发酵罐温度控制系统

括比较机构，即减法器），输出为 4~20mA 电流信号用于控制阀门。选择经济适用的传
感器，设计放大、滤波和输出电压等信号处理电路；进行电路仿真。
课 技术要求:
程
测量温度：30℃~50℃，本系统设定为 40℃，对应控制信号为 12mA，（控制信号
设 计
为 4~20mA）。根据测量温度确定阀门的开度，每 5℃一圈。
关键词：温度控制；PID 控制器 ；V/I 转换；比较机构
本科生课程设计（论文）
目录
第 1 章 绪论 .......................................................... 1 第 2 章 课程设计的方案 ................................................ 2
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。
4
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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），
3
第3章 电路设计
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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。
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1章 绪论
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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。
发酵罐
传感器
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。
划 5、撰写、打印设计说明书、答辩。（1天）
指 导 教 师 评 语 及 成 绩
平时：
论文质量：
答辩：
指导教师签字：
总成绩：
年月日
注：成绩：平时40% 论文质量40% 答辩20% 以百分制计算
摘要
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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。
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。
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℃；
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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。
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。
4.按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，详细阐述系统的设计过程，字数应在
1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的设计要求。（2 天） 4000字以上。 2、选择相应传感器、设计硬件电路图。（2 天）
进 3、计算器件参数、选择元器件型号绘制硬件电路图。（3 天）
度 计
wk.baidu.com
4、仿真调试或硬件电路焊接、调试。（2 天）
1
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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
U40
PID 调节器
执行机构
3.1.2 差动放大电路
图 3.3 差动放大电路 5
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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 k R9 ,
R1 2 因此我们又考虑到实验室拥有元件选择 R9 44k，R23 R1 R8 1k 。
（
测量精度：±0.5C
论 文
传感器：选择较高精度的温度传感器，如热铂电阻。
） 说明书要求:
任 务
1.格式规范，符合学校要求；
2.说明书中应有温度检测和控制方法比较与方案论证，电路原理及具体的实现方
案、电路器件型号、参数等；自行设计，焊接电路板
3.硬件电路应由 protel 绘制；不能采用单片机设计。
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。
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
2
2f c
（3-2）
kp
- R 23 R 16
并结合实验室现有器材可以确定各器件参数：
（3-3）
R23 R16 R7 R15 1k ， C1 C2 1F 。
6
3.2 比较机构电路
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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。
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 fc 160 HZ 、k p 1 ，而根 据公式：
c
R23
1 R7 C1 C
题目： 发酵罐温度控制系统设计
院（系）： 学号
设计题目
本科生课程设计（论文）
课程设计（论文）任务及评语
教研室：
学生姓名
专业班级
发酵罐温度控制系统设计
设计任务：设计一个发酵罐温度控制系统，用于发酵罐的温度控制。发酵罐内温度控
制在 30℃~50℃；发酵为放热过程，采用冷水进行降温，设计模拟式 PID 控制器（包
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：
Rt RO 1 t（ 4.25*10^3 ~ 4.28*10^3）
（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。