卻水閥門開度。 　　4.執(zhí)行機(jī)構(gòu) 　　采用四個(gè)50mm的調(diào)節(jié)閥，經(jīng)過環(huán)型管路噴灑在罐體表面進(jìn)行降溫。并在發(fā)酵罐旁安排兩個(gè)手動(dòng)水閥，以備調(diào)節(jié)系統(tǒng)異常時(shí)實(shí)施人工噴灑降溫。 　　3.4模糊控制器的軟件介紹 　　本軟件主要包括主程序，參數(shù)設(shè)置子程序，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)子程序，溫度A/D子程序，閥門調(diào)節(jié)子程序，數(shù)據(jù)處理子程序，模糊推理子程序，模糊決策子程序，模糊關(guān)系R表格并將該表格內(nèi)置于ROM中。主程序模塊流程圖如圖2所示。 [align=center] 圖2主程序模塊流程圖[/align] 4 結(jié)論 　　模糊控制方法是一種非線性的控制方法，對(duì)無法取得數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)可以取得較滿意的控制效果，解決了一些傳統(tǒng)控制方法無法解決的問題，尤其是對(duì)具有時(shí)變、大慣性、強(qiáng)時(shí)滯和非線性的生化過程溫度的控制有很好的效果。 　　本文創(chuàng)新點(diǎn)為：提出了以80C196KB單片機(jī)為主控制器生化過程溫度模糊控制系統(tǒng)，其成本低，工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率。編制一種實(shí)用簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、控制性能好的查詢模糊控制表程序，提高了執(zhí)行效率。設(shè)計(jì)了環(huán)型噴灑管路閥門控制系統(tǒng)，節(jié)水效果顯著，為取代傳統(tǒng)的水冷方式提出了新途徑,具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 劉法治,趙明富.模糊控制技術(shù)在高樓恒壓供水系統(tǒng)中應(yīng)用[J],微計(jì)算機(jī)信息,2005（7）:21-23 　　[2] 張化光，何希勤. 模糊自適應(yīng)控制理論及其應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002 　　[3]李友善. 模糊控制理論及其在過程控制中的應(yīng)用[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1993