CN114779850A - 一种基于pid算法的圆盘制曲智能控温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于智能PID算法的圆盘制曲控温方法，其包括设定风温修正流程：步骤1.获取发酵物料实际温度值；步骤2.用获取的所述实际温度值减去此时的设定料温，得出料温偏差值；步骤3.根据所述料温偏差值对所述设定风温进行修正，得出目标风温；最终，根据所述反馈风温与所述目标风温的偏差对风温进行PID控制，通过风温带动料温按照设定的曲线变化。本发明通过计算实际料温与设定料温的差值，获得温度控制结果上的偏差，再根据这个偏差来修正设定风温，提高了设定风温与实际料温的相关性，使设定风温可以根据实际料温进行实时调整，实现了对设定风温的智能控制，有利于提高通过风温控制料温时对料温的控制精度。
Description
技术领域
本发明属于微生物发酵技术领域，具体来说涉及一种基于PID算法的圆盘制曲智能控温方法。
背景技术
随着时代的发展，传统式酵池人工发酵逐渐被取代，圆盘制曲发酵全自动化技术逐渐兴起，控温系统是圆盘制曲发酵技术的核心。为了提高控温的稳定性，圆盘制曲控温系统一般采用PID算法进行控温，通过系统的触摸屏调节算法的参数。
PID(Proportion Integration Differentiation)就是指比例(P)、积分(I)、微分(D)控制，PID控制是根据给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差：e(t)＝r(t)-c(t)，将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量输出u(t)，对被控对象进行控制使其往给定值r(t)靠拢。PID控制器问世至今已有近70年历史，由于其结构简单、工作可靠、稳定性好、调整方便，如今依然广泛应用于工业过程控制。
圆盘制曲控温系统如图1所示，包含送风机5、新风门4、排风门2、回风门3、加湿器9、蒸汽阀10、表冷器6、冷却阀7、冷却水泵8等，还包括PLC控制器、触摸屏、温度传感器、变频器、调节阀等电控部件，具有自动收集培养时间、温度、湿度、开度、频率等数据的功能。制曲过程中，物料放置于多孔结构的圆盘1上。送风机5设置在进风腔中，进风腔出口与圆盘室连通。送风机5用于驱动圆盘室内的空气流动。新风门4靠近进风腔的入口设置，用于控制新风进入。排风门2设置在排风腔，排风腔入口与圆盘室连通，出口与进风腔连通于新风门4与送风机5之间。新风门4进风时，排风门2开启，排出室内的空气，控制室内的压力平衡。回风门3靠近排风腔的出口设置。回风门3通过其开度控制圆盘室内的空气的内循环程度，其与新风门4开度具有如下关系：回风门开度+新风门开度＝100％。表冷器6、冷却阀7、冷却水泵8组成辅助降温系统，其设置在进风腔的入口处，用于降低新风温度。调节冷却阀7开度，可控制冷却水量，冷水与表冷器6进行热交换，从而使新风经过表冷器6时被其进行不同程度的冷却，而后再通过新风门4进入到圆盘室。蒸汽阀10和加湿器9也均设置在进风腔中，蒸汽阀10用于天气寒冷时加热进入圆盘室内的空气，加湿器9则用于喷雾，将洁净的水雾化后给进入圆盘室内的空气加湿。
圆盘制曲过程总体分为两个阶段：发酵培养物料升温阶段和发酵培养物料降温阶段。发酵培养物料升温阶段包括了培养前期和培养中期，是指从培养前期到进入培养后期开始降温之前的这个阶段，发酵培养物料降温阶段主要指培养后期，指开始降温到培养结束的这个阶段。两阶段的分界如图3所示，在设定料温到达第二个峰值后，进入下一个阶段。在发酵培养物料升温阶段，曲料生长产生大量的呼吸热，需要通过送风机5送入新风以对曲料的生长温度进行控制，使物料温度按照设定曲线变化。在该阶段中，通常通过调节送风机5风速及新风门4开度调节送风量即可实现控温。发酵培养物料降温阶段，则需对所述物料温度进行进一步控制，其使温度迅速下降到设定值附近并保持。在该阶段中，通常需要进一步开启所述辅助降温系统进行辅助降温。上述两阶段中的温控方案均基于广东地区的温度环境。
一般的圆盘制曲控温系统通过对风温进行PID控制，进而期望风温带动料温按照设定的曲线变化。但是物料初始温度、环境温度、物料厚度等是非线性变量，透风量也随物料发酵生长情况而变化，时变量不确定，常规PID控制器对于非线性和时变不确定的系统，控制效果不理想。所以，控制风温时，料温会存在非线性滞后反应，导致物料温度曲线与目标曲线偏离，甚至出现超出物料温度上限导致烧曲的问题。这种非线性滞后反应的影响特别体现在物料发酵培养前期。在物料发酵培养前期，特别是环境温度较高时，为了控制风温，常常会使新风门开度过大，但此时物料的温度往往并不高，根本无需送入如此大量的空气。而送入大量的空气，也意味着带入大量的杂菌，又进一步影响曲料的前期生长。再者，新风门开度过大，会使水分流失过快，依靠加湿器9也不能完全弥补物料内部的水分流失，对曲料的生长造成了不良影响。
发明内容
本发明的目的是，针对上述背景技术中陈述的缺陷，提供一种基于PID算法的圆盘制曲智能控温方法，该方法能更为精确的控制圆盘制曲的发酵温度。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：一种基于PID算法的圆盘制曲智能控温方法，其基于圆盘制曲控温系统实施，该圆盘制曲控温系统能通过风温调控装置来调控风温，并自动收集如下数据：风温、物料温度，同时设有如下控制参数：设定料温、设定风温，所述控温方法根据反馈风温与设定风温的偏差对风温进行PID控制，并通过风温带动料温按照设定的曲线变化，其特征在于，其还包括设定风温修正流程，该流程包括如下步骤：
步骤1.获取发酵物料实际温度值；
步骤2.用获取的所述实际温度值减去此时的设定料温，得出料温偏差值；
步骤3.根据所述料温偏差值对所述设定风温进行修正，得出目标风温；
最终，根据所述反馈风温与所述目标风温的偏差对风温进行PID控制，通过风温带动料温按照设定的曲线变化。
现有采用PID算法进行控温的圆盘制曲控温方法，期望通过控制风温按照设定曲线变化，从而带动料温按照设定曲线变化。但通过控制风温来控制料温时，料温会存在非线性滞后反应。本发明通过计算实际料温与设定料温的差值，获得温度控制结果上的偏差，再根据这个偏差来修正设定风温，提高了设定风温与实际料温的相关性，使设定风温可以根据实际料温进行实时调整，实现了对设定风温的智能控制，有利于提高通过风温控制料温时对料温的控制精度。
在所述实际料温低于所述设定料温，即所述料温偏差值为负时，可适当放低对所述设定风温温降上的要求，使得所述目标风温高于所述设定风温；
在所述实际料温高于所述设定料温，即所述料温偏差值为正时，需要对所述设定风温的温降提出更高的要求，使得所述目标风温小于所述设定风温。
如此，在物料发酵培养前期，特别是环境温度较高时，由于此时物料的温度往往并不高，放低对所述设定风温温降上的要求，有利于避免为控制风温，而使新风门开度过大致使过量空气进入造成如带入大量杂菌，影响曲料的前期生长，使物料水分流失过快等各种问题。而在物料发酵培养后期的降温阶段，由于对所述设定风温的温降提出了更高的要求，所以不易出现超出物料温度上限导致的烧曲问题。
随温度环境的不同，对风温的控制策略可适当调整。在广东这种一年中大部分时间的环境温度在20℃以上的环境下，基于如下圆盘制曲控温系统，其风温调控装置包括新风门和辅助降温系统，可通过调节其新风门开度控制进入圆盘室的新风量，可通过调节其辅助降温系统中的冷却阀的开度控制对进入所述圆盘室的新风的冷却程度，自动收集所述新风门和冷却阀的开度数据，本发明推荐采用如下方式控制风温：
在发酵培养物料升温阶段：
用所述设定风温减去所述料温偏差值，得出目标风温，对所述反馈风温与所述目标风温的偏差进行PID运算，根据运算结果对所述新风门的开度进行控制，从而实现对所述风温的控制；
在发酵培养物料降温阶段：
对不同的料温偏差范围设定不同的修正比例，料温偏差越大，修正幅度越大，目标风温＝设定风温*修正比例，对所述反馈风温与所述目标风温的偏差进行PID运算，根据运算结果对所述新风门和冷却阀的开度进行控制，从而对所述风温进行控制。
在发酵培养物料升温阶段，本发明直接采用料温偏差来对设定风温进行修正，在发酵培养物料降温阶段，则调整了设定风温的修正策略，而是通过模糊逻辑算法，对料温偏差值分段非线性比例运算，在不同的料温偏差段设定不同的修正比例，料温偏差越大，修正幅度越大，使系统能对温度偏差进行快速响应，而又使得在某个特定的料温偏差段，目标风温能维持不变，使得温度曲线能更加平稳。
发酵培养物料降温阶段，对不同的料温偏差段设定的修正比例推荐如下：料温偏差在0.2至0.5度以内，修正比例为99％-97.5％，料温偏差在0.5至1度以内，修正比例为97.5％-96％，料温偏差在1至1.5度以内，修正比例为96％-94％，料温偏差在1.5至2度以内，修正比例为94％-91％，料温偏差大于2度，修正比例为90％；料温偏差在-0.2至-0.5度以内，修正比例为101-102.5％，料温偏差在-0.5至-1度以内，修正比例为102.5-104％，料温偏差在-1至-1.5度以内，修正比例为104-106％，料温偏差在-1.5至-2度以内，修正比例为106-109％，料温偏差大于-2度，修正比例为110％。
本发明还推荐设有如下应急方案，以应对环境温度较高或较低时的特殊情况。
所述圆盘制曲控温系统还设有如下控制参数：料温上下限，基于此圆盘制曲控温系统，所述控温方法还设置如下步骤：在发酵培养物料升温阶段，若料温偏差超出设定料温偏差上限，且新风门开度大于设定值时，则启动所述辅助降温系统，此时，用所述设定风温减去所述料温偏差值，得出目标风温，对所述反馈风温与所述目标风温的偏差进行PID运算，根据运算结果对所述新风门和冷却阀的开度进行控制，进而实现对所述风温的迅速调控；所述设定料温偏差上限＝料温上限-设定料温。
在环境温度较高，单依靠调节新风门开度无法实现有效控温时，适时开启冷却阀，可避免新风门开度过大导致的各种问题。
通常而言，采用新风门与冷却阀配合控温时，新风门动作幅度应比冷却阀大，在新风门不能迅速控温时，再逐步加大冷却阀开度。所以，在发酵培养物料降温阶段，若环境温度较低，通过新风门即可实现有效控温，可关闭冷却阀。冷却阀关闭后，继续按照在发酵培养物料降温阶段的修正方式修正设定风温。
本发明还推荐设置如下措施以限定料温的异常波动：
所述圆盘制曲控温系统还设有如下控制参数：料温上下限，基于此圆盘制曲控温系统，所述控温方法还设置如下步骤：在发酵培养物料降温阶段，若料温偏差超出设定料温偏差上下限，则判定为料温异常波动，此时，使用限幅器限制所述新风门及冷却阀的开度，以限定料温的异常波动；当料温偏差恢复到正常范围，退出所述限幅器；所述设定料温偏差上限＝料温上限-设定料温；所述设定料温偏差下限＝设定料温-料温下限。
本发明中所述限幅器的限制规则推荐设置如下：
当料温偏差超过设定料温偏差上限时，限制新风门开度最小输出值为70％；当料温偏差低于设定料温偏差下限时，限制新风门开度最大输出值为30％。
新风门与冷却阀开度是此消彼长的关系，新风门开度调大，冷却阀开度就可相应调小，但新风门开度大会使水分流失速度加快，而冷却阀开度大，会使得能耗增加。为平衡能耗与物料湿度，本发明采集分析多批次培养大数据，通过寻求满足湿度同时又能耗最低的新风门与冷却阀开度的对应关系，然后拟合数学函数，建立了用于协调新风门与冷却阀开度的数学关系模型，使冷却阀开度按数学关系模型跟随新风门开度变化，实现节能降耗。
本发明建立的新风门与冷却阀开度的数学关系模型如下：
冷却阀开度＝修正系数*新风门开度-拟合值。
在该开度数学关系模型中，在发酵培养物料降温阶段，若遇冬天环境温度较低，修正系数*新风门开度＜拟合值，即可关闭所述冷却阀。
为使步骤1中测得的发酵物料的实际温度值更能准确的反应物料的温度情况，本发明中推荐所述温度值采用不同位置发酵物料的实时温度值的平均值。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1)本发明通过计算实际料温与设定料温的差值，获得温度控制结果上的偏差，再根据这个偏差来修正设定风温，提高了设定风温与实际料温的相关性，使设定风温可以根据实际料温进行实时调整，实现了对设定风温的智能控制，有利于提高通过风温控制料温时对料温的控制精度；本发明设定风温修正方案，在料温偏差值为负时，适当放低对设定风温温降上的要求，在料温偏差值为正时，则对设定风温的温降提出更高的要求，如此，在物料发酵培养前期，特别是环境温度较高时，由于此时物料的温度往往并不高，放低对设定风温温降上的要求，有利于避免为控制风温，而使新风门开度过大致使过量空气进入造成如带入大量杂菌，影响曲料的前期生长，使物料水分流失过快等各种问题，而在物料发酵培养后期的降温阶段(该阶段的实际料温通常高于设定料温)，由于对设定风温的温降提出了更高的要求，所以较不易出现超出物料温度上限导致的烧曲问题。
2)本发明在发酵培养物料升温阶段，用设定风温减去所述料温偏差值，得出目标风温，在发酵培养物料降温阶段，对不同的料温偏差范围设定不同的修正比例，目标风温＝设定风温*修正比例，从图3和表1可以看到，本发明对设定风温的调整方案，可提高圆盘制曲控温的精准性与稳定性；而本发明在发酵培养物料降温阶段，通过模糊逻辑算法，对料温偏差值分段非线性比例运算，在不同的料温偏差段设定不同的修正比例，料温偏差越大，修正幅度越大，使系统能对温度偏差进行快速响应，而又使得在某个特定的料温偏差段，目标风温能维持不变，使得温度曲线能更加平稳，从图3和表1也可以看到，发酵培养物料降温阶段相比于发酵培养物料升温阶段，圆盘培养物料温度曲线更趋近于设定温度曲线，而且更加平稳。从图5来看，本发明对设定风温的修正方案，不仅能使物料温度曲线更趋近于设定物料温度曲线，而且湿度控制更好，从而使得采用本发明方法控温的圆盘制曲机生产的大曲多种感官和理化指标均更为优秀。
3)本发明采集分析多批次培养大数据，通过寻求满足湿度同时又能耗最低的新风门与冷却阀开度的对应关系，然后拟合数学函数，建立了用于协调新风门与冷却阀开度的数学关系模型，使冷却阀开度按数学关系模型跟随新风门开度变化，实现了节能降耗。
附图说明
图1为圆盘制曲控温系统的结构示意图；
图2为本发明较佳实施例的基于PID算法的圆盘制曲智能控温方法的主要控制过程的逻辑图；
图3为三种控温方式下料温变化曲线的对比图；
图4为在本发明控制方式下，发酵培养物料降温阶段，冷却阀开度与新风门开度变化的曲线图；
图5为三种控温方式下物料湿度变化曲线的对比图；
附图标记说明：1-圆盘，2-排风门，3-回风门，4-新风门，5-送风机，6-表冷器，7-冷却阀，8-冷却水泵，9-加湿器，10-蒸汽阀。
具体实施方式
下面以用于图1所示的圆盘制曲控温系统的一种基于PID算法的圆盘制曲智能控温方法为例，对本发明进行进一步说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。这里的圆盘制曲控温系统自动收集培养时间、风温、物料温度、物料湿度、新风门和冷却阀开度、送风机工作频率等数据，同时设有如下控制参数：设定料温、设定风温、料温上下限、风温上下限、风机频率等。
常规采用PID算法进行控温的圆盘制曲控温方法，根据反馈风温与设定风温的偏差对风温进行PID控制，并通过风温带动料温按照设定的曲线变化。本发明的基于PID算法的圆盘制曲智能控温方法，在此基础上，增设了风温修正流程，该流程具体包括如下步骤：
步骤1.获取发酵物料实际温度值；
步骤2.用获取的所述实际温度值减去此时的设定料温，得出料温偏差值；
步骤3.根据所述料温偏差值对所述设定风温进行修正，得出目标风温；
最终，根据所述反馈风温与所述目标风温的偏差对风温进行PID控制，通过风温带动料温按照设定的曲线变化。
现有采用PID算法进行控温的圆盘制曲控温方法，期望通过控制风温按照设定曲线变化，从而带动料温按照设定曲线变化。但通过控制风温来控制料温时，料温会存在非线性滞后反应。实施例一方法，通过计算实际料温与设定料温的差值，获得温度控制结果上的偏差，再根据这个偏差来修正设定风温，提高了设定风温与实际料温的相关性，使设定风温可以根据实际料温进行实时调整，实现了对设定风温的智能控制，有利于提高通过风温控制料温时对料温的控制精度。
在所述实际料温低于所述设定料温，即所述料温偏差值为负时，可适当放低对所述设定风温温降上的要求，使得所述目标风温高于所述设定风温；
在所述实际料温高于所述设定料温，即所述料温偏差值为正时，需要对所述设定风温的温降提出更高的要求，使得所述目标风温小于所述设定风温。
如此，在物料发酵培养前期，特别是环境温度较高时，由于此时物料的温度往往并不高，可适当放低对所述设定风温温降上的要求，有利于避免为控制风温，而使新风门开度过大过量空气进入造成的如带入大量杂菌，影响曲料的前期生长，使物料水分流失过快等各种问题。而在物料发酵培养后期的降温阶段，由于对所述设定风温的温降提出更高的要求，所以不易出现超出物料温度上限导致的烧曲问题。
为使步骤1中测得的发酵物料的实际温度值更能准确的反应物料的温度情况，本发明中，所述温度值采用不同位置发酵物料的实时温度值的平均值。
随温度环境的不同，对风温的控制策略可适当调整。在广东这种一年中大部分时间的环境温度在20℃以上的环境下，本发明采用如下方式控制风温：
在发酵培养物料升温阶段：
用所述设定风温减去所述料温偏差值，得出目标风温，对所述反馈风温与所述目标风温的偏差进行PID运算，根据运算结果对所述新风门的开度进行控制，从而实现对所述风温的控制；
在发酵培养物料降温阶段：
对不同的料温偏差范围设定不同的修正比例，料温偏差越大，修正幅度越大，目标风温＝设定风温*修正比例，对所述反馈风温与所述目标风温的偏差进行PID运算，根据运算结果对所述新风门和冷却阀的开度进行控制，从而对所述风温进行控制。
在发酵培养物料降温阶段，物料温度需处于更低值，而且该阶段对物料温度的精度要求更高。在该阶段，本发明引入了辅助降温系统，使其与新风门调温手段配合，从而得到更低的温度，另一方面，本发明调整了该阶段的设定风温修正策略，通过模糊逻辑算法，对料温偏差值分段非线性比例运算，在不同的料温偏差段设定不同的修正比例，料温偏差越大，修正幅度越大，使系统能对温度偏差进行快速响应，而又使得在某个特定的料温偏差段，目标风温能维持不变，使得温度曲线能更加平稳。
如图3所示，发酵培养物料降温阶段相比于发酵培养物料升温阶段，圆盘培养物料温度曲线不仅更趋近于设定温度曲线，而且明显更加平稳。
从表1也可看出，采用本发明控温，在发酵培养物料升温阶段精度为±1℃，而在发酵培养物料降温阶段精度为±0.5℃，后一阶段温控的精度和平稳性，明显优于前一阶段。
发酵培养物料降温阶段，本发明对不同的料温偏差段设定的修正比例如下：料温偏差在0.2至0.5度以内，修正比例为99％-97.5％，料温偏差在0.5至1度以内，修正比例为97.5％-96％，料温偏差在1至1.5度以内，修正比例为96％-94％，料温偏差在1.5至2度以内，修正比例为94％-91％，料温偏差大于2度，修正比例为90％；料温偏差在-0.2至-0.5度以内，修正比例为101-102.5％，料温偏差在-0.5至-1度以内，修正比例为102.5-104％，料温偏差在-1至-1.5度以内，修正比例为104-106％，料温偏差在-1.5至-2度以内，修正比例为106-109％，料温偏差大于-2度，修正比例为110％。
本发明还设有如下应急方案，以应对环境温度较高或较低时的特殊情况。
在发酵培养物料升温阶段，若料温偏差超出设定料温偏差上限，且新风门开度大于设定值时，本发明中该值设置为95％，则启动所述辅助降温系统，此时，用设定风温减去所述料温偏差值，得出目标风温，对所述反馈风温与所述目标风温的偏差进行PID运算，根据运算结果对所述新风门和冷却阀的开度进行控制，进而实现对所述风温的迅速调控。所述设定料温偏差上限＝料温上限-设定料温。
在环境温度较高，单依靠调节新风门开度无法实现有效控温时，适时开启冷却阀，可避免新风门开度过大导致的各种问题。
通常而言，采用新风门与冷却阀配合控温时，新风门动作幅度应比冷却阀大，在新风门不能迅速控温时，再逐步加大冷却阀开度。所以，在发酵培养物料降温阶段，若环境温度较低，通过新风门即可实现有效控温，可关闭冷却阀。冷却阀关闭后，继续按照在发酵培养物料降温阶段的修正方式修正设定风温。
本发明还设置如下措施以限定料温的异常波动：
在发酵培养物料降温阶段，若料温偏差超出设定料温偏差上下限，则判定为料温异常波动，此时，使用限幅器限制所述新风门及冷却阀的开度，以限定料温的异常波动；当料温恢复到正常范围，退出所述限幅器。
本发明中所述限幅器的限制规则设置如下：
当料温超过设定上限时，限制新风门开度最小输出值为70％；当料温低于设定下限时，限制新风门开度最大输出值为30％，以限定料温异常波动；当料温恢复正常，退出限幅器。
新风门与冷却阀开度是此消彼长的关系，新风门开度调大，冷却阀开度就可相应调小，但新风门开度大会使水分流失速度加快，而冷却阀开度大，会使得能耗增加。为平衡能耗与物料湿度，本发明采集分析多批次培养大数据，通过寻求满足湿度同时又能耗最低的新风门与冷却阀开度的对应关系，然后拟合数学函数，建立了用于协调新风门与冷却阀开度的数学关系模型，使冷却阀开度按数学关系模型跟随新风门开度变化，实现节能降耗。
本发明建立的新风门与冷却阀开度的数学关系模型如下：
冷却阀开度＝修正系数*新风门开度-拟合值。
在该开度数学关系模型中，在发酵培养物料降温阶段，若遇冬天环境温度较低，修正系数*新风门开度＜拟合值，即可关闭所述冷却阀。
试验数据
三种控温方式的实验数据均为3次试验数据的平均值。平均值、标准偏差通过SPSS15软件(SPSS Inc.，美国)计算得到。
图3为三种控温方式下料温变化曲线的对比图。表1为图3中三种控温方式控温数据的统计结果。
表1不同控温方式下的控温精度对比
从图3和表1可以明显看出，本发明控温方式在控温精度以及平稳性方面均优于敞口曲池与传统PID控温方式，其中在第13-16h和23-28h时，即第一次翻曲和第二次翻曲时(米曲霉产热高峰期)，采用本发明的圆盘制曲机控温效果显著优于敞口曲池和传统PID圆盘制曲机，而且，发酵培养物料降温阶段的控温精度和平稳性均优于发酵培养物料升温阶段。米曲霉最适生长和产酶温度在28-35℃，制曲温度在36-39℃时酶活力快速下降，曲温高于39℃会出现“烧曲”现象，造成无法挽回的损失。传统PID算法圆盘制曲机和敞口曲池在制曲中期时曲温可达到36-39.2℃，因此两种制曲设备控温稍有不慎，可导致酶活下降、甚至出现“烧曲”现象。
图4为在本发明控制方式下，发酵培养物料降温阶段，冷却阀开度与新风门开度变化的曲线图。由图可见，本发明中，冷却阀开度跟随新风门开度变化，而且料温稳定。另外，在采用数学建模的方式后，冷水用量平均节省达35％。
图5为三种控温方式下设备曲室相对湿度变化曲线的对比图。表2为图5中三种控温方式控湿数据的统计结果。
表2不同控温方式下的控湿精度对比
从图5和表2可以明显看出，本发明控温方式圆盘制曲机内相对湿度曲线与设定湿度曲线最接近，采用本发明的圆盘制曲机、传统PID算法圆盘制曲机和敞口曲池在制曲前期、中期和后期的控湿精度在0.5-1.0、1.5-2.0和3.0-4.5℃之间，说明本发明控温方式在控湿精度以及平稳性方面均优于敞口曲池与传统PID控温方式。米曲霉在制曲过程中随着物料水分的蒸发，相对湿度从98％左右逐渐下降至92％，至40-48h时大曲蛋白酶酶活最高。由表2可知，采用本发明的圆盘制曲机在制曲过程中设定的控湿曲线和具备的控湿精度更符合米曲霉生长所需要的湿度，而传统PID算法圆盘制曲机和敞口曲池控湿精度偏低，湿度偏差大，不利于米曲霉生长。
表3列出了三种控温方式制得的大曲质量的对比数据。
表3
注：A：“-”表示相应香气或异味未察觉到，“+”越多表示相应香气或异味越强。
由表2可知，采用本发明的圆盘制曲机所生产得到的大曲色泽为均匀的浅黄绿色，大曲饱满、疏松，具有典型的米曲霉大曲香气、无异味，说明采用本发明的圆盘制曲机生产的大曲感官质量高。与其相比，采用敞口曲池和传统PID算法圆盘制曲机生产的大曲色泽为黄色至浅黄绿色，偶尔有灰色大曲，说明大曲偶有被其他杂菌污染。采用敞口曲池和传统PID算法的圆盘制曲机生产的大曲偏干、硬度略高。采用本发明的圆盘制曲机生产得到的大曲水分含量略高于其他两种制曲方式生产大曲的水分含量，这与感官评价结果一致。这是敞口曲池和传统PID算法圆盘制曲机制曲过程中水分挥发量大引起的，说明这两种制曲方式控湿能力不稳定。此外，与采用本发明的圆盘制曲机生产的大曲相比，用敞口曲池和传统PID算法圆盘制曲机生产的大曲典型香气相对弱，但并无异味。
与敞口曲池和传统PID算法圆盘制曲机生产的大曲相比，采用本发明的圆盘制曲机生产的大曲蛋白酶酶活显著高于其他两种制曲方式生产大曲的酶活。适当的温度和湿度是制曲过程中影响米曲霉生长和产酶的两个重要因素。米曲霉在生长过程中需要相对较高的湿度(相对湿度95％以上)和温度(28-35℃)。从图3和图5也可以明显看出，采用本发明的圆盘制曲机的控温和控湿效果均显著优于敞口曲池和传统PID算法圆盘制曲机，这是采用本发明的圆盘制曲机所生产的大曲感官和理化指标均优于后两种制曲方式生产的大曲相应指标的原因。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于智能PID算法的圆盘制曲控温方法，其基于圆盘制曲控温系统实施，该圆盘制曲控温系统能通过风温调控装置来调控风温，并自动收集如下数据：风温、物料温度，同时设有如下控制参数：设定料温、设定风温，所述控温方法根据反馈风温与设定风温的偏差对风温进行PID控制，并通过风温带动料温按照设定的曲线变化，其特征在于，其还包括设定风温修正流程，该流程包括如下步骤：
步骤1.获取发酵物料实际温度值；
步骤2.用获取的所述实际温度值减去此时的设定料温，得出料温偏差值；
步骤3.根据所述料温偏差值对所述设定风温进行修正，得出目标风温；
最终，根据所述反馈风温与所述目标风温的偏差对风温进行PID控制，通过风温带动料温按照设定的曲线变化。
2.根据权利要求1所述的基于智能PID算法的圆盘制曲控温方法，其特征在于，在所述实际料温低于所述设定料温时，修正后，所述目标风温高于所述设定风温；
在所述实际料温高于所述设定料温时，修正后，得所述目标风温小于所述设定风温。
3.根据权利要求2所述的基于智能PID算法的圆盘制曲控温方法，其特征在于，所述风温调控装置包括新风门和辅助降温系统，所述圆盘制曲控温系统可通过调节其新风门开度控制进入圆盘室的新风量，可通过调节其辅助降温系统中的冷却阀的开度控制对进入所述圆盘室的新风的冷却程度，同时，自动收集所述新风门和冷却阀的开度数据，基于此圆盘制曲控温系统，所述控温方法采用如下方式控制风温：
在发酵培养物料升温阶段：
用所述设定风温减去所述料温偏差值，得出目标风温，对所述反馈风温与所述目标风温的偏差进行PID运算，根据运算结果对所述新风门的开度进行控制，从而实现对所述风温的控制；
在发酵培养物料降温阶段：
对不同的料温偏差范围设定不同的修正比例，料温偏差越大，修正幅度越大，目标风温＝设定风温*修正比例，对所述反馈风温与所述目标风温的偏差进行PID运算，根据运算结果对所述新风门和冷却阀的开度进行控制，从而对所述风温进行控制。
4.根据权利要求3所述的基于智能PID算法的圆盘制曲控温方法，其特征在于，发酵培养物料降温阶段，对不同的料温偏差段设定的修正比例具体如下：料温偏差在0.2至0.5度以内，修正比例为99％-97.5％，料温偏差在0.5至1度以内，修正比例为97.5％-96％，料温偏差在1至1.5度以内，修正比例为96％-94％，料温偏差在1.5至2度以内，修正比例为94％-91％，料温偏差大于2度，修正比例为90％；料温偏差在-0.2至-0.5度以内，修正比例为101-102.5％，料温偏差在-0.5至-1度以内，修正比例为102.5-104％，料温偏差在-1至-1.5度以内，修正比例为104-106％，料温偏差在-1.5至-2度以内，修正比例为106-109％，料温偏差大于-2度，修正比例为110％。
5.根据权利要求3所述的基于智能PID算法的圆盘制曲控温方法，其特征在于，所述圆盘制曲控温系统还设有如下控制参数：料温上下限，基于此圆盘制曲控温系统，所述控温方法还设置如下步骤：在发酵培养物料升温阶段，若料温偏差超出设定料温偏差上限，且新风门开度大于设定值时，则启动所述辅助降温系统，此时，用所述设定风温减去所述料温偏差值，得出目标风温，对所述反馈风温与所述目标风温的偏差进行PID运算，根据运算结果对所述新风门和冷却阀的开度进行控制；所述设定料温偏差上限＝料温上限-设定料温。
6.根据权利要求3所述的基于智能PID算法的圆盘制曲控温方法，其特征在于，所述圆盘制曲控温系统还设有如下控制参数：料温上下限，基于此圆盘制曲控温系统，所述控温方法还设置如下步骤：在发酵培养物料降温阶段，若料温偏差超出设定料温偏差上下限，则判定为料温异常波动，此时，使用限幅器限制所述新风门及冷却阀的开度，以限定料温的异常波动；当料温偏差恢复到正常范围，退出所述限幅器；所述设定料温偏差上限＝料温上限-设定料温；所述设定料温偏差下限＝设定料温-料温下限。
7.根据权利要求6所述的基于智能PID算法的圆盘制曲控温方法，其特征在于，所述限幅器的限制规则设置如下：
当料温偏差超过设定料温偏差上限时，限制新风门开度最小输出值为70％；当料温偏差低于设定料温偏差下限时，限制新风门开度最大输出值为30％。
8.根据权利要求3所述的基于智能PID算法的圆盘制曲控温方法，其特征在于，所述冷却阀开度按数学关系模型跟随所述新风门开度变化；该数学关系模型通过如下方式获得：
采集分析培养历史数据，寻求满足湿度同时又能耗最低的新风门与冷却阀开度的对应关系，然后拟合数学函数，建立用于协调所述新风门与冷却阀开度的所述数学关系模型。
9.根据权利要求3所述的基于智能PID算法的圆盘制曲控温方法，其特征在于，所述冷却阀开度按数学关系模型跟随所述新风门开度变化；该数学关系模型如下：
冷却阀开度＝修正系数*新风门开度-拟合值。
10.根据权利要求9所述的基于智能PID算法的圆盘制曲控温方法，其特征在于，在发酵培养物料降温阶段，若修正系数*新风门开度＜拟合值，则关闭所述冷却阀。
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| JPH048284A (ja) * | 1990-04-25 | 1992-01-13 | Fujiwara Jiyouki Sangyo Kk | 通風式固体培養装置の制御方法 |
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| CN110157613A (zh) * | 2019-05-23 | 2019-08-23 | 湖南民康生物技术研究所 | 一种层架循环履带式固态发酵设备及固态发酵方法 |
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