本發明涉及一種基于預測控制的沼氣系統及其穩定供氣方法，更具體的說，尤其涉及一種結構簡單合理、沼氣產生率高和沼氣生產穩定的沼氣系統及預測控制與pid控制相融合的穩定性供氣方法。

背景技術：

畜禽糞便、病死畜禽、農作物秸稈等廢棄物的不當處理，將引發環境污染、滋生病菌、資源浪費等問題，成為政府和居民關注的熱點。現在很多地方建立區域廢棄物資源化利用示范基地，以區域農業廢棄物資源化利用、新農村沼氣利用、沼液沼渣綜合利用為核心的區域生態循環農業示范，解決區域有機廢棄物污染問題，優化農村能源結構。但當下沼氣發酵和供氣多采用電觸點式氣體壓力表配合時間繼電器連接電磁閥、儀表變頻器配合連接電機等供氣裝置，都會受到相應繼電器、電機等硬件條件的限制，會出現裝置上下限調節壓力不穩、燃氣灶使用效率不高和單純的變頻控制縮短電機使用壽命等問題，需要有更為理想的自動穩壓供氣裝置。

一般情況下，會借助pid控制解決上述問題，pid控制具有原理簡單、結構簡明、實現方便，算法在結構上具有較強的魯棒性，在工業控制中簡單有效。但另一方面，控制算法的普及性也反映了pid控制器在控制品質上的局限性，pid控制比較適用于單輸入單輸出最小相位系統，并且只能確定閉環系統的少數主要零極點等不足，使得在規模化的沼氣供氣控制過程中不能有效實現自動化管理和穩定有序的工作。

技術實現要素：

本發明為了克服上述技術問題的缺點，提供了一種基于預測控制的沼氣系統及其穩定供氣方法。

本發明的沼氣系統，包括發酵罐、屯渣液池、蓄糞池、物料倉、儲氣罐、電源管理模塊和熱電聯合機組，蓄糞池設置于地表以下，用于存儲畜禽的糞便，物料倉用于存儲農作物秸稈，物料倉與發酵罐之間設置有物料輸送裝置，發酵罐和屯渣液池設置于地表之上；其特征在于：所述蓄糞池經設置有第一輸液泵的輸液管與發酵罐相連通，發酵罐經設置有第二輸液泵的輸液管與屯渣液池相連通，屯渣液池經設置有第三輸液泵的輸液管與外界相連通；發酵罐的上部經設置有流量計的沼氣管與沼氣純化器相連通，沼氣純化器經沼氣管與儲氣罐相連通，儲氣罐經設置有可控電磁閥的沼氣管與熱電聯合機組的進氣管相連通，熱電聯合機組的電源輸出經輸電線與輸電電網和電源管理模塊的輸入端相連接；電源管理模塊的輸出端經輸電線與沼氣純化器的電源輸入端、發酵罐中的用電設備以及辦公房中的用電設備相連接；所述發酵罐中設置有攪拌裝置、液位傳感器、溫度傳感器、ph傳感器和濃度傳感器，所述儲氣罐中設置有壓力傳感器和氣體成分傳感器。

本發明的沼氣系統，所述蓄糞池設置于畜禽飼養場地的地表之下，畜禽飼養場地中設置有帶孔底板，帶孔底板的下方設置有接料槽，接料槽的底部經通孔與蓄糞池相連通。

本發明的沼氣系統，包括起采集、運算和控制作用的微控制器，所述液位傳感器、溫度傳感器、ph傳感器、濃度傳感器、壓力傳感器、氣體成分傳感器均與微控制器的輸入端相連接，微控制器的輸出端與可控電磁閥的控制端相連接。

本發明的沼氣系統的穩定性供氣方法，a).采集發酵參數，以每天為時間段tday，在時間段tday周期性地采集發酵罐中反應物質的液位h、溫度t、ph值p、濃度ρ，形成發酵參數ci(h,t,p,ρ),其中，i為每天所采集的發酵參數的次數，12≤i≤48；

b).采集沼氣參數，在采集發酵參數的同時，也采集發酵罐輸出端的沼氣管上的氣體流量l、儲氣罐中的氣體壓力f以及儲氣罐中的氣體成分co、h2s、ch4，形成沼氣參數ki（l,f,co,h2s,ch4）；

c).訓練樣本，采集n天的發酵參數和沼氣參數，以其為樣本，以發酵參數h、t、p、ρ為輸入，以沼氣參數l、f、co、h2s、ch4為輸出進行訓練，直至氣體流量l=l1*h+l2*t+l3*p+l4*ρ、氣體壓力f=f1*h+f2*t+f3*p+f4*ρ、氣體成分co=co1*h+co2*t+co3*p+co4*ρ、氣體成分h2s=h2s1*h+h2s2*t+h2s3*p+h2s4*ρ、氣體成分ch4=ch41*h+ch42*t+ch43*p+ch44*ρ中的變量l1、l2、l3、l4、f1、f2、f3、f4、co1、co2、co3、co4、h2s1、h2s2、h2s3、h2s4、ch41、ch42、ch43、ch44不在變化或者變化處于收斂位置；

d).穩定器供氣控制，采集當前的發酵參數cpresent(h,t,p,ρ)，利用步驟c)中訓練出的計算公式l=l1*h+l2*t+l3*p+l4*ρ、氣體壓力f=f1*h+f2*t+f3*p+f4*ρ、氣體成分co=co1*h+co2*t+co3*p+co4*ρ、氣體成分h2s=h2s1*h+h2s2*t+h2s3*p+h2s4*ρ、氣體成分ch4=ch41*h+ch42*t+ch43*p+ch44*ρ計算出沼氣參數kpresent（l,f,co,h2s,ch4），根據當前所需發電量采用pid控制實時調節可控電磁閥的開度，以對發電量進行控制，保證沼氣系統的可持續運行。

本發明的有益效果是：本發明的沼氣系統及方法，由蓄糞池、發酵罐、屯渣液池、物料倉、儲氣罐、熱電聯合機組形成，設置于地表之下的蓄糞池有利于收集畜禽的糞便，物料倉用于存儲待發酵的農作物秸稈，糞便經第一輸液泵抽至發酵罐中，秸稈經物料輸送裝置輸送至發酵罐中；發酵罐產生的沼氣首先通入沼氣純化器中進行處理，再存儲在儲氣罐中，以供熱電聯合機組進行燃燒發電；熱電聯合機組產生的電能不僅可供辦公房、發酵罐、沼氣純化器的運行之用，而且還可輸送至電網中。本發明的沼氣系統結構簡單合理，具有建造成本低、沼氣產量豐富、沼氣利用率高、有益效果顯著和適于應用推廣的優點。本發明的沼氣穩定性供氣方法，通過沼氣生產工藝等實際內容的分析和研究，將發酵罐中反應物質的液位h、溫度t、ph值p、濃度ρ作為預測控制參數，結合傳統的pid控制，可較為精確地預測出沼氣的產生量和成分，并對發電所用沼氣量進行控制，既能最大限度地發電，又可滿足設備的正常運行。

附圖說明

圖1為沼氣生產工藝流程圖；

圖2為本發明的沼氣系統的結構原理圖；

圖3為本發明中控制電路的原理圖；

圖4為本發明中沼氣穩定性供氣方法的原理圖。

圖中：1發酵罐，2屯渣液池，3蓄糞池，4物料倉，5儲氣罐，6熱電聯合機組，7辦公房，8輸電電網，9電源管理模塊，10物料輸送裝置，11帶孔底板，12接料槽，13通孔，14輸液管，15第一輸液泵，16沼氣管，17沼氣純化器，18壓力傳感器，19輸電線，20第二輸液泵，21第三輸液泵，22流量計，23可控電磁閥，24液位傳感器，25溫度傳感器，26ph傳感器，27濃度傳感器，28氣體成分傳感器。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

如圖1所示，給出了沼氣生產工藝流程圖，如圖中所示，本發明中生產沼氣的物料主要來至畜禽養殖和生態農業種植，畜禽養殖中產生的畜禽糞便、畜禽尸體均可作為沼氣產生的物料，不僅變廢為寶，而且還解決了環境污染問題。生態農業種植所產生的糧食秸稈、蔬菜的爛根葉、果木的爛果均可作為發酵沼氣的物料。沼氣生產工程不僅可生產生物天然氣，而且還可產出有機肥。

如圖2所示，給出了本發明的沼氣系統的結構原理圖，其由發酵罐1、屯渣液池2、蓄糞池3、物料倉4、儲氣罐5、熱電聯合機組6、電源管理模塊9組成，所示的蓄糞池3設置于地表之下，用于收集和存儲畜禽的糞便；蓄糞池3經設置有第一輸液泵15的輸液管14與發酵罐1相連通，以便在第一輸液泵15的驅動下將蓄糞池3中的糞便抽至發酵罐1中。物料倉4設置于地表之上，用于存儲農作物的秸稈等，物料倉4與發酵罐1之間設置有物料輸送裝置10，以便將物料倉4中的秸稈運輸至發酵罐1中。為了便于畜禽糞便的收集，飼養畜禽的場地中鋪設有帶孔底板11，帶孔底板11的下方為接料槽12，接料槽12經通孔13與蓄糞池相連通，以便將畜禽的糞便直接導流至蓄糞池3中。

所示發酵罐1和屯渣液池2均設置于地表之上，發酵罐1經設置第二輸液泵20的輸液管與屯渣液池2相連通，以便將物料發酵之后的沼渣、沼液抽至屯渣液池2中。同時，屯渣液池2經設置第三輸液泵21的輸液管與外界相通，以便將沼渣、沼液抽出。

所示發酵罐1的頂部經設置流量計22的沼氣管16與沼氣純化器17相通，以便將產生的沼氣輸送至沼氣純化器17進行純化處理。沼氣純化器17經管路與儲氣罐5相通，以便將純化之后的沼氣輸送至儲氣罐中進行保存。儲氣罐5經沼氣管16與熱電聯合機組6的燃氣管相通，以供熱電聯合機組6進行燃燒發電。熱電聯合機組6產生的電能一部分輸送至輸電電網8上，實現沼氣發電，另一部分經電源管理模塊9轉化后，輸入至沼氣純化器17、發酵罐1和辦公房7，以維持整個沼氣系統的運行。

所示發酵罐1中還設置有液位傳感器24、溫度傳感器25、ph傳感器26、濃度傳感器27，以實現發酵罐1中反應物質的液位h、溫度t、ph值p、濃度ρ的測量。儲氣罐5中還設置有壓力傳感器18和氣體成分傳感器28，氣體成分傳感器28可對沼氣中的co、h2s、ch4的含量進行檢測。所示儲氣罐5至熱電聯合機組6之間的沼氣管16上設置有可控電磁閥23，通過對可控電磁閥23的開度進行控制，可控制熱電聯合機組6的發電功率，以控制沼氣的利用量。

如圖3所示，給出了發明中控制電路的原理圖，所示的微控制器29具有信號采集、數據運算和控制輸出的作用，液位傳感器24、溫度傳感器25、ph傳感器26、濃度傳感器27、壓力傳感器1）、氣體成分傳感器28均與微控制器29的輸入端相連接，以實現傳感器數據的測量，微控制器29的輸出端與可控電磁閥23的控制端相連接，以便微控制器29根據所檢測的數據對可控電磁閥23的開度進行控制，進而控制發電功率。

如圖4所示，給出了本發明中沼氣穩定性供氣方法的原理圖，其穩定性供氣方法的原理為通過設備狀態情況、用戶使用規律、負載數據和傳感器檢測值，來實現沼氣壓力預測、發電機功率預測和沼氣濃度預測，進而形成融合預測控制的沼氣自動穩定控制器，同時通過所建立的目標函數和動態約束來優化模型，反饋至融合預測控制的沼氣自動穩定控制器，來實現沼氣的穩定控制。

拋棄設備狀態情況、用戶使用規律、負載數據不予考慮，本沼氣系統的穩定性供氣方法通過以下步驟來實現：

a).采集發酵參數，以每天為時間段tday，在時間段tday周期性地采集發酵罐中反應物質的液位h、溫度t、ph值p、濃度ρ，形成發酵參數ci(h,t,p,ρ),其中，i為每天所采集的發酵參數的次數，12≤i≤48；

b).采集沼氣參數，在采集發酵參數的同時，也采集發酵罐輸出端的沼氣管上的氣體流量l、儲氣罐中的氣體壓力f以及儲氣罐中的氣體成分co、h2s、ch4，形成沼氣參數ki（l,f,co,h2s,ch4）；

c).訓練樣本，采集n天的發酵參數和沼氣參數，以其為樣本，以發酵參數h、t、p、ρ為輸入，以沼氣參數l、f、co、h2s、ch4為輸出進行訓練，直至氣體流量l=l1*h+l2*t+l3*p+l4*ρ、氣體壓力f=f1*h+f2*t+f3*p+f4*ρ、氣體成分co=co1*h+co2*t+co3*p+co4*ρ、氣體成分h2s=h2s1*h+h2s2*t+h2s3*p+h2s4*ρ、氣體成分ch4=ch41*h+ch42*t+ch43*p+ch44*ρ中的變量l1、l2、l3、l4、f1、f2、f3、f4、co1、co2、co3、co4、h2s1、h2s2、h2s3、h2s4、ch41、ch42、ch43、ch44不在變化或者變化處于收斂位置；

d).穩定器供氣控制，采集當前的發酵參數cpresent(h,t,p,ρ)，利用步驟c)中訓練出的計算公式l=l1*h+l2*t+l3*p+l4*ρ、氣體壓力f=f1*h+f2*t+f3*p+f4*ρ、氣體成分co=co1*h+co2*t+co3*p+co4*ρ、氣體成分h2s=h2s1*h+h2s2*t+h2s3*p+h2s4*ρ、氣體成分ch4=ch41*h+ch42*t+ch43*p+ch44*ρ計算出沼氣參數kpresent（l,f,co,h2s,ch4），根據當前所需發電量采用pid控制實時調節可控電磁閥的開度，以對發電量進行控制，保證沼氣系統的可持續運行。

圖中：1發酵罐，2屯渣液池，3蓄糞池，4物料倉，5儲氣罐，6熱電聯合機組，7辦公房，8輸電電網，9電源管理模塊，10物料輸送裝置，11帶孔底板，12接料槽，13通孔，14輸液管，15第一輸液泵，16沼氣管，17沼氣純化器，18壓力傳感器，19輸電線，20第二輸液泵，21第三輸液泵，22流量計，23可控電磁閥，24液位傳感器，25溫度傳感器，26ph傳感器，27濃度傳感器，28氣體成分傳感器，29微控制器。