（农业电气化与自动化专业论文）基于armlinux的生物发酵智能控制系统.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 生物发酵作为现代生物技术工业的重要组成部分，已被广泛用于食品、制药 等各个领域，并显示出良好的发展前景和巨大的市场潜力。但由于生物发酵过程 是一种复杂的生化反应过程，控制变量众多且相互关联度较大，采用传统控制方 法难以实现有效控制。 因此，本文根据生物发酵的流程特点和当今国内市场的切实需要，在总结国 内外相关研究的基础上，针对非线性、时变、大滞后的发酵过程，将智能控制技 术融入到了生物发酵控铡系统中，主要对发酵过程中的湿度、p h 值的控制算法 进行研究，分别设计了仿人智能模糊p i d 控制和仿人智能模糊控制，模拟仿真 和实验分析表明，控制效果优于传统算法。 基于3 2 位a r m 架构的嵌入式微处理器以其高性能、低功耗、低成本的优 势，得到了很好的推广，同时国内微电子与嵌入式技术得到了迅速发展。鉴于此 背景，本系统现场控制的下位机的硬件平台采用基于$ 3 c 2 4 1 0 的处理器，软件 设计中采用了嵌入式l i n u x 系统。同时采用了集数控制技术，实现一台主位橇可 以同时与多台下位机的数掘通讯和远程监控，且下位机可以脱离上位计算机单独 对各种参数进行控制。 本文的工作重点主要包括：主要参数测量与控制、发酵过程系统的总体设计、 嵌入式系统的设计。本发酵控制系统对发酵过程进行实时监测、优化操作，不仅 能避免人工操作的不确定因素，提高自动化水平，而且能够对发酵过程中主要参 数进行有效控制，具有重要的现实意义。 关键词：发酵模糊摔制仿人智能嵌入式系统集散控制 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t b i o l o g i cf e r m e n t a t i o ni n d u s t r yh a sb e e nak e yc o m p o n e n to fc o n t e m p o r a r y b i o l o g i c i n d u s t r ya n dt u r no u tt ob eap r e v a l e n tu s a g ei nt h ep r o d u c t i o no ff o o da n d m e d i c i n e ，w h i c hd e m o n s t r a t eab r i g h tf u t u r ea n dp r o s p e r o u sd e v e l o p m e n ti nm a r k e t h o w e v e r , a sb i o l o g i cf e r m e n t a t i o ni sac o m p l e xb i o c h e m i c a lp r o c e s sc o m b i n e dw i t ha h u g ea m o u n to fc o n t r o lv a r i a b l e sa n dah i g hc o h e s i o ni t s e l f , i t sv e r yh a r dt op e r f o r m a ne f f e c t i v ec o n t r o lb yt r a d i t i o n a lm e t h o d s a c c o r d i n gt o t h ep r o f i l eo fb i o l o g i cf e r m e n t a t i o np r o c e s st h ec u r r e n tm a r k e t r e q u i r e m e n ta n dt h er e l a t i v er e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d i na l l u s i o nt ot i m e v a r y i n g ， n o n l i n e a r i t y , t i m e - l a ga n dr a n d o mo ft h eb i o l o g yf e r m e n t a t i o nc o n t r o lp r o c e s s ，t h e i n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g yi si n c o r p o r a t e di n t ot h ec o n t r o ls y s t e m i no r d e rt o c o n t r o lt e m p e r a t u r e 、p hv a l u ee x a c t l y ，r a i s e df lm e t h o do fs e l f - a d j u s tp i db a s e do n a p e r yo fb r a i n p o w e ra n df u z z yt h e o r i e s 、f u z z yc o n t r o la l g o r i t h mw i t hs i m u l a t i n g h u m a ni n t e l l i g e n c ec o n t r o lt h e o r y i t sp r o v e dt h a tt h i ss y s t e mc a nr e c e i v eg o o d c o n t r o lp e r f o r m a n c ef r o mt h es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t 3 2 - b i ta r m m i c r o p r o c e s s o r sh a v eb e e na p p l i e dg r e a t l yd e p e n d i n go nt h e i rh i g h n e wp e r f o r m a n c e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n d l o wc o s t ，d o m e s t i cm i c r o e l e c t r o n i c s a n de m b e d d e dt e c h n o l o g i e sh a v eb e e nd e v e l o p e dr a p i d l ya tt h es a m et i m e s ot h e d o w nc o m p u t e r sh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do ns 3 c 2 410i nt h i ss y s t e m ，a n da d o p t e d l i n u xo p e r a t i o ns y s t e mi nt h ed e s i g no fs o f t w a r e t o o ka d v a n t a g eo fd c st oc a r r yo u t o n eu pc o m p u t e rt oc o m m u n i c a t ew i t hd o w nc o m p u t e r s ，a n dt h ed o w nc o m p u t e rc a n c o n t r o lt h er e l a t i v ep a r a m e t e r si n d e p e n d e n t l y t h ef o c u so ft h ew o r ki n c l u d e st h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo fm a i np a r a m e t e r s ， t h ed e s i g no ff e r m e n t a t i o nc o n t r o ls y s t e ma n de m b e d d e d s y s t e m t h ef e r m e n t a t i o n c o n t r o ls y s t e mc a nm o n i t o ra n do p t i m i z et h ef e r m e n t a t i o np r o c e s so nt h er e a lt i m e i t c a nn o to n l ya v o i dt h eu n c e r t a i nf a c t o r si nm a n u a lo p e r a t i o n ，r a i s et h ea u t o m a t i o n l e v e l ，b u ta l s oc o n t r o lt h em a i np a r a m e t e re f f i c i e n t l yd u r i n gt h ef e r m e n t a t i v ep r o c e s s i th a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：f e r m e n t a t i o nf u z z yc o n t r o ls i m u l a t i n g h u m a n i n t e l l i g e n c e e m b e d d e ds y s t e md c s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 签字臼期：少7 年多月 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密m m 。 髹、智目 7 网 导师签铭： 隅兰夸 签字醐桫7 引月j 7 日 独创性! 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：奇东嗵 日期：2 ，。7 年舌月7 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题的背景 第一章绪论 发酵工业是一个历史悠久的产业，人类在认识到微生物的存在以前，就已经 无意识的应用了微生物发酵，例如白酒、葡萄酒、啤酒等酿酒工业，以及酱油、 醋、豆酱、面包酵母、干奶酪、酸奶等食品发酵工业等。到1 9 世纪中叶，法国 科学家p a s t e a r 首次弄清了传统微生物工业与微生物的关系，后来随着微生物学、 生物化学及遗传学的发展，微生物反应过程的种类和规模不断扩大，技术也在不 断进步。随着社会的进步，人类生活水平的不断提高，生物工程对人类生活的作 用越米越重要。生物工程包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程四个分支， 而发酵工程作为生物工程的基础之一，在整个生物工程中发展相对成剥。现代 发酵工业是由传统的发酵技术与现代d n a 重组、细胞融合等新技术相结合而发 展起来的现代生物技术，是通过现代化学工程技术生产有用物质或直接用于工业 化生产的一种大工业体系1 2 j 。 2 0 世纪4 0 年代初抗生素工业的兴起，标志着发酵工业进入了一个新阶段。 2 0 世纪5 0 年代中后期以来，有关微生物反应动力学的研究已成为生化工程的一 个重要分支，即生物反应工程。1 9 7 3 年在法国举行的第一届计算机在发酵技术 中的应用困际会议足近代技术用于发酵工业研究的里程碑，并且从1 9 7 9 年起每 隔三年举行一次。国际自控联( i f a c ) 于1 9 8 2 年在赫尔辛基召开了第一届生物技 术过程建模与控制讨论会，到1 9 8 5 年就扩大为第一届学术会议。一系列关于发 酵的学术会议促进了世界发酵工业的发展。现在许多国家对生物发酵设备的研究 和开发都高度重视，比如：瑞士比欧生物工程公司生产各种型号的生物反应器且 有专用的控制软件包，既能进行s p c 控制，又能进行d d c 控制，且能进行尾气 分析控制和远程控制；美国n e wb r u n s w i c hs c i e n t i f i c 公司的产品可通过 空气、氧气、氮气和二氧化碳来控制溶氧和二氧化碳，开发了n b sa f s b i o c o m m a n d 优化控制软件。 早期，国内大多数发酵工艺的管理和控制，都处于手工操作方式。技术管理 江苏大学硕士学位论文 人员对工艺参数的设鼹、管理和操作基本上还是手工操作和人工监视，这大大影 响了工艺水平和管理水平的提高，以至出现生产不稳定、发酵系数低、能耗大、 成本高等闯题。随着发酵工业中发酵罐体积的越来越大，并行控制的发酵罐越来 越多，对于这样的发酵系统，若操作控制不当，将会造成极大的经济损失。因此， 发酵过程的参数检测、操作监视、自动控制，已成为发酵生产管理及其自动化的 关键问题。若麓采用计算机技术对发酵过程进行实时控制、管理和优化，不但能 解决上述| 、嗣题，而且可以降低工人的劳动强度，提高自动化生产水平w l 。 重2 课题的目的和意义 目前，生物工程领域正处在一种飞速发展的状态，随着其相关技术的迅速发 展，发酵工业已经成为生物二 程和生化工程的基础。近几十年，发酵工业越来越 发展并趋向旺盛时期，越来越引起科技界、工业界和政府部门的重视。但发酵工 业设备的技术却没有跟上生物技术的发展步伐，单就生物发酵罐来说，很多生物 工程企业使用髂是基本上没有控制或者是只有篱单控制的发酵，现场操作入员的 工作强度很大，而且工作条件恶劣，无法适应当今生产的需求1 5 】。 本系统弓l 入智能捧制算法，在一定程度上解决生物发酵过程难以控制的难 点。同时将功能强大的嵌入式系统应用到生物发酵控制领域蘩来，提高生物发酵 设备的自动化程度，从而增加生物发酵产量，促进生物工程的进步，不仪对于嵌 入式系统应用具有巨大的意义，而且对于加速生物工程领域的发展步伐也具有深 远影响。 1 3 国内外研究现状 国外在生产控制方面，从6 0 年代开始将计算机应用于模拟发酵过程和用于 谷氨酸、青霉素的生产过程以来，已有很多篇有关计算机在发酵过程中应用的报 道。大型计算机造价的降低和微型计算机使用的普及使其可能应用的范围得以扩 大，因此计算机在发酵过程中的应用也越来越多。但国外的发酵控制系统目前价 格太高，而且鼗l 于其控制系统是高度集成化，维修及豳常维护费用较高。 近年来，我国生物技术的发展迅猛，在发酵工业中，用计算机对氨基酸发 酵罐、酒精发酵罐、啤酒发酵罐的控制，对酒厂全过程的自动控制，对酱油发酵、 2 江苏大学硕士学位论文 囱酒勾兑、味精结晶等的控制均获得成功，在我国己投入正常运行，效益明显1 6 j 。 但对于较小的实验室发酵系统，情况则相反，因前国内市场的组态软件在发酵行 业适用性差、属权不自主、价格昂贵，因此难以推广。例如，目前国内一台i o l 左右的全自动发酵系统( 包括控制软件) ，价格一般在8 1o 万元左右，丽一套功 能比较全面，运行可靠、安全的组态软件则要2 5 万元，这就大大增加了厂商的 生产成本，所以难以在小型发酵系统中得以推广应用。 目前，尘物反应检测和控制的参数主要有：温度、通气量、罐压、酸碱度、 搅拌速度和溶解氧等，对于特殊的菌种或工艺，有时还要对菌体浓度、微生物代 谢产物，如：特种氨基酸、含糖量等进行在线检测和实时控制。国内现在生物反 应器的厂商大多规模较小，同时受国内制造技术、传感器技术和执行器件等因素 的制约，使得国内的生物发酵装鼹控制参数少、控制精度低、可靠性差，与国外 先进技术还有一定差距。 1 4 论文主要的研究内容 论文的第一章介绍了与课题相关的网内外现状，课题的目的和意义以及本文 研究的主要内容；第二章对发酵过程中主要参数的检测与控制进行了阐述，重点 对发酵过程中的温度和p h 控制进行分考跨研究，提出楣应的智能控制算法，对算 法的特点和步骤分析说明，并进行了相关的仿真和实验分析；第三章是发酵过程 控制系统的总体设计，对系统构成、串行通信等进行设计，并编写了上位机软件； 第四章是下位机的设计，主要包括外隧接口开发、输入输出通道的设计、控制 系统的软件设计等模块。最后是本文的总结和展望。 江苏大学硕士学位论文 第二章发酵过程中主要参数的检测与控制 2 1 主要参数的测量 对生物发酵过程进行有效的控制和操作，首先要解决的是发酵过程有关参数 的测量问题。生物发酵控制的主要参数是温度、p h 值、溶解氧等，这些参数的 变化对发酵影响较大，是发酵过程中关键的影响因素，长期以来人们不断改进它 们的控制技术，控制精度不断提高，这为发酵工业的进一步发展创造了条件6 。 下面首先就这些变量的测量原理瑚测量装置作相应的介绍。 2 。1 1 发酵过程温度的检测 一温度对发酵的影响 合适的滠度是维持发酵过程中生产菌的生长和生产的必要条件之一，湿度是 保证酶活性的重要条件。以下从生物发酵过程的不同角度来具体分析温度对发酵 过程的影响。 ( 1 ) 温度对微生物生长的影响 温度直接影响微生物生长过程中的酶反应，从丽直接影响羞生物体的生命活 动。一方面，在微生物生长最适温度范围内，微生物的生长速度随温度升高而逐 渐增加，随着发酵温度的不断升高，微生物的生长周期相应逐步缩短；另一方面， 微生物不同的生长阶段对温度的反应各异：处予缓慢期的细菌对温度的影响十分 敏感，将其置于最适温度附近，生长缓慢期比较短，温度较低，则使缓慢期延长： 而处于指数生长期的细菌对温度的影响反应则较弱，一般在略低于最适发酵温度 的条件下培养，即使在发酵过程中温度升高，对生长期的破坏作用也不甚显著。 ( 2 ) 温度对发酵的影响 在生物发酵过程中，温度对发酵过程的影响是多方面的，对菌体生长和代谢 产物形成的影响是由各种因素综合表现的结采。温度升高，反应速度加大，生长 代谓十加快，产物生成提前，但是若温度过高，则酶易失去活性，菌体易衰老，影 4 江苏大学硕士学位论文 响产物生成。温度还通过影响发酵液中的溶氧来影响发酵。此外，温度还能影响 生物合成方向和酶系组成及酶的特征。 二发酵过程中的温度检测 温度检测是工业检测和过程控制领域中常用技术之一，温度检测没备主要国 三大部分组成：温度传感器、连接电缆、温度显示控制装置。 温度一般采用铂电阻的阻值变化来测量。在发酵过程的温度检测过程中，由 于发酵过程的特殊环境，一般热电阻离变送器较远。如果热电阻较长的连接导线 全部接在某一个桥臂中，环境温度变化丽引起的连接等线电阻的变化值将与热电 阻的变化值相叠加，从而给变送器带来较大的附加误差，为消除这一误差，在热 电阻温度检测中通常采用三线制接法l 鳓，如图2 1 所示。先将p t l 0 0 接入电桥电 路中，再采用a d t l v 2 5 5 3 运算放大器，结戒差分放大形式，最后再进行a d 转 换。 + s 、， 图2 。l 热电阻温度检测中鲍三线铡接法 2 1 2 发酵过程p h 僚的检测 p h 值是表征微生物生长及产物合成的重要状态参数之一，同时也是反映微 生物新陈代谢活动的综合指标。因此必须掌握发酵过程中p 珏值的变化规律，以 便对其进行在线实时监控，从而使p h 值一直处于发酵生产的最佳状态水平。不 同微生物的生长阶段和产物合成阶段的最适p h 值是不一样的，这不仅与菌种特 江苏大学硕士学位论文 性有关，也与产物的化学性质有判9 , 1 0 】。 在生物发酵过程中，p h 值具有极强的时变性，这与微生物自身的新陈代谢 活动及培养基的性质密切相关。一方面，微生物通过自身的新陈代谢活动分泌有 机酸或一些碱性物质，从而导致发酵环境的p h 值发生变化；另一方面，微生物 通过利用发酵培养基中的生理酸性盐或生理碱性盐引起发酵环境p h 值的变化。 所以，在发酵过程中要特别注意初始p h 值的选择，同时加强对发酵过程中p h 值变化的实时控制，使其适合于菌体的生长和产物的合成。 一p h 值对发酵的影响 p h 值的改变会导致微生物细胞原生质体膜的电荷发生改变。原生质体膜带 有胶体的性质，在定p h 值时原生质体膜可以带正电荷，而在另一p h 值时， 原生质体膜! j 1 4 可能带负电荷。这种电荷的改变会引起原生质体膜对个别离子渗透 性的改变，从而影响微生物对培养基中营养物质的吸收及代谢产物的分泌，妨碍 新陈代谢的正常进行。p h 值变化还会影响菌体代谢方向、菌体中各种酶活性以 及菌体对基质的利用速率，从而影响菌体的生长及产物的合成。 二p h 值的监测 许多制造商可提供能够耐受加热灭菌的p h 探头( 电极) 。p h 传感器多为组合 式p h 探头，由一个玻璃电极和参比电极组成，通过一个位于小的多孔塞上的液 体接合点与培养基连接，多孔塞一般位于传感器的侧面。传感器的选样取决于发 酵罐是原位灭菌还是高压灭菌锅内灭菌。如果是原位灭菌，需将电极安装在一个 发酵罐制造商提供的专用外壳内，以使电极的外部在灭菌时能耐受高于 1 0 1 3 2 5 1 0 5 p a 的压力，这是为了防止罐压使物料流入多孔塞中。如果足高压灭 菌锅灭菌，则需要采用特殊的电连接方式，以防由电极暴露于高压蒸汽所带来的 问题。 p h 值传感器由测量电极和参比电极构成。测量电极的电位随溶液氢离子浓 度改变而改变，参比电极有固定电位。常用测量电极有玻璃电极、锑电极，参比 电极为银氯化银电极。为了测量的可靠性，将测量电极和参比a g c l 电极封装 的一起，构成复合电极( 其输出量为4 2 0 m a ，对应p h i p h l 4 ) 。复合电极能 够用于工业大罐发酵的p h 在线检测。在实际应用中，通过采用现场软件校正与 6 江苏大学硕士学棱论文 仪表调整螺结合，遴一步提高检测糙度，给工业应岗提供了方便。 p h 值的精确测掇需要考虑以下两大条件： ( 1 ) 温艘：由于温度的变化随接影响p h 值的大小，所以只有在同一温度下的p h 测量值方麓迸行毙对； 2 ) 溶液的均性：在悬浮滚中必须通过搅捧来达裂莫物理爨纯学整爨匏均一 性。为了得到准确的p h 测堤值，在测量前需鬻进行电极标定，将电极簧于标准 缓冲液中，在5 秒钟岗达剖稳定馕，误蒺为0 0 1 p h 。在极端p h 值时，p h 电 极麴瞧褒黠麟霹笺会壤燕。舞采超过一定时闻落，p h 整仍达不裂稳定蕊，郡霹 能是电极出现了问题。p h 测量的精确性取决予电极的维护、待测溶液、温度、 蕊力、嘏极选择以及新鲜的缓冲液。 在工盘现场应鼹时，必矮考廉p h 濒遥奄缆帮p h 变送器麓蜜全性要求，黻 防某些王业骡壤危害p h 毽麴准确测量。由予髂号蹙离阻抗鲍，长邀缆器受到于 扰的影响。如果电缆长度越过5 m ，则最好安装一个前置放大器，当电缆长度超 过2 0 m 潴，翁嚣放大器跫崧不哥少的。在有强电磁场干扰髂场合，则赢使用同 辙逛缆，疑轴嗽缆外霄可按地静铩护盛l l l l 。 2 1 3 发酵过程溶瓣氧戆捡测 一溶解氧对发酵的澎璃 溶解氧d 0 是好氯微生錾生长所必露鲶。鑫于氧在水枣黔溶簿度稷低，所 以在好氯微生物发酵过程中溶解氧往往最易成为限制阑素。以青襟索为例，其发 酵韵耩霹氧浓度( 指不影响产物合戚所允许的最低溶氧浓度) 为5 0 o - 1 0 空气饱和 震发酵行整中慕鬟瘸空气键彝度哟来表示d o 含量簸单位。羝予蓝蠛界篷露， 裔霉素的生物合成将鼹到不可逆的损害，溶氧即使低予3 0 ，也会导致青霉素的 生产速率急劂下降。细将d o 值谲节到大于3 0 ，则青霉素的比生产速率很快恢 复裂最大僮1 1 2 , 1 3 。 二溶瓣氧的测鼍 溶氯浓度的检测方法主鼹有3 种，熊共性足使用膜将测定点与发酵液分离， 筏箱前均需校准。这3 种方法为：导管法、质谱电极法、电化学稳骏器。最常用 7 江苏大学硕士学位论文 的溶氧检测方法是使用可蒸汽灭菌的电化学检验器【1 2 , 1 3 1 。 ( 1 ) 溶氧电极 电化学检验器包括极谱电极和电流电极等。以瑞士m e t t l e rt o l e d o 公司 生产的l n p r 0 6 0 5 0 型溶氧电极为例。它的主要特点是将电化学电池与发酵液隔开。 对于溶氧测定，重要的一点是膜仅对织有渗透性，丽其他可能于扰检测的化学 成分则不能通过。 ( 2 ) 溶氧测定仪 溶氧电极电流或者电压是很弱的信号，为了使这种信号与显示器、记录仪控 制器以及计算祝福连，必须经过电流放大。一般显示器、记录仪和控制器要求输 入电平信号为4 2 0 m a 的直流信号。因此，溶氧电极信号先与电流放大器相连。 一般溶氧电极与电流放大器相连接用的是专用同轴电缆，电极头为一特制的插 头。其中同轴泡缆中昀自色导线与阴极相连，红色导线与豳极相连，黑色导线连 接温度补偿热敏电阻，黄绿相问的导线与外壳相连，即接地。 溶氧仪的基本工作原理方框图如图2 2 所示 图2 2 溶氧仅基本工作原理图 其输入级主要功能有：零点枣 偿、灵敏度补偿、温度补偿等。基本电路原理 图如图2 3 所示，它的基本电路原理如下：溶氧电极的微弱电流信号经输入级的 放大以后，直接由溶氧仪的液晶数字显示器显示出氧分压或氧浓度的值，另一方 面可输漱4 - 2 0 m a 的标准信号供避录仪或控铡器或计算机接盈相连接。 g 江苏大学硕士学位论文 图2 3 溶氧仪输入级基本电路原理图 2 2 发酵过程中的主要控制内容 发酵过程控制包括温度控制、转速控制、酸碱度控制、溶氧度控制、补液控 制等方面，有时还要加入压力控制、尾气调节等环节。 温度、p h 值和溶氧度在发酵过程中是影响微生物生长的重要因素，温度、 p h 值和溶氧度的控制质量的好坏直接影响着发酵的成败。在发酵控制系统中， 这三者的控制虽然控制理论各不相同，但要达到的控制目的却是一样的：即按照 一定的控制精度要求，将被控量控制在设定值周围。本文将从发酵过程中温度和 p h 值控制算法分析着手，研究、建立一种适合生物发酵控制系统的温度和p h 值控制模式，并进行了相关的仿真和实验分析。 2 3 温度控制过程的仿人模糊p i d 控制器设计 2 3 1 生物发酵过程中温度控制理论分析 发酵过程的温度控制的工作过程如图2 4 所示。罐内培养基的温度通过温度 传感器传递到控制模块，控制模块根据控制算法进行计算，然后通过输出控制指 令控制水阀的打开或关闭，以控制夹套( 保温层) 的温度，再通过夹套与罐体之间 的热交换来达到控制罐内温度的目的。 9 江苏大学硕士学位论文 图2 4 发酵过程温度控制原理图 由予对罐内温度的控制主要是通过控制夹套的温度来实现的，而在控制过程 中，传感器的信号交送具有一定的滞磊性和菲线性，孬加上夹套的散热以及夹套 与罐体之间的热交换等原因，发酵过程中的温度是一个具有很大的滞后性、时变 性和非线性的受控对象，同时由于发酵过程中温度的变化规律因培养的菌种的不 同焉有所不同，使得温度控制难度很大。因此在没诗湿度控制时，要充分考虑到 这些因素。 在发酵领域罩，常用的温度控制方法有p i d 控制、模糊控制、仿人智能控制 等。不同的控制方法的适应条件、控制性熊等各有不同。 p i d 控制虽具有算法简单，参数调整方便，并能够达到一定的控制精度等优 点，但幽于当控制条件发生变化时，相应的控制参数就要进行变换，因此p i d 控制只有在系统模型参数蔻非时交的情况下才能取得珲想的控制效梁。 模糊控制具有无须建立被控对象的数学模型，对被控埘象的时滞、非线性和 时变性具有一定的适应能力，且具有鲁椿性好，抗干扰性强等优点，但存在抗滞 霜性差、消除静态误差性能比较差、难以达到较高的控制精度等缺陷。 仿人智能具有不依赖数学模型，对系统参数不敏感，较强的鲁棒性能和抗滞 后性能等优点。但由于仿人智能算法采用误筹与误差变化率为模式切换而，而误 差变化率对噪声干扰十分敏感，所以当系统存在较大干扰的时候，会使系统的控 制器在不需要切换的时候频繁切换，从藤严重影响控制效果引。 综上所述，各种控制理论各有优缺点。p i d 算法比较简单，但只有在非时变 情况下才能达到较好的控制效果；而模糊控制则抗干扰性比较好，抗滞后性比较 差；仿人智能控制则抗滞后性强，抗于扰性差等。因此如何将各种控制理论的优 点结合在起，形成一种新型的、综合考虑发酵过程温度控制特点的温度控制理 论，是解决温度控制问题的关键所在，也是本文解决的主要闷题之一。在综合了 各种控制理论的优缺点之后，提出了专f 1 针对温度控制的仿入模糊p i d 控刳算 法。 l o 江苏大学硕士学位论文 2 3 2 相关控制原理 仿人智能控制从根本上说，就是仿效人的智能行为进行控制和决策，即从宏 观结构上和行为功能上对人的控制进行模拟。通过大量的试验发现，控制者在得 到必要的训练后，由人实现的控制方法是接近最优的。仿人智能控制不需要了解 对象的结构、参数，即不需要依据对象的数学模型，而是从分层递阶智能控制系 统的最底层( 运行控制级) 着手，直接对人的控制经验、技巧和各种直接推理逻辑 进行分析、概括和总结，编制成各种简单实用、精度高、鲁棒性强、能实时运行 的控制算法，实现在线推理确定或变换控制参数。 在1 9 8 0 年以前，重庆大学的周其鉴等人就提出了仿人智能控制的研究方向。 通过对常规控制的分析，发现常规控制不能同时满足响应速度及静态精度的要 求。通过观察人在手动控制中表现出来的基本规律，研究总结了有经验的操作者 在控制系统中的作用和行为之后，提出了相关原型1 6 l 。其控制算法如式( 2 1 ) ： u 。= ：喜n-i二：二：二二!+!篓二。_l筵季。时c21kk - ， p l n、 ”咖) = 甜咖- i ) + 脒p 广 p ，当等 0a n de d 0 a n de sa n de 。 0 ) t h e n ( 减小k 。、k ，增大k f ) ( 2 )i f ( e j oa n de 。 0a n de 删 o ) t h e n ( 减小k ，、k ，、k ，) ( 4 ) i f ( e , 0a n de 。， oa n de 删 0a n de “ 0n 口 oue ，= one ，0 ni 巨i aol ei 万) t h e n ( 对误 差积分) ( 2 ) i f ( e , e 。， oue ，= 0 ) t h e n ( 不对误差积分) 综上所述，仿人模糊自适应p i d 控制设计完成。与传统的p i d 控制相比，此 仿人模糊自适应p i d 控制器结合了仿人智能控制、模糊控制和p i d 控制三种控 制方法的优点，实现了参数的自整定和积分的智能化，在提高控制精度的同时也 提高了系统的抗滞后性能和抗干扰性能，更加适合发酵过程的温度控制。 2 3 4 温度控制试验仿真与分析 将水阀视为执行机构，夹套以及央套内的传热介质和发罐内介质视为调节对 象，那么发酵过程中的温度控制模型可以简化成如2 7 所示的形式： 江苏大学硕士学位论文 图2 7 发酵过程温度控制模型 假设加热器和冷水阀的功率相同，并且无能量消耗，夹套内传热介质的热交 换速率恒定，夹套内的传热介质传递给罐内的热量全部被罐体和罐内介质吸收， 无热量消耗。则执行机构可视为一个比例环节，调节对象视为一个惯性+ 延迟环 节( 调节对象1 ) 和一个延迟环节( 调节对象2 ) 的串联，相应的发酵控制中温 度的传递函数为： g ( s ) = 尼百e - ( f i + 石t 2 ) s ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中：k 为执行机构的比例系数；t 。为调节对象1 的纯滞后时间；t ：为 调节对象2 的纯滞后时间；r 。为调节对象1 惯性时间常数。 设置相应参数值，仿真工具使用功能强大的m a t l a b 进行编程，仿真时问6 0 s ， 输入信号为阶跃信号。设置模拟升温降温的控制曲线，输入方程为： f 0 i r i n ( t ) = 2 5 i2 0 t 0 0 0 5 s o 0 0 5 s t 2 0 s ( 2 4 ) t 2 0 s 为体现控制效果，采用p i d 控制与仿人模糊p i d 比较，仿真结果如图2 8 所示。 图2 8 温度控制仿真曲线 1 8 江苏大学硕士学位论文 由以上仿真结果对比可以看出，与传统p i d 控制相比较，在同样控制对象、 同等控制条件下，采用本文设计的仿人模糊自适应p i d 控制方法优于传统控制 方法【2 7 ，2 8 1 。 2 4 酸碱度的控制 2 4 1 仿人模糊控制在青霉素p h 值控制中的应用 p h 值是微生物生长的一个重要的环境参数。在生产中，若反应液p h 值偏低， 则通过加氨水的方法，使其p h 值上升；若p h 值偏高，可适当增加糖的补加量来调 整，一般没有其他的控制手段。因此，在p h 值控制中，必须严格控制好氨水的加 入量，绝对不能过量【2 9 1 。在p h 值控制中，本文的控制方式采用改变开关阀的开 关频率和开关脉冲宽度来调节氨水的加入量。本系统以青霉素发酵过程中的p h 值为对象，对发酵过程补氨水速率进行相应的控制，针对实际发酵过程中的特点， 采用仿人智能模糊控制方法。 有关仿人智能控制和模糊控制的原理在前面已经作了相应介绍，此处不再赘 述。仿人智能模糊控制近似模拟人的控制行为，采用“观察一控制一等待一再观 察一再控制一再等待”方法，当误差及误差变化率往绝对值变大的方向变化时， 控制器加以闭环控制；当误差及误差变化率往绝对值变小的方向变化时，控制器 加以开环控制。如果采用多模态的控制方式，根据系统所处的不同状态和控制过 程不同时间的要求，采取不同的控制策略和相应的控制模式，就有可能同时兼顾 控制系统对多种性能指标的要求。当系统误差较大时，采用较强控制作用使系统 获得较大的响应速度，误差快速同零，大误差得到消除。当误差减小到一定值时， 为防止系统凶惯性而超调，可通过模式切换减小控制作用或者给一个反向的能量 补偿，以实现残差的平稳消除，也体现了人控制的特点。因此，针对大时滞时变 的复杂系统，在论域内采用不同控制方式分段实现控制：( 1 ) 当偏差大于某阀值 时，用比例控制，以提高系统的响应速度，加快响应过程；( 2 ) 当偏差低于某阀 值时，切换输入模糊控制，以提高系统的阻尼性能，减小响应过程中的超调。这 样就综合了比例控制和模糊控制的优点。在这种方法中，模糊控制的论域仅是整 个论域中的一部分，这就相当于模糊控制论域被压缩，等效于模糊控制的语言变 1 9 江苏大学硕士学位论文 量的语言值即分档数增加，提高了控制的灵敏度和精度。 在本系统中，p h 值的偏差e ，和p h 值偏差变化率既可完整地表达系统的运动 特性，选它们为输入量论域，加氨水变化量u 为输出量沦域。巨、既及阀门 开度增量u 均按下述等级进行量化： 一3 ，一2 ，- i ，0 ，+ 1 ，+ 2 ，+ 3 】 相应的e ，、e c j 及u 的模糊集定义为： e = f 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大l = f n b ，n m ，n s ，z e ，p s ，p m ， p b 】 e 。f = ( n b ，n m ，n s ，z e ，p s ，p n i ，p b l a u = f n b ，n n i ，n s ，z e ，p s ，p m ，p b l e ，和e d 及u 的隶属函数均取为三角形函数，分析发酵过程并总结实际操作 经验，可归纳出控制规则见表2 1 。 表2 1 仿人智能模糊控制规则表p p + 材 n bn mn sz ep sp mp b n bn bn b n bn b z ez e z e n mn bn bn mn mz ez ez e n sn bn mn mn sz ez ez e pz en mn sz ez ez ep s p m p sz ez ez ep sp mp mp b p mz ez ez ep m p mp bp b p bz ez ez ep bp b p bp b 2 4 2p h 值变化的动态模型 c u t h r e l l 等人在物料衡算和m o n o d 经验方程= z 。c ，( k ，+ c ，) 的基础上， 提出青霉素发酵过程的动力学模型【3 0 , 3 1 ，如式( 2 5 ) 所示： 2 0 江苏大学硕士学位论文 又( ，) = ( x ，s ) x x y “ 确：( 耶) 一舻一吾甜 叽) - - h 3 ( x ，s ) x + 学“ 矿( f ) = 甜 办：o 1 1 兰 1 i x + s 咖o 0 0 5 5 雨蔷丽 万+ 6 i l + lu 6l ( 2 5 ) ( 2 6 ) l h ，：土+ 生+ 0 0 2 9 l 0 4 7 1 2 万+ s o x 4 0 ，0 s 2 5 ，0 v 1 0 ，0 0 1( 2 7 ) x ( 0 ) = 1 5 ，p ( o ) = 0 ，s ( o ) = 0 ，y ( o ) = 7( 2 8 ) 青霉素发酵过程的机理非常复杂，具有高度的非线性和时变性，并且不同予一 般物理过程的是它是个物理上不可逆的过程。该模型由青霉素发酵过程中4 个主 要状态变量的微分方程组成，其中x 为菌丝浓度，尸为青霉素浓度，s 为基质浓 度，v 为发酵液总体积，k = o 0 1 ，s f = 5 0 0 ，一= o 0 0 6 ，7 l = o 0 0 0 1 。 首先，各个状态变量均需满足动力学模型，其次，为满足工业需要，各状态 量初值一定，若生长速率的最大值为0 1 堙m 3 s ，则青霉素发酵过程优化问 题的约束条件如式( 2 7 ) 所示。 在青霉素发酵过程中，引起p h 值改变的因素很多，总结相关资料，归纳出p h 值改变的3 个主要冈素：流加糖及其引起的糖浓度的增加会引起p h 值下降；而 加入氨水会引起p h 值的上升；在发酵后期随着产物浓度的不断增加，菌丝自溶， p h 值上升。由此得出p h 值的动态模型： 警铂+ c 2 p + c 3 s 0 8 ( 2 9 ) 式( 2 9 ) 中：q 、c ：、c ，为常数，为加入氨水的量。 p h 值是影响细胞生长的一个重要因素，其变化会引起各种酶活力的改变，综 合各种资料可以总结出，反应过程中存在一个最佳p h 值，当处于最佳p h 值时反 2 l 江苏大学硕士学位论文 应速率达到最大，而偏离此值都致使反应速率减小。p h 值的变化与反应速率的 关系基本上满足抛物线关系。青霉菌生长和青霉素生成的最佳p h 值不同，青霉素 产生菌生长的合适p h 值为6 2 7 0 ，合成青霉素的合适p h 值为6 5 6 8 ，p h 值与生 长速率之问的关系如图2 9 所示。 鲁 、- ， 瓣 潮 裂 鞠 图2 9 反应速率与p h 值的关系 由此对菌体和产物的p h 与反应速率的抛物线关系进行拟合：对菌体来说， p h = 6 6 时，抛物线出现极值点，反应速率为1 ，而在p h - - 6 2 和p h = 7 o 反应速率 都为o 9 7 ，因而得到如下的抛物线方程： = 0 1 8 7 5 p h 2 + 2 4 7 5 p h 一7 1 6 7 5( 2 1 0 ) 2 4 3 结果及分析 在青霉素发酵过程中，当除了氨水以外的其他补料量均保持稳定( 其他衡量 控制状态的参数都在正常范围内) ，也就是说不考虑其他补料量对p h 值的影响， p h 值仅通过加入氨水来实现调节。在青霉素生产期，合成青霉素的合适p h 值为 6 5 6 8 ，本文中p h 值取6 6 ，将仿人智能模糊控制算法用于青霉素发酵模型中进 行仿真i 3 2 1 ，得到如图2 1 0 所示的加入氨水量的曲线。 江苏大学硕士学位论文 图2 1 0 青霉素发酵过程加入氨水量的调节曲线 从图2 1 0 中看出，虽然仿人智能模糊控制器是从2 5 h 开始作用的，但是实际 产生氨水调节作用是从7 5 h 左右丌始的。由于根据化验和测量以及实际操作经验 得到氨水加入量，而发酵开始过程中，抗生素合成少，因此对p h 值进行调节所 需要氨水很少；随着抗生素产量的增加，p h 值会不断下降，开始的氨水加入量 显然不能够满足发酵液的p h 值要求，因此需通过增加氨水量来调节p h 值。通过 氨水加入量的调节，得到p h 值的曲线见图2 1 1 。 图2 1 l 青霉素发酵过程加入氨水后的p h 值曲线 江苏大学硕士学位论文 青霉素发酵初期发酵液的p h 值主要由加碱来进行调节，发酵进行至u 2 5 h 以后， 采取加入氨水的方法对发酵液的p h 值进行调节。发酵进行的前7 5 h ，抗生素合成 较少，初始的氨水加入量能够满足p h 值的调节要求，因此氨水加入量可保持初 始值不变；随着抗生素产量的增加，p h 值会有下降趋势，初始的氨水加入量不 能够满足发酵液的p h 值要求，此时，就必须通过增加氨水量来调节发酵液的p h 值。采用仿人智能模糊控制器对氨水的加入量不断进行调整后，发酵液的p h 值 趋于平稳，基本保持在6 6 ，从而为青霉素的合成创造出更好的环境。 由图2 1 1 可以看出，不考虑其他因素对发酵液p h 值的影响时，通过不断调节 氨水的加入量，可以使得p h 值处于最佳值，从而为发酵过程中的合成创造出更 好的环境。 2 5 溶解氧的控制 在发酵过程中，尤其是对好氧性微生物来说，溶氧度的大小以及控制精度直 接影响了微生物的生长乃至最终的产量