一种模糊PID控制器及规模化养猪场沼气工程控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种模糊PID控制器，包含模糊PID控制模块以及与模糊PID控制模块连接的：PID控制模块，用于在小偏差范围内调整控制变量；模糊化模块，用于将模糊PID控制器的输入量的确定值转换为相应的模糊语言变量值；模糊推理模块，用于建立模糊规则，从不精确的前提集合中得出可能的不精确结论；反模糊化模块，用于将模糊PID控制器的输出量的模糊语言变量值转换成确定值。本发明专利技术还提供了一种PLC平台和一种规模化养猪场沼气工程控制系统。本发明专利技术的技术效果是：1、提升控制器的控制效果，2、使控制系统具有更好的动态响应，3、对于控制系统的稳定性将有较大的提升，4、对于优化沼气发电，提升沼气发电效率将具有重大的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种模糊PID控制器及规模化养猪场沼气工程控制系统
本专利技术涉及模糊化控制系统，特别涉及一种模糊PID控制器及规模化养猪场沼气工程控制系统。
技术介绍
近些年来，工程研究人员逐渐将自动化控制技术引入到污染治理过程中，以提高污染治理的效率、降低污染治理的成本。PID控制是当前应用最广泛的控制技术之一，广泛应用在工业生产线。PID控制器(比例-积分-微分控制器)的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。PID控制器具有简单易懂，参数较易整定，使用过程中不需要精确的系统模型等先决条件等优点。同时PID控制器在实践过程中也存在较大的问题，PID控制器在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作得不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。而厌氧发酵过程是一个相对复杂的非线性过程，将PID控制器直接应用于该过程的控制显然不现实。近年来随着计算机水平的高速发展，逐渐发展了一些基于人脑仿生学控制模型，模糊控制就是其中研究较多的技术模型之一。模糊控制能够将操作者或专家的控制经验和只是表示成语言变量描述的控制规则，然后利用这些规则去控制系统。模糊控制特别适合数学模型未知的、复杂非线性系统的控制，控制参数也是各种各样，但是模糊控制本身无法的静态误差，在变量分级不够多的情况下，常在平衡点附近出现小的震荡现象。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种模糊PID控制器，包含模糊PID控制模块以及与模糊PID控制模块连接的：PID控制模块，用于在小偏差范围内调整控制变量；模糊化模块，用于将模糊PID控制器的输入量的确定值转换为相应的模糊语言变量值；模糊推理模块，用于建立模糊规则，从不精确的前提集合中得出可能的不精确结论；反模糊化模块，用于将模糊PID控制器的输出量的模糊语言变量值转换成确定值。在一些实施方式中，的模糊化模块用于控制太阳能加热装置。在一些实施方式中，模糊PID控制器的输入变量为太阳能加热装置的温度偏差e和温度偏差变化量ec，输出变量为太阳能加热装置的温度增量u。在一些实施方式中，模糊PID控制器通过模糊神经网络模型训练学习后得出温度偏差e和温度偏差变化量ec的连续论域和温度增量u；并根据以下公式，分别求得e和ec的量化因子ke和kec，以及比例因子ku：在一些实施方式中，PID控制器的传递函数为：其中，其中Kp为比例参数，Ti为微分时间常数，τ为微分时间常数。在一些实施方式中，模糊推理模块采用以温度为控制变量的双输入单输出的模糊控制系统，根据沼气池中的温度特性的分析以及相关文献的研究成果，建立以模糊语言表示的模糊控制推理合成规则和模糊控制规则，模糊控制规则的依据是当偏差大或较大时，选择控制量以尽快消除偏差为主；而当偏差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点，模糊控制规则的形式为：IFe＝……andIFec＝……；THENu＝……。在一些实施方式中，模糊推理模块具有49条模糊控制规则。在一些实施方式中，模糊推理模块的模糊控制规则包括：(1)IFe＝ZOandec＝NB，THENu＝PB；(2)IFe＝ZOandec＝NM，THENu＝PB；(3)IFe＝ZOandec＝NS，THENu＝PS；(4)IFe＝ZOandec＝ZO，THENu＝ZO；(5)IFe＝ZOandec＝PS，THENu＝NS；(6)IFe＝ZOandec＝PM，THENu＝NM；(7)IFe＝ZOandec＝PB，THENu＝NB。本专利技术的另一个目的是提供一种PLC平台，包括上述的模糊PID控制器，PLC平台还包括OPC连接模块，OPC用于将模糊PID控制器与PLC平台进行连接。本专利技术的又一个目的是提供一种规模化养猪场沼气工程控制系统，包括权上述的PLC平台。通过上述技术方案，本专利技术的技术效果是：1、本专利技术中，分别利用PID控制在稳态下的优点和模糊控制在非线性、动态范围下的优点，可实现偏差大范围内和小范围内调节的自动切换，从而提升控制器的控制效果。2、本专利技术中，模糊控制器适用于非线性的控制过程，对系统结构参数变化不敏感的特性，使控制系统具有更好的动态响应。3、本专利技术中，模糊控制系统相关参数可通过模糊神经网络获得，模糊神经网络具有在处理非线性、模糊性等问题上有很大的优越性，可解决D控制器在非线性性过程的瓶颈，对于控制系统的稳定性将有较大的提升。4、本专利技术还设计了基于模糊PID控制器的PLC平台以及基于PLC平台的规模化沼气工程控制系统，对于优化沼气发电，提升沼气发电效率将具有重大的意义。附图说明图1为本专利技术一种实施方式的规模化生猪养殖场废弃物综合利用系统的结构示意图。图2为图1所示控制中心的模糊神经网络结构示意图。图3为模糊PID控制器逻辑结构示意图。图4为模糊PID控制器的matlab平台结构示意图。图5为MATLAB与PLC之间的数据交换流程图6为模糊PID控制器的原理框架图具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。以下结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细的说明。需说明的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不限制本专利技术在其他控制系统的运用。智能化沼气工程控制系统包含以下五大步骤：一、构建规模化养猪场的粪污处理系统，并找出影响沼气池沼气产量的关键因素；规模化养猪场废弃物大多采用“水冲粪+厌氧发酵+好氧处理+深度处理”相结合的处理模式，猪舍1粪污经由排污沟收集到粪污储存池2，通过格栅进入固液分离3，固液初步分离之后进入水解酸化池5，大分子有机物分解成小分子有机物，进入到沼气发酵池6，小分子有机物在沼气发酵池6内发生产甲烷等，沼气经过储气罐收集，收集后的沼气一般经过脱水、脱硫等流程之后送往沼气发电机9或用于照明系统等其他用处。经沼气发酵池6处理过的污水进入曝气池10进行生化处理，在深度处理池11经过深度处理之后回用至猪舍用于冲栏等；全过程涉及的污泥一般通过污泥外运车4运至肥料厂等资源化利用工厂。通过文献分析确定影响沼气发酵的关键因素有温度、沼气池粪污流量、酸化池pH值等因素。二、构建沼气工程参数在线监测系统，并安装相关仪表；根据步骤一所确定的控制因素部署相应的指标参数在线监测仪器，如温度在线检测仪、沼气流量在线监测仪、流量仪、pH值在线监测仪等设备；同时需要明确相关指标的控制策略，并部署相关指标的控制设备。如通过控制投加酸碱剂控制酸化池的pH值，控制太阳能加热模块的加热时长控制沼气池的温度，控制进水管道的电磁流量计控制粪污流量。并将这些基本的控制策略纳入整个智能化控制系统中。三、设计关键参数的模糊PID控制器；根据步骤二所部署的关键因素监测体系以及确定的控制策略设计关键参数的模糊PID控制器。首先确定控制器的控制结构，本述以温度控制为例，针对加热装置设计一个双输入单输出的模糊控制器，输入变量为太阳能加热装置温度的偏差e和温度偏差变化量ec，输出变量u为加热装置的温度增量。根据文献等分析，不同结构的沼气池发酵效果下的最适温度不同，本专利技术将通过模糊神经网络模型训练学习后得出适合不同沼气池的控制参数，即偏差e的连续论域，温度增量u；并根据以下公式kx＝n/x；分别求得e和ec的量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模糊PID控制器，其特征在于，包含模糊PID控制模块以及与所述模糊PID控制模块连接的：PID控制模块，用于在小偏差范围内调整控制变量；模糊化模块，用于将所述模糊PID控制器的输入量的确定值转换为相应的模糊语言变量值；模糊推理模块，用于建立模糊规则，从不精确的前提集合中得出可能的不精确结论；反模糊化模块，用于将所述模糊PID控制器的输出量的模糊语言变量值转换成确定值。

【技术特征摘要】
1.一种模糊PID控制器，其特征在于，包含模糊PID控制模块以及与所述模糊PID控制模块连接的：PID控制模块，用于在小偏差范围内调整控制变量；模糊化模块，用于将所述模糊PID控制器的输入量的确定值转换为相应的模糊语言变量值；模糊推理模块，用于建立模糊规则，从不精确的前提集合中得出可能的不精确结论；反模糊化模块，用于将所述模糊PID控制器的输出量的模糊语言变量值转换成确定值。2.根据权利要求1所述的模糊PID控制器，其特征在于，所述的模糊化模块用于控制太阳能加热装置。3.根据权利要求2所述的模糊PID控制器，其特征在于，所述模糊PID控制器的输入变量为所述太阳能加热装置的温度偏差e和温度偏差变化量ec，输出变量为所述太阳能加热装置的温度增量u。4.根据权利要求3所述的模糊PID控制器，其特征在于，所述模糊PID控制器通过模糊神经网络模型训练学习后得出所述温度偏差e和所述温度偏差变化量ec的连续论域和温度增量u；并根据以下公式，分别求得e和ec的量化因子ke和kec，以及比例因子ku：5.根据权利要求4所述的模糊PID控制器，其特征在于，所述PID控制器的传递函数为：其中，其中Kp为比例参数，Ti为微分时间常数，τ为微分时间常数。6.根据权利要求5所述的模糊PID控制器，其特征在于，所述模糊推理模块采用以温度为控制变量的双输入单输出的模糊控制系统，根据沼气池中...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘林，王众，夏云，刘永宁，韩先桢，李结，
申请(专利权)人：广东广垦畜牧工程研究院有限公司，广东广垦畜牧集团股份有限公司，阳江广垦畜牧有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44