基于虚拟仪器的沼气发酵环境监控系统的研究

论文摘要

大型养殖场排放的畜禽粪便已成为环境污染的主要来源之一。在环境污染加剧,煤、石油等不可再生资源日益紧张的今天,沼气发酵作为一种新型的变废为宝、保护环境的方法,意义重大,越来越受到国内外的广泛重视。发酵过程中,如何始终维持较高的产气率,是检验一个沼气工程成功与否的标准,而对发酵工艺参数的实时监测与调控是提高产气率的关键技术。当前黑龙江省实施沼气工业化生产技术基本成熟,但其发酵环境自动控制水平相对较低,生产效率比较低下。沼气发酵就是培养厌氧消化菌,由于过程复杂,且黑龙江省地处高寒区,仅靠自然发酵难以实现工业化生产,必须对发酵过程的生物环境进行调控,为优势发酵菌提供良好的生长与繁殖环境,才能维持较高的产气率。其中发酵温度、消化器负荷、pH值、压力等工艺参数是沼气发酵微生物繁殖环境的关键因素。本文通过对发酵工艺原理及发酵过程的分析研究,确定温度、压力、液位、pH值等发酵工艺参数为研究对象。以传感器技术、仪器技术和计算机技术相结合的虚拟仪器技术为开发平台,充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能对沼气发酵环境监控系统进行研究。以NI公司M系列数据采集（DAQ）卡PCI-6221为核心,结合相应传感器及信号调理电路,完成系统硬件设计;在虚拟仪器软件LabVIEW开发环境下,通过编程,对发酵过程中的上述关键工艺参数进行实时监控与显示,同时对历史数据实时存储,以便日常管理和日后分析。温度监控子系统采用模糊控制算法,实现了自动监控。对DAQ采集信号中的干扰成分采用无限冲击响应滤波器（IIR）——椭圆滤波器进行滤波。本系统利用现代先进的虚拟仪器技术,对沼气发酵环境监控系统进行研究,实验表明,系统满足监控要求,管理人员可通过计算机大屏幕实时掌握现场的各种工况,对各种生产数据进行分析,使控制和管理相结合,提高控制精度及管理水平。系统采用开放式结构,具有很好的可扩充性,为沼气工业化生产提供了高效可靠的调控手段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究的目的与意义
• 1.3 国内外研究概况
• 1.4 课题来源及主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 虚拟仪器及LABVIEW 概述
• 2.1 虚拟仪器技术概述
• 2.1.1 虚拟仪器的发展
• 2.1.2 虚拟仪器的构成
• 2.1.3 虚拟仪器的特点
• 2.2 虚拟仪器的开发平台
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 LabVIEW 简介
• 2.3 本章小结
• 3 硬件系统设计
• 3.1 沼气发酵系统工艺流程
• 3.2 测控参数的确定
• 3.2.1 温度
• 3.2.2 压力
• 3.2.3 负荷
• 3.2.4 pH 值
• 3.3 硬件系统设计的基本原理
• 3.4 系统硬件模块
• 3.4.1 数据采集卡
• 3.4.2 传感器
• 3.5 温度控制子系统的设计
• 3.5.1 温度测量部分
• 3.5.2 温度控制部分
• 3.6 PH 值监测子系统的设计
• 3.6.1 pH 值测量原理
• 3.6.2 pH 值信号放大电路
• 3.7 本章小结
• 4 控制算法设计
• 4.1 温度控制系统国内外发展概况
• 4.2 传统控制理论在应用中面临的难题
• 4.3 发酵系统的特点
• 4.4 模糊控制
• 4.4.1 模糊控制的特点
• 4.4.2 模糊控制理论研究的问题
• 4.4.3 模糊控制实现的步骤与方法
• 4.4.4 模糊控制器的设计流程
• 4.4.5 系统中采用的模糊控制器结构及算法
• 4.5 本章小结
• 5 软件系统设计
• 5.1 系统软件模块
• 5.2 实时测控模块
• 5.2.1 参数设定模块
• 5.2.2 数据采集模块
• 5.2.3 数据处理模块
• 5.2.4 控制功能模块
• 5.2.5 实时存储及显示模块
• 5.3 数据管理模块
• 5.3.1 历史数据查询模块
• 5.3.2 图形显示模块
• 5.3.3 报表输出模块
• 5.4 主要模块实现方案
• 5.4.1 采集方式
• 5.4.2 配置步骤
• 5.5 数据分析模块程序框图
• 5.6 滤波器的LABVIEW 实现
• 5.6.1 数字滤波器简介
• 5.6.2 需注意的问题
• 5.7 温度监控子系统设计
• 5.7.1 设计原则
• 5.7.2 主要功能模块框图
• 5.8 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文