一種用于好氧發酵工藝的智能控制裝置及控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于好氧發酵工藝的智能控制裝置及控制方法，所述智能控制裝置包括：控制器、輸入信號調理電路、輸出信號調理電路、數字量輸入輸出電路及網絡通信模塊，所述輸入信號調理電路與所述控制器連接，所述輸出信號調理電路與所述控制器連接。本發明采用了多變量模糊智能控制的方法，能夠將更加靈活，更加精準的實現對好氧發酵的所需環境因素的控制，從而達到最佳好氧發酵環境。
【專利說明】一種用于好氧發酵工藝的智能控制裝置及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及有機固廢物的好氧發酵工藝領域，特別涉及一種用于好氧發酵工藝的智能控制裝置及控制方法。
【背景技術】
[0002]有機固廢物的好氧發酵處理工藝是指有機廢物在微生物的作用下轉化成穩定的腐殖質的過程，在這個過程中需要通過鼓風機的強制通風來供應微生物活動所需的氧氣，同時調節好氧過程中的環境溫度，使微生物處于最佳活動環境中，從而達到有機固廢物得以充分發酵的目的。
[0003]在好氧發酵過程中，起主要作用的是嗜氧微生物群，而這個微生物群種需要在一定溫度和一定氧濃度條件下才能正常生產并繁殖，供風量過大或過小，抑或溫度過高或過低，均會抑制其繁衍，因此，需要一個智能控制器能夠根據發酵所需的環境，對上述因素做出合理的調節，以達到相應的目的。
[0004]然而，現有控制器僅是通過傳感器采集發酵物料的發酵溫度或氧氣濃度來控制供風量，有的控制器甚至僅僅采用是風機間歇啟停的方式來對發酵物料進行強制通風，無法真正滿足好氧發酵所需氣候環境。

【發明內容】

[0005]針對上述現有技術中 提到的問題，本發明的目的是:提供一種用于好氧發酵工藝的智能控制器及控制方法，該控制裝置通過采用多級模糊控制理論綜合處理發酵過程中的各個關鍵工藝參數，并根據處理結果輸出供風量控制信號，使好氧發酵過程更加符合好氧發酵反應過程對所需氣候環境的要求，同時具有降低能耗的效果。
[0006]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0007]—種用于好氧發酵工藝的智能控制裝置，所述智能控制裝置包括:
[0008]用于承擔模糊綜合處理功能，并將模糊處理后的結果生成控制信號的控制器；
[0009]用于采集處理發酵過程中的氧氣濃度和環境溫度的實時信號，并將實時信號轉換為數字信號的輸入信號調理電路，所述輸入信號調理電路與所述控制器連接；
[0010]用于將所述控制信號轉為能夠控制鼓風機供風量的脈沖信號或模擬信號的輸出信號調理電路；所述輸出信號調理電路與所述控制器連接；
[0011]用于采集好氧發酵工藝中其他信號或完成其他相關控制功能的其它接口電路；及
[0012]用于為分布式控制系統組建通信網絡的網絡通信模塊。
[0013]進一步，所述控制器將傳感器采集到的模擬信號經輸入信號調理電路轉換成數字信號，再經中央處理器處理后，將數字信號經輸出信號調理電路轉換成控制信號。
[0014]進一步，所述智能控制裝置還包括:用于保存一定周期過程參數值的大容量存儲器；所述過程參數值用于控制過程中對控制規則庫進行自我修復和優化。
[0015]進一步，所述智能控制裝置還包括:用于參數設置及顯示好氧發酵過程參數和運行數據的按鍵及顯示模塊。
[0016]進一步，所述智能控制裝置設有擴展接口，可用于無線通信及其他功能的擴展。
[0017]進一步，所述智能控制裝還包括加裝抗干擾電路、避雷處理電路、輸入端保護電路、過壓保護電路、過流保護電路和反接保護電路。
[0018]一種用于好氧發酵工藝的智能控制方法，包括以下步驟:
[0019]步驟S1:根據好氧發酵工藝所需的參數要求及專家經驗知識，建立適用于好氧發酵工藝多級模糊器的模糊控制規則庫，并將其保存于控制器中；
[0020]步驟S2:利用不同類型的傳感器對好氧發酵的環境參數進行信號采集，并將采集到的不同種類的模擬信號經輸入信號調理電路轉換為數字信號；
[0021]步驟S3:從步驟S2中所述的不同種類的數字信號中任選兩個為一組，并將其傳送至控制器進行模糊處理，并根據模糊控制規則庫輸出第I級模糊控制量；
[0022]步驟S4:將上述步驟S3中的第I級模糊控制量再與剩下的任一未做過模糊處理的數字信號組成一組，再傳送至控制器進行模糊處理，并根據模糊控制規則庫輸出第2級模糊控制量，以此類推，直至輸出最后一個模糊控制量，即第N級模糊控制量；
[0023]步驟S5:將第N級模糊控制量進行解模糊化處理，并輸出數字控制量，再經輸出信號調理電路將數字控制量轉換為模擬控制信號，從而實現對執行機構的調控。
[0024]作為優選方案，所述步驟SI中模糊控制規則庫的劃分具體分為以下步驟:
[0025]1、首先劃分輸入變量和控制變量的模糊集，將溫度信號和溫度變化率的模糊集分別定義為:{很小，較小，小，中，大，較大，很大}和{較小，小，中，大，較大}，將氧氣濃度值的模糊集定義為:{較低，低，中，高，較高}，將執行機構即通風量的模糊集定義為:{很小，較小，小，中，大，較大，很大};
[0026]2、將根據上述各類模糊集根據好氧發酵工藝要求及專家經驗知識，分別整理對應級別模糊控制器的模糊控制規則庫，并保存至控制器的存儲器中。
[0027]作為優選方案，所述步驟S2具體包括:對好氧溫度值、溫度變化速率和好氧環境中的氧氣濃度進行模擬信號采集，然后再經過輸入信號調理電路輸出與之對應的數字信號。
[0028]作為優選方案，所述步驟S3具體包括:將好氧的溫度值與溫度變化速率對應的數字信號傳送至智能控制器裝置，由相應的模糊控制器進行模糊化，并根據對應模糊控制規則庫進行模糊處理，輸出第I級模糊控制量。
[0029]作為優選方案，所述步驟S4具體包括:將第I級模糊控制量與反應氧氣濃度的數字信號傳送至智能控制器裝置，由相應的模糊控制器進行模糊化，并根據對應模糊控制規則庫進行模糊處理，輸出第2級模糊控制量。
[0030]作為優選方案，所述步驟S5具體包括:將第2級模糊控制量進行解模糊化，得到供風量的數字控制信號，再經輸出信號調理電路將數字控制信號轉換為模擬控制信號，將模擬控制信號傳送給鼓風機的調節裝置(如調節閥、變頻器等)，從而控制鼓風機的供風量。
[0031]本發明的有益效果是:本發明采用了多變量模糊智能控制的方法，能夠將更加靈活，更加精準的實現對好氧發酵的所需環境因素的控制，從而達到最佳好氧發酵環境，且大大降低了好氧發酵過程的能耗。【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1是一種用于好氧發酵工藝的智能控制裝置應用示意圖；
[0033]圖2是一種用于好氧發酵工藝的智能控制裝置控制模塊結構框圖；
[0034]圖3是智能控制裝置的控制器電路圖；
[0035]圖4是輸入信號調理電路結構示意圖 ；
[0036]圖5是輸出信號調理電路結構示意圖；
[0037]圖6是多級模糊控制原理圖。
[0038]其中，1-好氧發酵物料，2-氧濃度傳感器，3-溫度傳感器，4-傳感器電纜，5-控制器，6-通風管,7-鼓風機,8-電力電纜。
【具體實施方式】
[0039]現在結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。
[0040]附圖1所示的為一種用于好氧發酵工藝的智能控制裝置在實際應用環境中的狀態，其中，主要包括:好氧發酵物料1、氧濃度傳感器2、溫度傳感器3，控制器5，通風管6和鼓風機7，所述氧濃度傳感器2和所述溫度傳感器3 —端插在好氧發酵物料I中，采集其中的好氧發酵環境中的溫度值、溫度變換速率及含氧濃度，兩個傳感器通過傳感器電纜4將采集到的模擬信號量送給控制器5進行模糊分析處理，控制器5將模糊分析處理的結果再通過電力電纜8傳送給鼓風機，并控制鼓風機在通風管6的供風量，從而達到改善好氧發酵環境的目的，結合附圖1便于理解下述部分的內容。
[0041]如附圖2-5所示:一種用于好氧發酵工藝的智能控制器裝置，所述裝置包括:控制器主機，用于承擔模糊域分析、參數模糊化、模糊算子、模糊控制算法等模糊綜合處理功能，并將模糊處理后的解模糊化結果生成控制信號；輸入信號調理電路，與所述控制器相連接，用于采集并處理與好氧過程密切相關的過程參數實時信號，并將這些信號實時值轉換成數字信號，供控制器主機取用；輸出信號調理電路，與所述控制器相連接，用于處理所述控制器發出的控制信號，使之轉換成可用于控制鼓風機供風量的模擬信號或脈沖信號；數字量輸入輸出電路，用于采集好氧發酵工藝中所需其他信號或完成其它相關控制功能；網絡通信模塊，用于為多控制器組建通信網絡。
[0042]所述智能控制器主機將采集到的傳感器信號經輸入信號調理電路，轉換成數字信號，再經中央處理器信號處理后，將數字信號經過輸出信號調理電路轉換成控制信號。
[0043]所述裝置還包括大容量存儲器，用于保存一定周期的過程參數值。這些過程參數值可用于在控制過程中對控制規則庫進行自我修復和優化。
[0044]所述裝置包含按鍵及顯示模塊，用于過程參數設置及顯示好氧發酵過程參數及運行數據；所述裝置同時預留了其他功能模塊的擴展接口，用于無線通信等其他功能的擴展。
[0045]為保證所述控制裝置在正常電壓下工作，所述裝置還包括加裝抗干擾、避雷處理、輸入端保護、過壓保護、過流保護、反接保護等保護電路。
[0046]控制器平臺以單片微型處理器PIC24FJ64G為例，其電路圖如圖3所示。好氧工藝傳感器經由接線端接入控制裝置，其信號經過A/D轉換隔離電路(圖4)連接到微處理器上。微處理器經過數據處理后經由D/A轉換隔離電路(圖5)轉換成執行機構所能接受的模擬量信號，從而控制鼓風機的供風量。存儲器電路與為處理器器相聯接，用于存儲在好氧控制的工藝參數及過程參數。鍵盤/顯示接口模塊直接與控制器主機相連，用于人機交互。控制器可單機運行，也可作為智能終端通過RS485網絡通信接口模塊組成分布式控制網絡。
[0047]結合附圖6:以有機固廢物好氧發酵為例，有機固廢物進行好氧發酵的關鍵工藝參數有溫度、氧濃度、物料含水率、耗氧率、二氧化碳濃度等，此處以溫度和氧濃度兩種參數作為控制器的輸入信號，有機固廢物好氧發酵的適宜溫度在45°C~70°C，適宜氧氣濃度范圍在5%~15%。
[0048](I)首先劃分輸入變量和控制變量的模糊集。控制器主機將溫度信號的模糊集分別定義為{很小，較小，小，中，大，較大，很大};溫度變化率的模糊集定義為{較小，小，中，大，較大}而氧氣濃度值的模糊集為{較低，低，中，高，較高}。執行機構為通風量，此處為模擬量調節信號，模糊集取為{很小較小，小，中，大，較大，很大}。
[0049](2)根據好氧工藝專家經驗及各變量的模糊化結果，分別整理出對應單變量的模糊控制規則庫，保存在控制器主機的存儲器內。
[0050](3)輸入實時信號的處理。控制器首先根據采集到的信號類別的不同判斷變量類型。假設系統同時采集到溫度傳感器和氧氣傳感器的信號，則自動調用多級模糊控制處理程序。將處理結果進行解模糊化處理，即可得到實際需要通風量，由控制信號調理電路(圖5)輸出模擬控制信號對執行機構進行調控，調節鼓風機的通風量。
[0051]以上所述的利用較佳的實施例詳細說明本發明，而非限制本發明的范圍。本領域技術人員可通過閱讀本發明后，做出細微的改變和調整，仍將不失為本發明的要義所在，亦不脫離本發明的精神和范 圍。
【權利要求】
1.一種用于好氧發酵工藝的智能控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟S1:根據好氧發酵工藝所需的參數要求，建立模糊控制規則庫，并將其保存于控制器中； 步驟S2:利用不同類型的傳感器對好氧發酵環境進行信號采集，并將采集到的不同種類的模擬信號經輸入信號調理電路轉換為不同種類的數字信號； 步驟S3:從步驟S2中所述的不同種類的數字信號中任選兩個為一組，并將其傳送至控制器進行模糊處理，并根據模糊控制規則庫輸出第I級模糊控制量； 步驟S4:將上述步驟S3中的第I級模糊控制量再與剩下的任一未做過模糊處理的數字信號組成一組，再傳送至控制器進行模糊處理，并根據模糊控制規則庫輸出第2級模糊控制量，以此類推，直至輸出最后一個模糊控制量，即第N級模糊控制量； 步驟S5:將第N級模糊控制量進行解模糊化處理，并輸出數字控制量，再經輸出信號調理電路將數字控制量轉換為模擬控制信號，從而實現對執行機構的調控。
2.如權利要求1所述的一種用于好氧發酵工藝的智能控制方法，其特征在于，所述步驟SI中模糊控制規則庫的劃分具體分為以下步驟: 首先劃分輸入變量和控制變量的模糊集，將溫度信號和溫度變化率的模糊集分別定義為:{很小，較小，小，中，大，較大}和{很小，較小，小，中，大，較大}，將氧氣濃度值的模糊集定義為:{較低，低，中，高，較高}，將執行機構即通風量的模糊集定義為:{較小，小，中，大，較大}; 根據上述各類模糊集分別整理對應單變量的模糊控制規則庫，并保存至控制器的存儲器中。
3.如權利要求1所述的一種用于好氧發酵工藝的智能控制方法，其特征在于，所述步驟S2具體包括:對好氧溫度值、溫度變化速率和環境中氧氣濃度進行模擬信號采集，然后再經過輸入信號調理電路輸出與之對應的數字信號。
4.如權利要求1所述的一種用于好氧發酵工藝的智能控制方法，其特征在于，所述步驟S3具體包括:將好氧的溫度值與溫度變化速率對應的數字信號傳送至控制器進模糊處理，并根據模糊控制規則庫，輸出第I級模糊控制量。
5.如權利要求1所述的一種用于好氧發酵工藝的智能控制方法，其特征在于，所述步驟S4具體包括:將第I級模糊控制量與反應氧氣濃度的數字信號傳送至控制器進行模糊處理，并根據模糊控制規則庫，輸出第2級模糊控制量。
6.如權利要求1所述的一種用于好氧發酵工藝的智能控制方法，其特征在于，所述步驟S5具體包括:將第2級模糊控制量進行解模糊化，并輸出數字控制量，再經輸出信號調理電路將數字控制量轉換為模擬控制信號，將模擬控制信號傳送給鼓風機，從而控制鼓風機的供風量。
【文檔編號】C12M1/38GK103540688SQ201210237876
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年7月10日 優先權日:2012年7月10日
【發明者】張文杰, 韋小駟, 江利華, 嚴敏東, 宮寧 申請人:上海恒濟智能控制系統有限公司, 張文杰