发酵罐温度控制系统

题目：发酵罐温度控制系统设计

课程设计（论文）任务及评语院（系）：教研室：Array

注：成绩：平时40% 论文质量40% 答辩20% 以百分制计算

摘要

本题要设计的是温度控制系统，发酵是放热反应的过程。随着反应的进行，罐内的温度会逐渐升高。而温度对发酵过程具有多方面的影响。因此，对发酵过程中的温度进行检测和控制就显得十分重要。

本课题设计了发酵罐温度控制系统，选择的传感器为Cu100，由于信号很小，所以就需要通过差动放大电路进行放大并且经过了滤波电路滤波，然后将处理后的电压信号经过V/I转换，输出4~20mA的电流信号，最后进行仿真分析以及参数的计算，以达到通过对冷水阀开度的控制对发酵罐温度控制的目的。

本系统应用温度控制系统，有助于提高发酵效率，有助于提高工厂产值，并且可以使资源得到更充分的作用。

关键词：温度控制；PID控制器；V/I转换；比较机构

目录

第1章绪论 (1)

第2章课程设计的方案 (2)

2.1 概述 (2)

2.2 系统组成总体结构 (2)

2.3 传感器选择 (2)

第3章电路设计 (4)

3.1 传感器电路 (4)

3.2 比较机构电路 (7)

3.3 PID调节器并联实现电路 (7)

3.4 V/I转换电路 (8)

3.5 直流稳压电源电路 (9)

第4章仿真与分析 (10)

4.1 传感器电路仿真 (10)

4.2 PID控制器电路 (11)

4.3 V/I转换电路 (12)

第5章课程设计总结 (14)

参考文献 (15)

附录Ⅰ (16)

附录Ⅱ (18)

附录Ⅲ (20)

第1章绪论

在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉、发酵罐和锅炉中的温度进行检测和控制。

本次课设要求设计发酵罐的温度控制系统。发酵是放热反应的过程。随着反应的进行，罐内的温度会逐渐升高。而温度对发酵过程具有多方面的影响：它会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制，除这些直接影响外；温度还对发酵液的理化性质产生影响，如发酵液的粘度；基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率。某些基质的分解和吸收速率等，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。

并且现代发酵工程不但应用于生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且还可以生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子等。而发酵过程是酵母在一定的条件下，利用可发酵性物质而进行的正常生命活动。

发酵工程是应用生物（主要是微生物）为工业大规模生产服务的一门工程技术，也称微生物工程。发酵工程是包括微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。

在发酵罐温度控制系统中应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器是工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术也难以采用，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定时，应用PID控制技术最为方便。采用PID算法进行温度控制，它具有控制精度高，能够克服容量滞后的特点，特别适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。

本次课设要求自行设计模拟式PID控制器，通过与前面传感器测定的发酵罐温度产生的电压信号进行比较，转换为输出时的4~20mA电流信号来对冷水阀门开度进行控制，采用冷水法对发酵罐进行降温，以达到对发酵罐温度进行控制的目的。参数要求测定范围是30℃~50℃，测量精度为±0.5℃，以此作为对温度传感器的选择依据。

第2章 课程设计的方案

2.1 概述

本次设计主要是综合应用所学知识，并联系实际，设计模拟式PID 控制器（包括比较机构，即减法器），通过输出4~20mA 电流信号对冷水阀门开度进行控制，采用冷水降温法来控制发酵罐的温度。

2.2 系统组成总体结构

图

2.1 温度控制系统总框图

如图2.1所示，本控制系统由传感器、比较机构、PID 控制器、执行机构和发酵罐五部分组成，通过比较机构，使设定标准温度与传感器通过检测反应罐内当前温度所产生的电压信号进行比较，然后将比较结果输入PID 调节器内，通过输出4~20mA 的电流信号来控制冷水阀门的开度，通过冷水降温以达到控制发酵罐温度的目的。

2.3 传感器选择

本次课设对传感器的测温要求为30℃~50℃，测量精度要求±0.5℃，而本温度控制系统选用的是Cu100热电阻，

Cu100参数如下： 测温范围：-50℃~150℃；

精度为0.1℃~0.3℃；

电阻比（100℃）：1.428

电阻变化范围：78.6Ω~164.27Ω

并且其具有良好的线性，经济适用性好等优点，Cu100的参数都很好的满足了本次课设的要求，因此我们选用Cu100作为本温度控制系统的敏感元件。

第3章电路设计

3.1传感器电路

图3.1 传感器电路

传感器电路由前面的三线制电桥电路和后面的差动放大电路和二阶低通滤波电路构成，而电桥电路中的电位器是我们所选用的热电阻Cu100的替代品。可以通过使电阻变化，模拟温度的变化。

传感器电路的作用：首先，通过电桥电路将发酵罐温度转换为微弱的电压信号；然后，通过差动低通滤波电路，将电桥输出的微弱的电压信号进行放大、滤波，最后将其输入到比较机构。

3.1.1三线制电桥电路

电路图如下图所示，本电桥电路采用的是热电阻的三线制接法，因为三线制有线路电阻补偿，可以消除引线电阻的影响，测量精度高于2线制，并且成本低廉。

图3.2 热电阻三线制接法电路

其中其它三个桥臂的电阻应与热电阻为0℃时的电阻相同（忽略导线电阻），这时电桥的输出电压为0V ，所以选为100Ω，而Cu100的测温范围是-50℃~150℃，根据公式：

()t R R O α+=1t （3^10*28.4~3^10*25.4--=?） （3-1）

我们可以算出Cu100的电阻变化范围为78.6Ω~164.27Ω，因此我们只需选用200Ω的电位器代替Cu100受温度影响变化阻值的过程即可。

3.1.2差动放大电路

图3.3 差动放大电路

本电路为差动放大电路，其中运放OP07与各电阻构成了差动放大电路，由于需要将电桥输出的弱电压信号放大-22倍，而此差动放大电路的增益2

k 19

?=R R , 因此我们又考虑到实验室拥有元件选择Ω===Ω=k 1k 4481239R R R R ，。

3.1.3二阶滤波电路

图3.4 二阶低通滤波电路

因为本次输入电压为低频信号，所以应该选用低频滤波电路，所以该电路为二阶低通滤波电路，起到对高频干扰信号进行过滤，提高测量精度的作用。

由于该电路是二阶低通滤波电路，并且我们需要HZ f c 160=、1-=p k ，而根据公式：

c c f C C R R πω212

1723=???=

（3-2）

16

23

p R R -

k = （3-3） 并结合实验室现有器材可以确定各器件参数：

Ω====k 11571623R R R R ，F C C μ121==。

()S

k T S T S D

D D

++

+=1T 1k s 1p ω3.2 比较机构电路

图3.5 比较机构电路

如图3.5所示，温度控制系统的比较机构电路，同时也是PID 控制器的输入电路，目的是为了将传感器部分反馈回去的当前反应罐温度所对应的经过放大的电压信号与设定温度（本次设定温度为40℃）的对应放大电压（本次为4.216V ）进行减法运算，得到差值电压。

因为不需要对二者差值电压进行放大，因此各部分电阻阻值相等即可，结合实验室元件可取都为5KΩ

3.3 PID 调节器并联实现电路

PID 调节器电路图如下图：

PID 控制器具有原理简单，使用方便；适应性强；其控制品质对被控对象的变化不太敏感，非常适用于环境恶劣的工业生产现场等优点，而本次设计中PID 控制器的会将经过比较机构所输出的电压信号进行进一步处理，最后输出的为1~5V 的稳定电压信号。

PID 调节电路由P 、I 、D 三部分电路组成，整个电路的传函: （3-4）

其中 p k =滑变总电阻/连入的电阻*5，d T 根据经验一般取5~10，这里取10。并且

3

1

k 1913-==

R R D (3-5) 所以取13R =5KΩ，19R =15KΩ。其它电阻因为对增益没有太大影响，因此都根据实验室常用器件选择5KΩ的电阻。

图3.6 PID 调节器并联实现电路

3.4 V/I 转换电路

V/I 转换电路如下图：

将PID 电路输出的1~5V 的电压信号转化为4~20mA 的电流信号。对冷水阀门进行控制。

当温度=50℃时，要求输出电流=20mA ，又因为当R R R R ===363435时，我们可以通过调节37R 的阻值来控制输出的电流值，所以经过计算可知：当

37R =500Ω时，输出的电流信号=20mA 。而R 的值根据实验室常用的电阻型号取

47KΩ。

图3.7 V/I转换电路

3.5直流稳压电源电路

图3.8 直流稳压电源电路

此电路为本次设计中的各运放提供稳定的直流稳压电源，图中LM7812CT是三端稳压集成电路IC芯片元器件，它可以将220V交流电源转换为稳定的12V直流稳压电源，其中U+=12V,U- = -12V。

第4章仿真与分析

4.1传感器电路仿真

图4.1 传感器部分仿真电路

由图中两个万用表示数可知，放大电路的增益K=4.189V/-186.179mV=-22.5，与设计初衷（K=-22）基本相符，所以本电路符合设计。

图4.2 热电阻输出上下限

如图4.2，为当热电阻分别为164.2Ω和78.6Ω时，电桥电路的输出电压值。电桥的输出电压范围是-607.487mV~283.995mV。

4.2PID控制器电路

图4.3 PID控制电路（温度=50℃）

经过计算可知，当反应罐温度为50℃时，电阻值为121.4Ω，此时的输出电压如图=4.989V。

图4.4 PID控制电路（温度=40℃）

经过计算可知，当反应罐温度为40℃时，电桥中的电位器的电阻值为117.12Ω，此时PID控制电路的输出电压由图可知：输出电压=1.015V。

设计电路时，理论上通过计算可知PID控制器的输出应为1V~5V的电压信号，而通过仿真可知，实际上PID的输出电压范围是1.015V~4.989V，与设计初衷基本相符，所以设计方案合理。

4.3V/I转换电路

图4.5 V/I转换电路（温度=40℃）

由图可知，当温度=40℃（正好为设定温度）时，温度控制系统的输出电流值=4.054mA。

图4.6 V/I转换电路（温度=50℃）

由图可知，当温度=50℃（发酵罐温度最高）时，温度控制系统的输出电流值=19.945mA。

设计电路时，V/I转换电路的作用是将PID控制电路输出的1~5V的电压信号转换为温度控制系统输出的4~20mA的电流信号，以控制冷水阀门的开度，从而达到控制反应罐温度的目的。

通过仿真图可知，V/I转换电路将PID控制器输出的电压信号转换为4.054mA~19.945mA的电流信号。与设计初衷基本相符，所以本设计合理。

第5章课程设计总结

本次课程设计要求设计一个发酵罐温度控制系统，并能够对发酵罐的温度进行控制。根据课设要求，设计了本次课设：首先，根据热电阻阻值会随着温度变化而变化的特性，对发酵罐当前温度进行测量，但由于此时的输出信号是微弱的电压信号，因此需要对其进行放大滤波，再与设定温度对应的电压进行对比，经过PID控制器后，再对PID控制器的输出电压进行V/I转换，最后输出4~20mA 电流信号，对冷水阀的开度进行控制，从而就可以达到控制发酵罐温度的作用。

通过计算，当电路设计完成之后，就需要利用仿真软件对设计电路进行仿真，看看是否能够达到设计要求，因此采用了multisim12.0软件对设计的电路进行了相应电路的仿真以及总电路的仿真，各分电路基本都达到了最初的设计初衷，符合设计的要求，总电路的仿真也能够实现把经过与设定电压对比后的电压值转换为4~20mA的设计要求，因此本次课设电路设计部分基本完成。

本次课设中间经历了很多，也得到了许多。现在，课设电路基本完成了，但是其中还存在许多问题，比如各器件之间存在误差，导致放大倍数为-22.5，而不是理论计算时的-22，最终结果要求系统输出的电流信号是4~20mA但是设计完成之后，输出的电流信号是4.054mA~19.945mA，虽然说系统允许存在一些误差，但是这些问题仍然都是系统客观存在的一些问题，在以后有待改进的地方。当然，本次的设计方案也是有一些亮点的，比如PID控制器的使用，有效的提高了控制精度，使本温度控制系统对温度的控制更精确，提高了本系统在实际应用中的价值。

参考文献

[1] 金以慧，方崇智编．过程控制[M]．清华大学出版社，2010．

[2] 黄立宏，李莉娅一种PID的温度控制系统设计[J]. 现代机械.2009.1

[3] 张毅，张宝芬编．自动检测技术及仪表控制技术[M]．化学工业出版社，2009.

[4] 周泽魁编．控制仪表与计算机控制装置[M]．化学工业出版社，2009．

[5] 孙波，陈刚，王尔智，张炳义.啤酒发酵中温度的测控方法[J].控制工程，2008(5)

[6] 王国安，张利波发酵罐恒温供冷控制系统[J].赤峰学院学报，2009(7)

[7] 李文涛，李忠虎.过程控制[M].北京：科学出版社，2012.2

附录Ⅰ

总电路图（1）