（机械电子工程专业论文）深海微生物培养系统流动体系的建模与仿真.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 深海微生物的研究，对于研究全球碳循环和其他生命元素的地球化学循环有着重 要的作用。深海微生物试验培养系统的研制对深海微生物的研究有着重大意义。而深海 培养系统的工作特性关系到微生物实验的成败。本文结合国务院大洋技术专项 ( d y l 0 5 _ 0 3 0 1 1 6 ) ，针对“极端海底环境分子生物地球化学多级模拟反应和监测 系统”，建立了深海培养系统的数学模型，在m a t l a b s i m u l i n k 环境支持下进行了计算机 仿真试验，并对参数进行了优化，以达到优化设计的目的。并在所研制设备“深海微生 物培养系统”上进行了相应的实验。通过仿真得到的一些结果，对于深海微生物培养系 统的进一步研究，具有一定的指导作用。 全文分为五章。 第一章阐述了研究意义以及i q 前国内外深海微生物培养领域及相似领域的研究现 状。分析了几种现有深海微生物培养装置的总体方案，以及深海微生物培养系统目前已 有研究基础及成果，在此基础上，阐述了论文的选题背景、意义及论文的研究目标和主 要工作。 第二章首先介绍了深海微生物模拟平台各个重要元件的作用，在此基础上，建立了 描述系统重要元件的数学模型，对各个重要元件的特性进行了仿真分析，为进一步在培 养系统中应用类似元件打下了良好的基础。 第三章在深入分析了不同结构的培养系统流动体系，建立了个培养系统流动体系的 数学模型并进行了仿真研究，开展了试验验证工作。同时进行了参数的调整、优化，为 进一步研究深海微生物培养系统奠定了一定的基础。 第四章对系统的主要几个运行过程进行了仿真与试验的研究，得到了一些有益的结 论，为进一步研究深海微生物培养系统提供了理论支撑。 第五章进行了总结与展望，给出了论文的研究成果，指出了进一步研究的方向。 关键词：深海微生物仿真数学模型深海微生物培养系统参数优化优化设计 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o no ft h ed e e p - s e am i c r o b e sh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ed e e p - s e a s c i e n c e s e q u i p m e n tf o rc u l t i v a t i n gs u b s u r f a c em i c r o b ei s ak e yf a c t o ri nt h e i n v e s t i g a t i o no ft h ed e e p - s e am i c r o b e s a n dt h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h eh i g h p r e s s u r ef l o w i n gs y s t e mf o rc u l t i v a t i n gb e n t h a lm i c r o b e sc o n c e r nt h es u c c e s s f a i lo f t h ec u l t u r eo fm i c r o o r g a n i s m i nt h i sp a p e r ，am o d e lo fh i g hp r e s s u r ef l o w i n gs y s t e mf o rc u l t i v a t i n gb e n t h a l m i c r o b e sh a sb e e ne s t a b l i s h e d o nt h eb a s i so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n go ft h e s y s t e m ，t h es i m u l a t i o no nt h es y s t e mi si m p l e m e n t e da n dt h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so f t h es y s t e ma r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dp r e s e n t e di nt h ep a p e ri s f e a s i b l et ot h es y s t e m ，a n dl a yt h eg o o df o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h e c u l t i v a t i n gs y s t e m t h et h e s i si n c l u d e sf i v ec h a p t e r s c h a p t e r1i sas u r v e y t h ec u r r e n td e v e l o p m e n t si nt h ef i e l do fc u l t u r i n gm i c r o b e s f r o mc o u n t r yt oa b o a r d s e v e r a ld e e p s e am i c r o b e sc u l t u r i n ge q u i p m e n t sa r ea n a l y s e d ， s o m eb a s i ct h e o r i e sa n ds t u d i e so fh i g h - t e m p e r a t u r ea n dh i g h - p r e s s u r es i m u l a t e p l a t f o r mi si n t r o d u c e d b a s e do na b o v es u m m a r i z a t i o n ，t h eb a c k g r o u n d ，s i g n i f i c a n c e 。r e s e a r c h o b j e c t i v ea n dm a i nt a s ko f t h i sp a p e ra r ed i s c u s s e di nd e t a i l c h a p t e r2 ：f i r s to fa l l ，t h e a u t h o rd i s c u s s e dt h ef u n c t i o no fe a c hi m p o r t a n t c o m p o n e n t m o d e lo fe a c hc o m p o n e n th a sb e e ne s t a b l i s h e d o nt h eb a s i s ，s i m u l a t i o n o ft h e s ec o m p o n e n t sa r ed i s c u s s e d f u r t h e rr e s e a r c ha b o u tw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co f e a c hc o m p o n e n ti sa n a l y z e d c h a p t e r3 ：t h ed y n a m i cm a t h e m a t i c sm o d e lo fd e e p - - s e am i c r o b e sc u l t u r i n g s y s t e mi s e s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fa n a l y z i n gf u n c t i o no fa l lm o d u l e s o p t i m u m d e s i g ni sd o n eo nt h eb a s i so f r e s e a r c ho nw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c s c h a p t e r4 ：i nt h i sc h a p t e r , t h ea u t h o rm a i n l yd i s c u s s e ds i m u l a t i o nr e s u l t sa n d v a l i d i t yo f s y s t e mm o d e l s f i n a l l nt h es i m u l a t i o nr e s u l t si sa n a l y z e d c h a p t e r5 ：s u m m a r i z e ，t h ep r o s p e c to f f u r t h e rr e s e a r c hw o r kw a sp u tf o r w a r d 浙江大学硕士学位论文 k e yw o r d s ： b e n t h a lm i c r o b e ，s i m u l a t i o n ，m a t h e m a t i c sm o d e l ，p r e s s u r ec o n t r o l ，o p t i m u md e s i g n 第一章绪论 第一章绪论 深海极端环境中微生物的发现是上个世纪末期最重大的科学发现之一。极端环境下 微生物的发现对于地球生命起源提出了新的研究课题，增强了国际学术界对深海微生物 分子生物学和基因工程研究的兴趣。我国也将“极端环境条件下的海洋生物活动”列为 2 1 世纪初优先鼓励发展的领域之一。而开展深海微生物分子化学研究工作，除需要在 保真状态下将深海底微生物采集到船上来，还必须建立一套适合于高温高压环境的测试 平台，从而使在类似于深海极端环境( 高温高压或低温环境) f 对微生物进行培养和检 测成为可能。在国外只有日、英、美研制出了深海微生物的培养榆测设备，目前浙江大 学研制了一套能在高达6 0 m p a 、4 2 5 。c 的温压条件工作的模拟高压环境和模拟海底热液 环境的微生物培养装置，应用该装置可以对深海微生物进行有目的的培养，并对不同反 应阶段的微生物进行实验研究，从而实现对深海微生物的进一步研究。 1 1 深海微生物培养系统的研究背景 1 1 。1 项目提出的背景 从远古至现代，从近海到深海，人类从未停止过对海洋的研究，尤其是对海洋资源 的开发和利用一直是人们关注的焦点，在当代被称为“蓝色革命”。近年来欧美各国和 日本等国的海洋研究机构都投入了大量的人力和数阻亿计的物力有计划地开展研究、合 作和发展，纷纷抢占各个领域嘲。其中对大洋的研究越来越受到重视，对极端环境f 的 生命的研究是热点之一。 深海极端环境中微生物的发现是l 个世纪 末期最重大的科学发现之一。1 9 7 7 年，美国深 潜器“阿尔文”号在加拉帕戈斯群岛附近2 5 0 0 米 深处中央海脊热液口环境中发现大量的能氧化 硫的细菌，其生物量可达1 0 6 个m i ，并在海底 形成厚厚的丝状细菌垫( 可达3 c m 厚) 。这些细 菌与一些蠕虫和双壳类动物一起共生，构成了海 底特殊的生物群落。海底除了热液生态群外，也 图1 - l 深海里的黑烟囱 第一章绪论 存在生活在低温冷泉口特殊海洋环境中的细菌群。如在墨西哥湾3 2 7 0 米处海底，发现 大量密集成层的白色细菌覆盖在底面上。这些生活在海底极端环境下的细菌群落主要依 靠化学合成生产有机物质。由于化学合成细菌是在地球上光合作用藻类生物之前出现的 古老种类，因此，有科学家认为，最早的海洋食物链就是以化学合成为基础的。从热液 口和冷泉口的环境特征来看，它们与地球表面生物圈进化初期( 前寒武纪早期) 的海洋环 境很类似，一些科学家据此推论地球上的生命可能来源于与热液口状况相似的环境条件 之下。因此，极端环境下微生物的发现对地球生命起源提出了新的研究课题口5 1 ， 除生活在热液口和冷泉l 附近的特异微生物群落外在广袤的深海底层还生活着其 它不同类型的微生物群落。由于这些深海微生物面临三个极端环境：低温( 或高温) 、 高压和低营养水平，这些菌种具有嗜冷( 或嗜热) 、耐压( 或嗜压) 、抗毒等一系列特点， 更加增强了国际学术界对深海微生物分子生物学和基园工程学研究的兴趣。 图1 - 2 深海微生物在生命树链中的位置 近年来，有关深海微生物在地球表层系统中作用的研究越来越受到重视，科学家们 已经认识到深海微生物对全球碳循环和其它生命元素的地球化学循环以及海底成矿过 程( 如多金属结核矿床、富钴结壳矿床、热液多金属硫化物矿床、天然气水合物矿床和 磷钙石矿床等的成矿过程) 中起着重要作用吲。在分子水平上研究深海微生物及其与环 境关系的分子生物地球化学研究正逐渐成为国际上一个富有活力的新型交叉学科研究 方向。 随着地球科学进入以全球性视野和圈层相互作用为特色的系统科学阶段，深海大洋 研究的迫切性越益显著。特别是近年来随着上述提及的深部生物圈中各种微生物群落的 发现，使国际深海研究再度高潮迭起。欧美分别将深部生物圈列为自然科学的重中之重， 2 第一章绪 论 其中很大一部分涉及深海底微生物研究。我国也将“极端环境条件下的海洋生物活动”列 为2 1 世纪初优先鼓励发展的领域之一。然而，开展深海微生物分了地球化学研究工作 并非易事。除需要在保真状态下将深海底微生物采集到船上来外，要做到在现场、防污 染和受控( 叮检测) 条件下开展对此类微生物的分子生物地球化学研究，必需建立一套极 端海底环境现场多级培养和检测系统，从而使在类似于深海极端环境( 高压，高温或低 温环境) 下对深海微生物进行培养和检测成为可能。 1 1 2 国内外现有设备状况及趋势 深海极端环境微生物资源的开发和生物地球化学行为研究的进展，很大程度【i 取决 于在模拟极端海底环境条件下对深海微生物进行培养。应用高温( 或低温) 高压设备开 展对深海微生物的研究正成为近期国际上分了生物地球化 学研究领域的研究趋势，国内在此方面的研究尚未起步， 现有的微生物培养仅在培养箱或发酵罐里进行，尚不能实 现在高压环境和模拟深海海底流体动力环境下对微生物进 行培养”】，图1 - 4 是k f 3 0 l 型常压培养箱，可控制温度 范围为5 0 1 0 0 ，根本无法满足深海微生物培养的需要， 因此无法在有关生物地球化学机理研究方面进一步深入。 圈l 一4 k 卜3 0 l 微生物培寨隋 国内现有的高温( 或低温) 高压设备可分为两类：流 动高温高压设备( 见图1 5 ) 和静止高温高压设备f 1 3 】( 见图1 6 ) ，最初主要用于地壳深 部极端高压状态下物质相变、水岩相互作用及矿物新特性研究，近年来国际上已经在食 品、育种、材料和超临界水的研究领域应用。它虽然基本能达到所需的温度和压力条件， 但是无法进行深海微生物的培养。 围l 一5 箨惑高温高医地球化学研究设备 目前只有日( 见图1 - 7 ) 、美( 见图1 8 ) 、 囤l 6 # 渤高温蕊医地球化学研究设备 法( 见图1 - 9 ) 等国研究成功了深海微 第一章绪 论 生物培养和检测设备1 q 【1 5 】【”l 。美国s e y f r i e d 博士于1 9 7 9 年设计了一套高温高压反应筑 使用镀金的方式来防止釜壁及其它元器件的腐蚀，1 9 8 5 年又制成了全钛的高温高压反 应釜，并于8 0 年代末制成了第一套高温高压控制系统，当时是用节流阀来手动控制液 路的压力和流量，组成流动体系【8 】【9 】。近几年美国又实施了一个为期八年、耗资4 3 0 0 万 美元的深海环境勘探计划，与日本海洋科学技术中心合作，制造了具有不同压力、温度、 酸碱度值的海洋设备，以保证从深海海底取回的微生物能够存活。日本的海洋科技中心 能够从6 5 0 0 米水深的海底取回微生物，不但能使其存活，还能在其所需压力下进行养 殖和研究。 雷i 一7 日本实验童用徽生物培养秉统 圈l 8 矍置船曩并职式厦应装置 圈l e 法圆实验童用徽生物墙莽 9 t 置 现在在深海微生物培养方面比较先进的设备是m i n n e s o t a 大学地质地球物理系正 在开展的应用应用高温( 或低温) i 躯设备( 见圈1 - o ) 对深海微生物地球化学静实验 研究的设备”7 1 ： 弟一章绪 论 整个系统( 见图1 - 1 1 ) z 作原理：由可调压泵通过单向阀给反应蔫施加压力，而釜 肉的压力调节则通过步进电机调节节流阀的开口大小来实现，压力可以达到4 5 m p a ， 但是压力波动在1 f s 以上。 其优点是：设备研制方案比较简单，可采用现成的商业化控制阀技术，易实现微流 量的控制，精度可以小于01 m l 。 缺点是：( 1 ) 需调压泵，价格昂贵，不能实现反向吸合。( 2 ) 节流阀采用步进电机 调节，难以实现闭环控制，动态响应慢，系统存在严重的超调，可靠性比较低。( 3 ) 存 在流量对压力较大的耦合，因此难以实现对生物的串并联培养。 图i - - t 8a 血m s o 恤文学澄每徽 生物地球化学实验研究设备 可 调 压 嘉 i ! 1 1 _ j 固l l l 图l 一1 0 压力控审0 结构草图 步 进 电 机 浙江大学研制的模拟极端环境深海微生物培养系统( 如图1 1 2 ) 所示，具有以下 特点：( 1 ) 深海微生物培养系统的工作状态是开放式的：( 2 )能够模拟超高压状态； ( 3 ) 能够实现微小流量的控制。 第一章绪论 图1 一1 3 深海微生物培养系统实物图 图1 1 4 深海微生物培养系统实物图 图中一高温高压培养釜；一微流量阀：一超高压微流量泵： 1 1 3 研究意义 我国作为发展中国家，在对深海生物基因资源进行研究和勘探方面的研究起步非常 晚，但是发展比较快。中国已经根据联合国海洋法公约申请并在太平洋获得了一块 面积达7 5 万平方公里的海域，我国对其拥有专属勘探权和优先开采权。我国是人i z 大 第一章绪论 国，也是资源消费大国，应尽早投入相应的人力物力，积极开展基因资源的研究和开发 ：【作。由于开发深海生物基因资源是一项高科技、高风险、高投入的系统工程，因此除 了发展自己的调查、科研和产业体系外，还需要大力开展双边和多边合作，加强这方面 的人才培养，以便将来在这一领域占有与我国地位相称的位置。 深海极端环境微生物资源的开发和生物地球化学行为研究的开展，很大程度上取决 寸二在模拟极端海底环境条件下对深海微生物进行的培养。深海微生物培养系统探索建立 一套实验室和科考船两用的装置，结合高温( 或低温) 高压技术和微生物培养技术，为 开展创新思维的科研工作提供适宜的工作平台和技术保证。这方面的设想和研究工作在 国际上也仅是刚刚起步，国内尚无先例。该系统的研制成功，可以在：地球上生命起 源和早期生命系统研究；深海分子生物学和基因工程研究；深海环境变化和生物地 球化学元素循环研究；深海现代生物成矿研究等领域为我们提供重要的深海微生物研 究对象和研究手段。 深海微生物培养系统的研制成功，将填补我国在深海微生物培养和模拟实验设备的 空白，为我国在深海分子生物地球化学研究和深海基冈研究方面赶超国际水平提供r 设 备保障，同时也将极大地推动我围高温( 低温) 高压研究发展，丌辟利用高温高压设备 进行深海分子生物地球化学研究的新方向。利用该系统所培养的深海微生物菌种，将为 深海微生物资源的开发利用提供研究对象，具有十分巨大的潜在经济效益( 如美国有关 深海微生物酶产业的开发，目前已有几十亿美元的年产值) 、广阔的市场前景和极高科 学研究价值。 1 2 液压、控制系统仿真概述 1 ，2 1 仿真的基本概念 在早期人们研究和设计个动态系统时，常常凭借设计者的知识和经验用真实元部 件构成一个动态系统，然后在这个系统上进行实验，研究控制方式和结构参数对系统动 态特性的影响，这就是所谓的实物实验法。在科学和技术比较落后的时代，这种方法确 实曾经起到过一定的作用，但是建造一个实际系统要花费大量的人力、物力和时间，而 且一次成功的把握叉很小，变更参数也比较困难。随着科学技术的发展，研究系统动态 理论的不断完善，根据这些理论在制造系统之前，先建立描述其动态过程的数学模型， 分析控制方式的可行性和结构参数对系统动态特性的影响选择较好的方案和结构参数 第一章 绪论 作为设计实际系统的依据，这就是所谓的理论分析法。这种方法可以大大降低工程造价， 节省时间，但是由于理论的局限性，往往理论分析结果与实际相差甚远，因此有时需要 用相似理论建造模型进行中间试验，从而给设计实际系统提供可靠的依据。 利片j 计算机进行动态系统的模拟试验可以大大节省人力，把人们从大量繁琐的复杂 性计算中解脱出来，用更多的时间去探索新的问题。此外由于计算机分析的结果町靠程 度很高，省略了实物试验的中间试验过程，所以可大大降低工程造价，以及缩短研究周 期。 计算机仿真技术在科学技术和国民经济各个领域有着广泛的应用。 由上可知：利用计算机作为工具，把实际物理模型系统变成“模型”在计算机上运 转的过程称之为仿真，用于对系统进行仿真的一套软硬设备称之为仿真系统，而研究能 够在计算机上运转的“模型”的建立和实验方法的学科称为仿真技术，它是近年发展起 来的门新学科。 模 化 圈卜【5 仿真的基奉过程 殴 ， 盯 绘 图 仿真技术在科学研究和工程设计中的地位可由图1 1 5 的框图加以说明。 对于已经建成的实际系统进行仿真试验时，大致可由如下过程组成： 首先根据实际物理系统通过理论推导或系统辨识，建立描述该系统的数学模型，然 后建立模拟图或源程序，形成仿真模型，把这个仿真模型在计算机上运转，从而验证控 制方案的可行性和进行参数分析，给实际调整该系统提供可靠的数据。 对于新设计的系统进行仿真时，其过程可由以下几部分组成： 首先根据技术要求由设计者拟定初步方案，并通过静态设计确定系统各部分参数， 然后通过理论推导建立描述该系统的数学模型，根据这个数学模型编制出模拟图或源程 序，形成仿真模型，把这个仿真模型在计算机上运转，进行控制方案论证和参数分析， 也可以通过优化技术求得最佳参数匹配和实现最优控制【” 口“。 一耘耱舻一 每一 。m 第一章绪论 从上分析可以看出，仿真试验是研究或设计某个系统不可缺少的重要组成部分，它 对于提高产品质量、缩短研究周期起着相当关键的作用，同时它也是实现最优化的基础， 因为通过仿真试验可以验证数学模型的准确程度，从而为使修改方案和数学模型提供依 据。 综上所述，进行仿真研究的过程刊以归纳为以下几个步骤： ( 1 ) 建立描述系统的数学模型； ( 2 )把数学模型变成能够在计算机上运转的仿真模型； ( 3 ) 在计算机上运转仿真模型，根据技术要求修改模型和校验： ( 4 ) 记录并分析仿真试验结果，为研究设计和调整提供可靠的数据。 1 。2 2 计算机仿真应用与液压系统中的目的和意义 随着科学技术的发展和国民经济建设的需要，对液压元件和系统的要求也越来越 高。特别是对元件和系统动特性的要求更加严格。对原有的液压元件和系统的改进，新 型液压元件的研制，液压系统新控制方案的探讨等问题都需要有液压领域的科研和工程 技术人员来完成，然而沿用陈旧的设计方法己不能圆满地解决这些问题。应用现代 二具 和新的理沦来解决，工程实际对液压技术提出的问题已势在必行，而仿真技术就是能够 帮助解决这些问题的重要工具之一。 仿真技术在液压技术领域的应用，归纳起来可以解抉如下方面的问题 1 q 【2 2 l ： ( 1 ) 对已有液压元件或系统，通过理论推导建立描述它们的数学模型，然后进 行仿真实验，所得到的仿真结果与实物试验结果进行比较，验证理论的准确程度，反复 修改数学模型，直到使得两实验结果非常接近，把这个理论模型做为今后改进和设计类 似元件或系统的依据； ( 2 ) 对于已有的系统，通过建立数学模型和仿真实验，确定参数的调整范围， 作为该系统调试时的依据，从而缩短调试时间和避免损坏设各； ( 3 ) 对于新设计的元件，可以通过仿真实验研究元件各部分结构参数对其动态 特性的影响，从而确定满足性能要求的结构参数最佳匹配，给实际设计该元件提供必要 的数据。 ( 4 ) 对于新设计的系统，通过仿真实验验证控制方案的可行性，以及结构参数 对系统动特性的影响，从而确定最佳控制方案及最佳结构和控制参数的匹配。 总之，通过仿真实验可以得到液压元件或系统的动态特性，例如过渡过程、频率特 第一章绪 论 性等，研究提高它们动态特性的途径。仿真实验已经成为研究和设计液压元件或系统的 重要组成部分，必须予以重视。 1 3 研究任务 面向中国科学院仪器研制项且“极端海底环境分子生物地球化学多级模拟反应和监 测系统研制”，课题组将建立一套由计算机闭环控制的包括高温高压反应釜和循环流动 装置等设备的深海微生物培养系统( 以下简称为培养系统) ，可以模拟深海生物生长的 各种不同环境并进行控制，用于生物基因工程的开发与研究。从功能实现的角度来说， 该套培养系统主要包括：流动体系( 包括高温高压反戍釜、超高压微量泵及比例压力阀 等) 及温控体系( 包括高温高压反应釜、加热线圈、温控仪等) 两部分。 对培养系统流动体系特性的研究，可以更加有效地利用该套设备并在对培养系统 流动体系特性的研究分析基础上，实现系统设计的优化，为进一步研究同类设备奠定 定的基础。 本课题的主要研究任务是； 1 建立培养系统流动体系中各个重要元件的数学模型 建立培养系统流动体系各重要元件的数学模型，在正确数学模型的基础上进行试验 验证，并进一步分析元件特性，分析各元件对培养系统流动体系特性的影响，为各个兀 件的设计、选择及进一步完善系统打下基础。 2 对深海微生物培养系统流动体系进行数学模型的建立及仿真研究 为了更加全面的实现微生物培养的各种要求，深海微生物培养系统具有多种连接形 式。一套系统可以组成单釜或多釜实验台，而多釜又可以有不同的组合。不同的组合形 式对应着不同的流动体系，研究不同组合形式的流动体系特性，可以对系统的应用起到 一定的指导作用，对系统的各项特性进行进一步的研究，实现参数的调整、优化系统。 3 对培养系统流动体系的运行过程进行仿真及试验研究 对培养系统流动体系的运行过程的研究可以进一步验证设备特性是否满足设计要 求，实现对系统特性的进一步研究及参数的优化、调整，为进一步完善培养系统的流动 体系建立基础。 l o 第一章绪论 1 4 本章小结 本章概括了项目提出的背景及研制深海微生物培养系统的意义，介绍了国内外的研 究现状，综述了现有设备各自的特点。综述了仿真的基本概念及仿真在液压、控制系统 中的应用并指出仿真对于研究深海培养系统的重要性，通过仿真来对一些从外部无法观 察的现象进行模拟、分析，对系统的设计进行优化，改善系统特性。本章最后指明了本 文的主要研究内容。 第二章系统关键元件的仿真 第二章系统关键元件的数学建模 在第一章中，针对深海研究的需要提出了深海微生物培养系统的方案，而该系统的 特性还需要用实验的方法进行验证与讨论。计算机仿真技术为深海微生物培养系统特性 的研究提供了当今最为简而易行的手段。本章将采用计算机仿真技术，通过建立深海微 生物培养系统各个关键元件的数学模型，为深海微生物培养系统的特性验证奠定一定的 基础。 2 1 计算机仿真应用于培养系统设计中的目的和意义 系统仿真是近5 0 年发展起来的一门综合性科学技术，它为系统进行设计、研究和 决策提供了一个先进而有效的手段，并且可以缩短设计周期、降低费用。在近5 0 年的 不断发展与完善中，它不仅被广泛应用到航空航天、电力、原子能、石油、化工及冶金 工业各个工程领域中，而且也被应用到医学、社会学、宏观经济学与商业策略的研究等 非_ ：l 二程领域中，并取得了极大的社会效益及经济效益。随着计算机技术的不断发展，它 已逐渐成为进行系统分析与设计、新产品的开发、新理论的检验等研究时必不可少的研 究工具和研究手段。 随着市场竞争的曰趋激烈及人们对产品性能要求的口益提高，在研制和开发新产晶 时，优先采用先进的开发工具显得越来越重要了。因为开发工具的先进与否在一定程度 上决定了产品的开发模式与开发周期和费用。而在激烈的竞争中，人们竞相采用了计算 机辅助1 二程( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r , 简称为c a e ) 技术来提高产品的设计和制造质 量，缩短产品的开发周期，降低产品的开发费用。而仿真技术是c a e 技术的重要组成 部分，它可以使工程技术人员在产品开发过程中对创建的模型反复进行修改和评价，直 至得到一个令人满意的结果”9 口“。 此外，由于计算机仿真的自身特点，使其与实验方法相比，还具有以下优点： 1 由于仿真条件的固定，系统无干扰，仿真过程具有再现性； 2 可重复进行多次试验，而不会增加试验成本； 3 便于修改系统结构，进而比较各种设计方案的性能差异； 4 极限状态下的测试是非破坏性的、无风险的，因而试验费用少： 5 缩短试验时间，降低试验费用； 第二章系统关键元件的仿真 6 缩短时间的开发周期； 7 可以进行在实际中不可能或不易进行的实验，如我们町以在不同的容积下通过 仿真对系统的特性进行研究； 8 试验重复性好。计算机仿真可以通过设计者单独改变系统中的某一个参数，来 研究该参数对于整个培养物系统性能的影响。而在实际的实验中，对于既定的操作者、 系统或元件，只改变其中的某一个参数是办不到的。 概括起来，在深海微生物培养系统的开发研究过程中，可应用仿真技术来实现下述 功能： 1 仿真是研究深海微生物培养系统特性的有效手段 通过系统的仿真，列以重复多次进行试验，在数学模型中修改各项参数，进而比较 各种设计方案的性能差异。通过仿真结果的分析与实验结果的对比，得到系统酌一些难 以观测的重要变量的相应数据。如压力流量等。这些变量虽然叫以通过其它手段来获得， 但在简单易行及精确度上不及仿真的效果。 2 ， 实现系统的最优设计 采用仿真技术对深海微生物培养系统进行动态模拟，有助于使设计人员在系统的研 究和开发阶段，就能够预测系统的性能，及早地发现问题并予以尽早修正，进而通过不 断的修正设计方案来达到最优化设计的效果，以获得系统的最佳参数和合理的系统方 案。 3 为培养系统的设计提供研究工具 应用仿真技术可以对培养系统的性能进行预测，从而方便而快捷地预算控制策略对 系统性能的影响，进而检验控制策略的可行性与正确性。 4 模拟培养系统在备种条件下的响应 应用仿真技术可以方便地建立或修改系统参数，模拟系统动态响应过程及系统的整 体性能；并且还可以获得实际测试中不易得到的系统在极限工况、紧急工况条件下的响 应。 综上所述，仿真技术由于其自身具有的诸多优点，而使其在深海微生物培养系统的 开发过程中起着重要的指导作用。所以在对深海微生物培养系统进行实验前，首先采用 计算机仿真技术，通过建立深海微生物培养系统各个部件的数学模型及系统的模型，对 培养系统的性能进行仿真实验验证。 第二章系统关键元件的仿真 2 2 仿真系统的组成 在一个仿真系统刨建之前，需要明确咀下仿真的任务及建模需要遵循的原则。 2 2 1 计算机仿真的任务 由前一章可知，深海微生物培养系统的主要作用为：为从深海获得的沉积物提供培 养试验的平台，根据实验需要的不同，营造不同的培养环境，实现对深海沉积物的进 步研究。 在培养过程中，培养系统动态响应的快速性以及在采样时的压力波动对沉积物的培 养有着较大的影响。由此可知，仿真的任务是： 1 建立深海微生物培养系统各重要元件的数学模型，对各重要元件对系统特性的 影响进行研究； 2 建立深海微生物培养系统流动体系的数学模型，在此基础上对系统的特性进行 研究。 3 对系统的运行过程进行仿真，并通过试验验证得到一些有益的结论，为进步 完善系统打下基础。 通过建立培养系统流动体系的数学模型，对系统进行仿真分析来实现下述功能： 1 当培养系统压力迅速变化时，讨论反应釜内的压力变化特性，并根据特性曲线 作进一步研究，对设计进行优化。 2 当应用培养系统进行沉积物的培养后，对沉积物进行取样时的压力特征曲线进 行研究。 2 2 2 建模的原则 为使仿真的结果是被实际证实是真实可靠的，即其结果是可信的，仿真所遵循的基 本原则是：性能相似和环境相似【1 9 | 一嘲。 数学模型是对实际物理系统的特性与变化规律的一种定量抽象，它保持了实际的物 理系统变化的动态特征，以使其能够与实际的物理系统的动态过程相似。也就是说，从 实际的物理系统出发而刨建的数学模型是以保持原实物变化的动态特征为前提条件的。 在这里，我们考虑用物理建模的方法，也就是根据实际系统工作的物理过程的机理，在 某种假定条件下，按照相应的理论( 如质量守恒、能量守恒定律、运动学、动力学、热 力学、流体力学的基本原理等) ，写出代表其物理过程的方程，结合其边界条件与初始 1 4 第二章系统关键元件的仿真 条件，再采用适当的数学处理方法，来得到能够正确反映对象动静态特性的数学模型。 2 2 3 仿真系统的结构关系 根据仿真的任务和建模的原则，确定深海微生物培养系统有下面三个模型组成，即 超高压微量泵模型、高温高压培养釜模型、比例压力阀模型，其相互关系如图2 - 1 所示。 图2 一l 深海培养系统特性仿真系统结构例 2 3 超高压微量泵仿真模型 深海微生物培养系统流动体系的主要技术指标为：最高压力6 0 m p a ，泵的工作流量 范围00 1 0 0 9 m l ，m n 1 压力控制精度+ 2 f s 在本套系统中，超高压微量泵是影响培养系统试验精度的一个重要元件。在此我们 试图通过建立超高压微量泵的数学模型，对其工作特性进行仿真，确定其随压力及流量 等因素变化时容积效率的变化，仿真的研究结果可以对这一类超高压微量泵的设计起到 一定的指导作用，并可对深海微生物培养装置进行校正。 2 。3 1 超高压微量泵的工况要求 在培养系统中超高压微量泵的指标为： 作温度：0 4 0 0 。0 ；最大工作压力： 6 0 m p a ：p h 值范围：1 5 9 5 ：流量：o 0 0 1 9 9 9 9 m l m i n 。 系统要求泵长期处在超高压，小流量的工作状态。并要求泵的流量恒定以正确的使 用该套设备，并对结果进行分析。 由于泵的流量很小，且要求精度高，流量要求可控，所以泵的动力选定由步进电机 提供，泵属于电动往复泵。由于本泵的流量极小，故结构尺寸也较小，而活塞尺寸不宜 过小，因为尺寸过小，密封件将难以布置，故选用柱塞泵。 而在泵的运转过程中，需要流量实现从接近o 到1 0 0 的范围内进行无极调节； 并且要求对所输送的液体能够计量，且能满足一定的计量精度的要求，因此我们选用的 泵为柱塞式计量泵。 泵的总体结构如图2 2 所示。图中主要零件有，2 ，7 为前后外泵体，3 为填料环， 6 为内泵体，8 为自重球阀，1 0 为管接口，1 1 为导向套，1 2 为回程弹簧，1 3 为柱塞杆， 1 5 第二章系统关键元件的仿真 1 4 为端盖。 固2 2泵的结构围 在本套装置中，超高压微量泵是一个重要的部件，它在本套系统中所起到的主要作 用是： 1 增加介质能量的主要部件。在深海微生物培养系统流动体系中，正是通过超高 压微量泵实现了介质能量的增加，从而使高温高压反应釜在调定的压力下工作。 2 计量作用。在培养系统中，超高压微量泵自带的流量计数为实验中流量的计量 提供了平台。 2 3 2 往复泵的特点瞳3 h 驯 往复泵属于容积式泵，即它是借助工作腔里的容积周期性变化来达到输送液体的目 的的：原动机的机械能经泵直接转化为输送液体的压力能；泵的流量只取决于工作腔容 积变化值及其在单位时间内的变化次数( 频率) ，而( 在理论上) 与排除压力无关。 往复泵与其它类型容积式泵的区别，仅在于它实现工作腔容积变化的方式和结构特 点上：往复泵是借助于活塞( 柱塞) 在柱塞腔内的往复运动( 或通过隔膜、波纹馆等挠 性元件在工作腔内的周期性弹性变形) 来使工作腔容积产生周期性变化的。在结构上， 往复泵的工作腔是借助密封装置与外界隔开，通过泵阀( 吸入阀和排除阀) 与管路沟通 或闭合。 往复泵这一实现工作容积变化的方式和结构特点，构成了这类类型泵性能参数和总 体结构的一系列特点。这些特点也正是在深海微生物培养系统中选用往复泵的主要原 因： 1 瞬时流量是脉动的 第二章系统关键元件的仿真 2 平均流量( 即泵的流量) 是恒定的 泵的流量只取决于工作腔容积的变化值及其频率，雨( 在理论上) 与排除压力无关， 且与输送介质( 液体) 的温度粘度等物理、化学性质无关( 实际上，由于介质性质和排 出压力的不同，密封或泵阀处的泄漏量也有所不同，因此也可以说有一点关系) 。当泵 的每分钟往返次数一定时，泵的流量也是恒定的。 往复泵这一特点也正是作为计量泵选型的基础。 由于受柱塞密封技术以及泵阀、液缸体等设计技术及材料强度等多方面的限制，往 复泵的工作腔容积一般不宜太大( 特别是高压时) ，工作腔数目不宜太多，每分钟往复 次数也不宜太高。因此，泵的流量也就不可能很大，可以实现小流量高压力的要求。 3 泵的压力取决于管路特性 不淦泵装置的管路有多大的水力阻力，原则上泵都可以按其主要结构参数所决定的 恒定流量予以捧出。在理论上可认为往复泵的排出压力将不受任何限制，既可根据泵装 置的管路特性，建立泵的任何所需的排出压力。 4 对输送的介质( 液体) 有较强的适应性 往复泵原则上可以输送任何介质，几乎不受介质的物理性能或化学性能的限制。当 然，在实际应用中，有时也会遇到不能适应的情况。但是，当遇到这种情况时，多半是 因为液力端的材料和制造工艺以及密封技术已是不能解决的缘故。其它类型泵就不能做 到这一点，正是这一点，使得我们在此选用往复泵做为输送研究介质的部件。 5 良好的自吸性能 由上述往复泵的主要特点可以看出往复泵的主要适用范围。即往复泵主要适用于高 压( 或超高压) 、小流量，要求泵的流量恒定或定量( 计量) 或成比例的输送各种不同的 介质( 液体) ，或者要求吸入性能好或者要求有自吸性能的场合。 而正是这些特点，使得我们在设计、研究这套模拟海底极端环境培养系统时选择了 往复泵。 2 3 3 研究超高压微量泵容积效率的意义 由本节第一部分可知往复泵有着广泛的应用及独特的优点。但是在本套装置中，超 高压微量泵( 以下简称为微量泵) 并不是自行设计的，而是购买的美国v a m i n 产品， 那么在此对微量泵的特性进行研究有什么意义昵? 在本课题中对超高压微量泵特性的研究主要在于它的容积效率，而研究往复泵的容 第二二章系统关键元件的仿真 积效率的意义在于： 1 在培养系统中，微量泵的流量是一个重要的参数。它与各个培养釜的输入流量 有直接关系，而使用者根据培养釜内样品的容积按比饲掭加营养物质。在此对泵的容积 效率进行进一步的研究后，可以对泵的标称流量作进步的校正，使得试验结果更加理 想。 2 微小流量泵的广泛应用。微小流量泵广泛应用于液相色谱分析仪，高温高压流 动系统等现代分析仪器和装置，微小流量泵的广泛应用使得我们有必要对泵的特性作进 一步的研究，对泵的实际输出流量及标称输出流量作进一步的比较。 3在极端环境模拟平台，色谱分析仪等应用中，需要有较高流量压力特性的微流 量高压泵，但初步理论分析表明，微流量柱塞泵在超高压条件下其流量特性与系统参数 及工作参数密切相关，与其理论流量有较大差别。在某些应用中，如生物反应釜等需要 高精度的流量设置，高压泵的流量是一个重要的参数，在这些应用中，泵特性需要研究。 4 微量泵与液压中普遍应用的液压泵不同。泵的容积效率可以表示为有两个部分 组成。 巩。研叩。 式中：n 厂_ 泄漏效率；q s u c _ 一吸入效率； 在应用于液压系统的各种泵中，泵的容积效率的研究偏重于对泄漏效率，为一种工 程化指标：而微量泵的容积效率的研究偏重于吸入效率，因为微量泵的加工工艺较高， 所以基本没有泄漏现象。在这种情况下，吸入效率不可忽略。 微量泵的应用场合一般是分析仪器及高精度装置( 如本套装置) ，并且一般为提供 流量指示的唯一依据。因此，需要知道系统准确流量与指示流量的关系。 5 超高压微量泵与液压泵的应用环境不同。首先，在培养系统中，泵工作在超高 压状态下：其次，在培养系统中，要求泵的输出流量较小：最后，与普通泵相比，工作 介质不同。 因此，对超高压微量泵的容积效率进行研究是十分必要的。 2 3 。4 泵的容积效率相关理论陉沪阻力 泵的流量与理论流量之比称为容积效率： 仉= 詈小筹小觇 第二章系统关键元件的仿真 单作用泵： q ，= a s n z 双作用泵：q = a s n z ( 1 + k ) 式中 r l 一容积效率； q 一泵的流量； q 一泵的理沦流量 a r l 。一泵的容积损失率。 爿一柱塞( 或是活塞) 的截面积； a ：三d 2( d 一柱塞或活塞直径) 4 s 一行程长度； n 一曲轴转速( 或是柱塞的每分钟往复次数) ； z 一联数( 柱塞或活塞数) ； k 一系数 i f = l - 鲁= l 一( 台2 ( a r - - 活塞杆截面积：口一活塞杆直径；) 设曲轴旋转一圈，每个工作腔实际排出的液体体积为v ( 无活塞杆侧) 和v ”( 有 活塞杆侧) ，则每个损失的容积为： a v = 蚝1 一v ( 无活塞杆侧) a v ”= k ”一v ” ( 有活塞杆侧) 式中a v 一无活塞杆侧的容积损失； a v ”一有活塞杆侧的容积损失； k 一无活塞杆侧工作腔的行程容积； 蚝”一有活塞杆侧工作腔的行程容积： 矿一无活塞杆侧工作腔在曲轴旋转一圈时实际排出的液体体积； 矿”一有活塞杆侧工作腔在曲轴旋转一圈时实际排出的液体体积。 所以，流量也表示为： q = n z ( v + v ”) = q n z ( a v + a v ”) 第二章系统关键元件的仿真 容积效率也可表示为 设 州一黼 ：1 一a v + a v 略( 1 + 足) 式中：a t 。一无活塞杆侧丁作腔的容积损失率 则 仉”一有活塞杆侧工作腔的容积损失率。 觇= 警 纠一掣 由以上的推导可以看出，如果能求出每个工作腔的a r 。，即可求