秸秆发酵燃料乙醇过程控制系统研究

摘要

近年来，随着化石燃料的日渐枯竭、能源危机的不断加剧以及环境污染的日益严重，生物质能源以其资源巨大、可再生、低污染等优点，成为能源领域中备受关注的焦点。而燃料乙醇是目前世界上生产和使用规模最大的生物质能源，可作为车用燃料降低对石油的依赖，特别是以秸秆木质纤维素为生产原料通过生物发酵制取燃料乙醇，在实现资源高效利用的同时，避免秸秆废弃、焚烧等带来的环境污染。但秸秆发酵燃料乙醇至今仍未得到大规模的推广，究其原因主要是其自动化水平低、配套的生产技术和设备无法满足秸秆发酵燃料乙醇对过程优化控制的需求，且生产过程中错误和故障不易及时发现，造成原料的浪费和设备的空转，严重制约着秸秆发酵燃料乙醇的规模化、集约化生产过程。所以研究控制效果好、自动化程度高的秸秆发酵燃料乙醇过程控制系统对降低燃料乙醇生产成本、提高发酵效率和产量是十分必要的。
　　本文分析秸秆发酵燃料乙醇过程的工艺机理和生产流程，以玉米秸秆木质纤维素为原料，确定机械粉碎同酸纤爆破相结合的预处理方法，并采用同步糖化发酵工艺同时进行木质纤维素的酶解和发酵糖的发酵。针对秸秆发酵燃料乙醇过程的非线性、滞后性和时变性特点，引入智能控制技术对发酵过程主要参数进行优化控制。以温度变量为例，采用模糊PID算法对秸秆发酵燃料乙醇的温度进行动态调节，并通过MATLAB进行仿真研究，仿真结果表明模糊PID比传统PID响应速度更快、控制精度更高。在所建立的秸秆发酵支持向量机预测模型基础上，以乙醇浓度为最优化目标，运用粒子群优化算法对补料流加速率进行优化控制。实验结果表明，该方法能够提高发酵产物乙醇的质量浓度。
　　为提高秸秆发酵燃料乙醇过程的智能化水平，设计出一种基于ARM-Linux和GPRS的嵌入式远程监控系统。在现场嵌入式监控终端，分别选用与ARM9微处理器的SPI接口和I2C总线相连的AD芯片ADS8344E和DA芯片DAC8574，使得系统能够进行快速、多路同步的数据采集和输出控制，并通过GPRS网络将数据信息同步上传至远程接收端。在远程数据监控中心，采用基于Ajax的B/S架构对接收的数据进行异步处理，实现Web客户端与现场监控终端之间的动态数据交互。实验测试结果表明，该系统设计方案合理，可靠性高，实时性强，具有良好的实用性。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 燃料乙醇国内外研究现状

1.3 论文的主要研究内容

第二章 秸秆发酵燃料乙醇的工艺分析

2.1 秸秆发酵燃料乙醇的基本原理

2.2 木质纤维素预处理

2.3 同步糖化发酵工艺

2.4 醪液的提纯及处理

2.5 本章小结

第三章 秸秆发酵燃料乙醇过程主要参数控制方法

3.1 发酵过程中的关键参数

3.2 基于模糊PID的温度控制

3.3 秸秆发酵燃料乙醇过程补料优化控制

3.4 本章小结

第四章 秸秆发酵燃料乙醇数字化控制系统硬件设计

4.1 嵌入式发酵控制系统总体硬件设计

4.2 嵌入式核心板

4.3 数据采集模块设计

4.4 GPRS无线传输块设计

4.5 输出控制模块设计

4.6 本章小结

第五章 秸秆发酵燃料乙醇数字化控制系统软件设计

5.1 嵌入式LINUX软件开发平台的构建

5.2 监控系统的总体设计

5.3 现场监控终端的软件设计与测试

5.4 远程监控中心的软件设计与测试

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要参加的科研项目

攻读硕士期间主要研究成果