（生物医学工程专业论文）高温高压深海极端环境模拟装置及其控制策略研究.pdf

浙江大学博士学位论文 论文的创新主要体现在以下几个方面： 1 、提出了梯度变分迭代自学习控制算法，提高了压力控制系统控制精度。 2 、设计了适合于极端环境检测要求的钛压力传感器，利用多维线性插值的 标定方法提高了检测精度。 3 、设计了面向仪器系统的软件体系模型，提高了软件的开发效率与可靠性。 关键词：s m i t h 预估器压力传感器梯度变分迭代自学习仪器软件体系模型 2 浙江大学博士学位论文 t h ed i s c o v e r yo fh y d r o t h e r m a ls y s t c r ai ns e a f l o o ri so fg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h e r e s e a r c ho ng e o l o g y , g e o c h e m i s t r ya n dl i f c s c i e n c e e t c e s p e c i a l l y ，d u r i n gt h e r e s e a r c ho nb i o m i n e r a l i z a t i o np r o c e s sa n dt h eo r i g i no fl i r e m a n yn e wp h e n o m e n a w e r ed i s c o v e r e d t h o s ed i s c o v e r i e sh a v eb e c o m eg r e a tc h a l l e n g e st oc o n v e n t i o n a l t h e o r i e s h o w e v e r ，d u et ot h ep a r t i c u l a r i t yo fe x t r e m ee n v i r o n m e n ti ns e a f l o o r , i tw a s d i f f i c u l tt oo b s e r v ea n di n v e s t i g a t eh y d r o t h e r m a ls y s t e mo nt h es p o t t h e r e f o r e ，t o m e e tt h ed e m a n do fc a r r y i n go u tr e l a t i v ee x p e r i m e n t so nl a n d ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt o e s t a b l i s ha l le x t r e m ee n v i r o n m e n ts i m u l a t i o ns y s t e mi nl a b t h ei n v e s t i g a t i o no n h y d r o t h e r m a li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt a s ki no c c a ne x p l o r a t i o n ，a n dh a sg o tr a p i d p r o g r e s si nm a n ya s p e c t s i no r d e rt og od e e pi n t ot h er e s e a r c ho nt h ep r e c i o u s s a m p l e st a k e nf r o me x t r e m ee n v i r o n m e n t 。r e l a t i v ee q u i p m e n ti si n d i s p e n s a b l et h e n t h ed e v e l o p m e n to fs i m u l a t i n gi n s t r u m e n t si si n e v i t a b l e a tp r e s e n t ，t h ei n s t r u m e n t sm a d ei nc h i n ac a n n o tm e e tt h es p e c i a ld e m a n do f e x t r e m ee n v i r o n m e n tr e s e a r c h ，a n da d v a n c e ds i m i l a ri n s t r u m e n ti nt h ew o r l da l s o h a v em a n yd e f e c t s t h e r e f o r e ，n e ws i m u l a t i n gt e c h n i q u e sa n di n s t m m e n t sn e e dt ob e d e v e l o p e dt om e e tt h ed e m a n d so fs c i e n t i t i cr e s e a r c h t h i sp a p e rw a sa i mt om e e tt h e p a r t i c u l a rd e m a n do fe x t r e m ee n v i r o n m e n tr e s e a r c h ，a n dc a r r i e do u tr e s e a r c hi n a s p e c t sa sf o l l o w i n g ： 1 r e s e a r c ho ne x t r e m ee n v i r o n m e n ts i m u l a t i n gs y s t e md e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t a r o u n ds u b m a r i n eh y d r o t h e r m a li sa ne x t r e m ee n v i r o n m e n tw i t hc h a r a c t e r i s t i e sa s h i g t it e m p e r a t u r ea n dhj i g hp r e s s u r e ，h i g hc o r r o s i o na n de a s yc o n t a m i n a t i o n i nt h i s p a p e rw ed e v e l o p e dah i g i i t e m p e r a t u r ea n dh i g h p r e s s u r er e s i s t a n tr e a c t i o nk e t t l e ， w h i c hw a sm a d eo ft i t a n i u mf o ri t sb i n f r i e n d l yn a t u r ea n do p t i m a lc o r r o s i o nr e s i s t a n t a b i l i t y t h em e c h a n i c a lp a r ta sw e l la st e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ec o n t r o le i r c u i to ft h e s i m u l a t i n gs y s t e ma l s ow a sd e v e l o p e dt oe s t a b l i s he x t r e m ee n v i r o n m e n ts i m u l a t i n g i n s t r u m e n t sh a r d w a r ep l a t f o r i l l 2 r e s e a r c ho nt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 s u c c e s s f u lt e m p e r a t u r ec o n t r o la s s u r e sf o r s u c c c s s f u le x p e r i m e n t s l a p s u si nt e m p e r a t u r ec o n t r o lw i l lr e s u l ti nd e v i a t i o ne v e n m i s l e a d i n gc o n d u c ti nr e s e a r c h h e r e ，w eb u i l tat e m p e r a t u r es y s t e mm o d e l ，a n d a n a l y z e dt h eb i gl a gl i n ke x i s t e di nt h es y s t e mw h i c ha f f e c t e do v e r s h o o ti nc l a s s i c c o n t r o lp o l i c y a ss m i t hp r e d i c t o rh a so b v i o u sa d v a n c ei ne l i m i n a t i n gt h en e g a t i v e i n f l u e n c eo fl a gl i n k , w ea d a p t e dt w ol a y e r so fc l o s e d l o o ps m i t hp r e d i c t o rt oa d j u s t t h en e g a t i v ei n f l u e n c eo ft w ob i gl a gl i n ki nt h em o d e l f i n a l l y , w ec o n t r o lt h e t e m p e r a t u r es y s t e mp r e c i s e l y 3 r e s e a r c ho n h i g h p r e c i s i o np r e s s u r e d e t e c t i o na n d p r e s s u r e c o n t r 0 1 h i g h - p r e c i s i o np r e s s u r ed e t e c t i o ni sa ni m p o r t a n tt e c h n i q u et og u a r a n t e et h eo c e a n e x p l o r eg o i n g o nw e l l w h e ni n h i g ht e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t ，o r d i n a r y s i l i c o n p r e s s u r es e n s o rw o u l di n t e n s i f yt h el e a k a g eb e t w e e ns t r a i nr e s i s t a n c ea n d s i l i c o nw a f e r , w h i c hc a u s e dt h es e n s o rd e s t r o y e dt h e n ，c a n n o tw o r k i nt h i sp a p e r , w e d e s i g n e dat i t a n i u mp r e s s u r es e n s o rt h a tw o r k sw e l le v e ni ne x t r e m ee n v i r o n m e n t t h er e l i a b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h ee x p e r i m e n tr e s u l ti sd e p e n d e do nt h ec o n t r o l p r e c i s i o no fp r e s s u r e i nt h i sp a p e r , w ea l s ob u i l tap r e s s u r es y s t e mm o d e l ，a n d 3 浙江大学博士学位论文 a n a l y z e dt h en o n l i n e a rl i n ke x i s t e di nt h em o d e l t h eg r a d i e n t - v a r i a t i n gi t e r a t i o n l e a r n i n gc o n t r o la l g o r i t h mw a sd e s i g n e d ，w h i c hc o u l db eu s e di nn o n l i n e a rs y s t e m s c o n f o r m e dt oc e r t a i np a r a d i g m t h i sa l g o r i t h e ah a ds u c c e s s f u l l yc o n t r o l l e dt h e p r e s s u r es y s t e mr a p i d l y , s t e a d i l ya n dp r e c i s e l y 4 r e s e a r c ho ni n s t r u m e n t o r i e n t e ds o f t w a r ef r a m e w o r km o d e l t h i ss o f t w a r ei s o b v i o u sd i f f e r e n tt oc u s t o ms o f t w a r e s ，b e c a u s eo fi t sh i g hd e m a n d si nr e a l t i m e r e a c t i o na n dh i g h r e l i a b i l i t y , a n dl o w d e m a n d si nr e s o u r c ee f f i c i e n c y i nt h i sp a p e hw e i m p o r t e dt h ei d e at od i v i d et h es y s t e mi n t om o d u l e sa n dl a y e r ss t r u c t u r e ，b u i l tt h e i n s t r u m e n t o r i e n t e ds o f t w a r ef r a m e w o r km o d e l a n di m p r o v e dt h er e l i a b i l i t ya n d f a c i l i t yo ft h en e ws y s t e ma n dt h ec o d er e u s ee f f i c i e n c y m a i ni n n o v a t i o n sa sf o l l o w s ： 1 d e v e l o p e dt h eg r a d i e n t - v a r i a t i o n i t e r a t i o nl e a r n i n gc o n t r o la l g o r i t h mt oi m p r o v et h e c o n t r o lp r e c i s i o no ft h ep r e s s u r es y s t e m 2 d e s i g n e dat i t a n i u mp r e s s u r e s e n s o r a p p l i e dt o e x t r e m ee n v k o n m e n la n d e n h a n c e dt h ed e t e c t i o np r e c i s i o nb ym u l t i p l el i n e a ri n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m 3 d e s i g n e dt h ei n s t r u m e n t - o r i e n t e ds o f t w a r ef r a m e w o r km o d e lt oi m p o v et h e e f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo fs o f t w a r ed e v e l o p i n g k e y w o r d s ：s m i t hp r e d i c t o r ；, p r e s s u r es e n s o r ；g r a d i e n t - v a t i a t i n gi t e r a t i o nl e a r n i n g c o n t r o la l g o r i t h m ；i n s t r u m e n t o r i e n t e ds o f t w a r ef r a m e w o r km o d e l 4 浙江大学博士学位论文 第一章综述 1 。1 引言 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，其中很大一部分涉及深海底微生物研究。 极端环境中微生物的发现是上个世纪末最重大的科学发现之一。自7 0 年代 起，一些国家的海洋调查就先后在大西洋中脊、太平洋海隆和印度洋中脊等几十 处海域发现了海底热液活动，此后许多国家相继开展海底热液的探测 1 2 模拟极端环境研究意义 1 2 1 深海极端环境研究意义 1 9 7 7 年，美国深潜器“阿尔文”号在东太平洋海隆( 北纬2 l 。左右) 进行海 底热泉考察，首次意外地发现，在水深2 5 0 0 2 7 0 0 米海底的现代热液喷溢口周围 存在许多长柱状、短柱状的“黑烟囱”，并发现大量的能氧化硫的细菌，其生物 量可达1 0 6 个毫升，并在海底形成厚厚的丝状细菌垫1 1 卅。研究发现，这些生物并 不依赖光合作用，它们生存完全依靠化学自养菌的初级生产力。在黑烟囱喷出的 热液硫化物种含有大量硫化氢，这些细菌就是以硫化氢为能量，从二氧化碳中合 成有机化合物【7 棚。由于化能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，一些科学家据此推论地球上的生命可能起源于与热液口状况相 似的环境条件之下伊加】。从热液口的环境特征来看，它们与地球表面生物圈进化 初期( 前寒武纪早期) 的海洋环境类似，一些生物学家现在认为地球上最早的生 物体就是迸行化能合成作用的，所以，这些隐藏在大海深处的热流孔就理所当然 地成了研究生命起源的最好的实验室。 由于这些深海微生物面临高温、高压和低营养水平极端环境，这些菌种具有 嗜热、耐压( 或嗜压) 、抗毒等一系列特点【1 1 i ，更加增强了国际学术界对深海微 生物分子生物学和基因工程学研究的兴趣。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 环和其他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l m ”j 。 热液系统研究已经成为我国海洋研究领域的重大课题，“大洋一号”远洋科 5 浙江大学博士学位论文 学考察船在2 0 0 5 年4 月进行首次环球考察任务，瞄准四大目标：一是获取三大洋 目标区海底热液口附近的硫化物、岩石、沉积物以及生物和其他实物样品：二是 初步考察某些海底区域内的热液硫化物的资源分布状况：三是推动大洋科学研究 的发展：通过地质、化学、生物等多学科交叉手段，获取热液喷口的矿物成分、 流体化学性质及生物组成等相关一手资料，从而更好地认识热液形成的地质过程 及热液喷口矿物、化学及生物相互之间的作用机制等，特别是通过对深海热液喷 口附近极端环境生物的调查研究，有望寻找到新的生物基因资源；四是带动相关 海洋技术装备的发展。所有的研究目标都是紧紧围绕热液系统这一研究主题。经 过近一年的航行，科考人员对西、中太平洋海山区的富钴结壳、三大洋中脊上几 个关键热液活动区的海底硫化物系统及其周边极端生命现象的考察均有新的发 现，并首次依靠自己的力量取得了大量宝贵的资料和样品，取得的突破性成果更 是被评为2 0 0 6 年度国内十大科技进展之一i m 垌。 海洋热液系统研究在生命起源、海底化学成矿机理等重大科学问题上具有重 要意义，是当前海洋领域的研究热点。 1 2 2 模拟极端环境的研究意义 现代海底热液系统的发现对地质学、地球化学和生命科学等一系列学科具有 重大的意义，并引起了科学家们浓厚的兴趣，相关的研究产生了许多新的发现并 对传统的理论进行了挑战。然而由于其处于深海极端环境这一特殊性，使得科学 家很难身临其境进行观察与研究；在生物成矿作用、生命起源等科学问题的研究 过程中，仅有现场观察是不够的，而通过科考船取回的样本量十分有限，这些嗜 温或是嗜压的微生物又容易因为环境条件的改变而死亡，因此需要在实验室建立 海底极端环境的模拟系统进行实验来配合相关科学研究。在模拟极端环境下培养 深海微生物是对热液系统中各种稀缺的酶、微生物进行开发利用研究的首要前提 条件。 1 2 3 深海极端环境的特点 开展深海微生物培养的研究工作，除需要在保真状态下将深海底微生物采集 到船上来外，要做到在现场、防污染和受控( 可检测) 条件下开展对此类微生物的 分子生物地球化学研究，必须建立一套极端海底环境模拟和检测系统，从而使在 类似于深海极端环境下对深海微生物进行培养和检测成为可能。然而，建立这样 一套系统设备并非易事这主要是由极端环境的特殊性决定的。热液系统极端环 境的特殊性主要表现为1 1 7 - 2 0 1 ：一是高温高压，热液喷溢口温度达到4 0 0 。c 以上， 热液口分布在海底，深度可能超过6 0 0 0 米；二是热液腐蚀性强，热液中可能含有 强酸或是强碱性化学成分；三是热液周围生长有大量微生物、古生菌、特殊酶蛋 白等；四是热液系统一个流动体系，与周围环境有物质、能量交换。这些特性对 6 浙江大学博士学位论文 设备提出了以下要求：一是能仿真高温高压环境；二是耐腐蚀；三是设备材料必 须具有高生物亲和力，不具有生物毒性；四要能模拟流动体系；五要可靠稳定的 软件体系结构，由于极端环境模拟系统的培养釜是一个高温高压的容腔，对模拟 系统的稳定性提出了极高的要求，一旦软件失控，将会造成极为严重的事故，所 以对软件体系结构的可靠性要求很高。 1 3 国内外极端环境模拟技术现状 1 3 1 国内研究现状 应用高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子生物地 球化学研究领域的研究趋势，国内在此方面的研究起步较晚，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【2 ”，图1 1 a 所示是k f - 3 0 l r 型常压培养箱，可控制温度范 围为5 0 1 0 0 ，与高温高压特性要求相差甚远。目前国内流动高温高压设备( 图 1 1 b ) 和静止高温高压设备( 图1 1 c ) ，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，一般最高工作压力为3 0 m p a ，最高工 作温度为3 0 0 3 5 0 ，其性能指标还是不能满足极端环境的特殊要求，并且加 工材料未考虑耐腐蚀与生物毒性污染等性能，不适宜深海微生物培养。 图1 1 国内现有微生物培养装置与高温高压设备 1 3 2 国外研究现状 美i 雪s c 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釜，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 年又研制了全钛的高温高压反应釜，并于 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，但限于当时的技术条件，整套装置自动化程度较低瞄l 。 目前日本、法国已研制成功深海微生物培养与检测设备【- 2 s l ( 分别见图 7 浙江大学博士学位论文 1 2 a 、图1 2 b ) ，已有研究结果显示，这些设备不但能使从6 5 0 0 米水深的海底取 回微生物存活，还能保障其所需压力下顺利繁殖。但这些设备体型庞大、操作复 杂、开发成本昂贵，不适宜中小型研究机构开展深海极端环境模拟研究。 现在比较先进的深海极端环境模拟装置是美国m i n n e s o t a 大学地质地球物理 系研制的 2 6 1 ( 见图1 3 ) 。整个系统由可调压泵通过单向阀给反应釜施加压力，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0 1 m l 。而釜内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 ，但是压力波动大，这是由于节流阀采用步进电机 调节，普通闭环控制算法动态响应慢，存在严重的超调。 图1 2 日本、法国深海微生物培养装置图 图1 3 美国m i n n e s o t a 大学研制的深海微生物培养装置 1 4 现阶段模拟装置不足分析 现阶段国内装置不能满足深海极端环境的特性要求：一是不能满足枷高 温以及6 0 m p a 高压的要求；二是培养釜未作防腐蚀设计；三是部分加工材料具有 生物毒性，对微生物培养造成污染；四是不能满足流动体系的要求；五是未有针 对仪器系统可靠性要求严格的特性而开发的软件体系结构。 国外深海极端环境模拟装置基本满足模拟极端环境所需的性能指标，但其存 8 浙江大学博士学位论文 在控制性能差的缺点。由于压力控制系统是一个非线性系统，应用普通p i e ) 控制 算法可能导致超调过大、响应速度较慢，动态控制品质不理想。而要模拟极端环 境这样一个高压环境，培养釜必定需要一定的厚度才能满足强度要求，釜壁的加 厚给温度控制带来了极大地麻烦，这是因为热能传输过程是从外釜壁到内釜壁再 到釜内培养液，存在的较大的滞后环节，导致温度控制不精确，超调幅度大。并 且，由于知识产权的保护限制，其软件体系结构资料不公开。 1 5 深海极端环境模拟装置开发的必要性 海底热液的研究是目前国际深海研究最大的热点和焦点，我国海洋科考最主 要的任务就是海底热液及其周围特殊生命现象的研究。“大洋一号”环球科考带 回了极为珍贵的热液烟囱周边的硫化物样品，在2 0 0 7 年1 9 航次的第一阶段科学考 察过程中。又于西南印度洋脊上成功发现了新的海底热液活动区，并锁定了目标， 在极端环境研究领域已经取的了重大进展。所以，如何进一步开展研究，更好的 利用已有的科考成果，更有效的分析样品，是迫切需要解决的问题。而嗜温或是 嗜压的微生物无法在常温常压条件下存活，因此在实验室建立海底极端环境的模 拟系统是深入开展研究的必然方式，建立一套深海高温高压的模拟装置是深入科 学研究的迫切需求。 1 。6 课题提出 模拟装置的开发的困难是极端环境的特殊性所决定的，本论文针对不同实验 目的分别设计了多套极端环境的模拟装置，通过双闭环s m i t h 预估控制算法来消 除温控系统中存在的两级滞后环节设计了符合极端环境检测要求的特殊钛压力 传感器，提高了压力检测精度，提出一种针对某一类特定非线性系统的梯度变分 迭代自学习控制算法，提高了压力控制系统的动态响应品质。同时构建针对仪器 特性的软件体系结构模型，提高了软件复用率与可靠性，缩短了开发周期。将模 拟装置应用于生物培养与模拟化学成矿试验，取得了很好的成果。 本论文主要针对以下几个方面开展研究： 1 、构建极端环境模拟装置的系统研究 极端环境有其特殊型，所以模拟装置系统性能设计时要满足其要求。模拟装 置的原材料选材十分关键，钛金属材料因为高温下物理化学性能稳定、具有很高 的屈服强度与抗拉强度、可耐酸碱腐蚀、无生物毒性等优点成为极端环境模拟设 备的理想材料。通过将微流量泵将培养液注入微生物的培养釜中，培养釜模拟了 高温高压环境，由比例电磁溢流阀控制压力，这些部件组成了流动体系。温度、 压力检测信号由传感器检测得到，并通过精密检测电路传输到上位机，控制软件 根据控制算法计算结果来控制加温装置与比例电磁阀。 9 浙江大学博士学位论文 2 、温度控制策略研究 由于温度系统模型中存在滞后，使得被控量不能及时地反映系统所承受的扰 动，从而产生明显的超调，使得控制系统的稳定性变差，调节时间延长，对系统 的设计和控制增加了很大的困难。s m i t h 预估控制算法对时滞系统具有很好的控 制效果，它预先估计出系统在基本扰动下的动态特性，然后由预估器对时滞进行 补偿，力图使被延迟了的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而抵消 掉时滞特性所造成的影响。论文根据温度系统模型采用双闭环s m i t h 预估控制器， 研究s m i t h 预估控制对模拟装置滞后系统的控制品质影响。 3 、压力控制系统设计与高精度检测传感器开发研究 压力是垂直深度最好的表征量，垂直深度向来是海洋研究领域至关重要的参 数之一，生物资源的分布与垂直深度密切相关，深度精确测量是进行生命科学、 地球化学等研究及模拟试验前提条件，所以压力精确检测是进行科学探索的重要 保障技术之一。目前市场上使用的硅压力传感器主要是扩散硅压力传感器，当工 作温度超过1 2 0 ，应变电阻与衬底间漏电加剧，使传感器特性严重恶化以至失 效。论文设计一种可在高温高压环境下，耐酸碱腐蚀的高精度压力传感器。 压力系统主要由流量泵、反应釜、比例流量阀以及压力传感器组成，泵以恒 定的流量将培养液注入反应釜，比例流量阀通过调节开口面积控制流量，开口面 积的大小与阀上通过的电流成正比。流量与开口面积与反应釜的压力成正比。所 以构建的压力控制系统模型是一个非线性系统，论文分析了经典的控制算法对此 类系统控制存在的局限性。 4 、压力控制策略研究 建立的压力系统模型是非线性系统，使p i d 控制器的动态品质不太理想，如 超调过大或过渡时间偏长或响应速度较慢，经典的p i d 控制器必须对这些动态指 标作适当折衷，于是就大大延长了优化进程，迭代学习控制是智能控制中具有严 格数学描述的一个分支，它实现了在给定的时闻区间上被控对象以高精度跟踪给 定的期望轨迹这样一个复杂的问题，它的研究对有着非线性、强耦合、难以建模 以及高精度轨迹控制要求的场合有着重要的意义。本论文提出针对一类非线性系 统的改进迭代自学习控制，提出梯度变分迭代自学习控制算法，并应用于压力系 统模型，以期提高系统的压力控制性能。 5 、面向仪器系统的软件体系模型研究 仪器软件系统有其突出的特点：一是功能专一，使用目标明确，注重稳定性； 二是调度算法简洁，涉及的资源有限：三是对实时响应要求较高。论文开发了新 型仪器软件体系结构，采用模块化、结构化思想，将软件体系分层，并制定接口 标准，以期提高了软件的复用率与系统的可靠性。 浙江大学博士学位论文 6 、软件设计研究 在仪器系统的软件体系模型基础上，开发了模拟装置的软件系统。软件系统 的功能设计是实现对硬件参数的设置、状态的精确控制，以及实验数据的精确采 样、保存、显示、传输等功能。系统可以划分为五大模块，分别为底层通讯模块、 算法模块、数据存储模块，界面显示模块、网络传输模块，每个模块都独立的完 成特定功能，并向其它模块提供接口。底层通讯模块实现了硬件与软件的数据沟 通桥梁，它直接与硬件接口采集数据，并执行硬件操作指令：数据算法模块接收 用户设定的参数，并迭代到控制算法中，实现硬件的精确控制，并将底层通讯模 块的数据上传到上层模块或进行出错处理；数据存储模块接收有效的实验数据， 并保存，以便将来查询、分析；界面显示模块接受以曲线中显示实验过程中采集 的数据，用户可以根据曲线判断实验进程是否顺利，分析实验的发展趋势：网络 传输模块与数据存储模块接口，它能将实验数据通过互联网发送到链接用户，提 高数据的共享性与开放性。 1 1 浙江大学博士学位论文 第二章极端环境模拟装置系统研制 2 1 引言 针对极端环境的四大特点以及其对模拟设备提出的五点要求，分析了国内外 高温高压设备的优缺点，提出了解决方案，并在此基础上，建立了一套由计算机 闭环控制的包括高温高压反应釜和液路系统装景等设备的高温高压模拟平台系 统，实现模拟深海生物生长的各种不同环境并进行控制，可用于生物基因工程的 研究与开发。 2 2 方案设计需求与要点 2 2 1 极端环境特点与设备要求 热液系统极端环境的特殊性主要表现为： l 、高温高压环境，热液喷溢口周围最高温度达到4 0 0 以上，并且热液口分 布在海底，最大深度可能在6 0 0 0 米以上，此时压力可达6 0 m p a ； 2 、热液腐蚀性强，热液中可能含有强酸或是强碱性化学成分； 3 、热液周围生长有大量微生物、古生菌、特殊抗癌酶等： 4 、热液系统一个流动体系，与周围环境有物质、能量交换。 极端环境的特殊性对设备提出了以下要求： 1 、能仿真高温高压环境： 2 、耐腐蚀，特别是高温高压环境下不与热液产生化学反应： 3 、设备材料必须具有高生物亲和力，不具有生物毒性； 4 、能模拟流动体系； 5 、具有稳定可靠的软件体系结构； 2 2 2 材料选择方案 极端环境要求设备具有耐腐蚀、无生物毒性、在高温条件下可承受高压等性 能，所以原材料的选择至关重要。综合各方面性能，钛会属材料具有以下几个优 势1 2 7 1 ：高温下物理化学性能稳定，可耐高温；经实验检测其具有很高的屈服强 度与抗拉强度，可耐高压；化学性能十分稳定，可耐酸碱腐蚀；具有生物惰性， 无生物毒性，对检测环境无污染；该材料完全能满足极端环境恶劣环境的苛刻要 求，是极端环境模拟设备的理想加工原材料。 浙江大学博士学位论文 2 2 3 耐高温高压反应釜( 培养釜) 设计方案 高压釜( 培养釜) 是该“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”的重要部件，除耐腐蚀之外，保证安全( 不爆裂) 是获得精确测试数据的 关键。根据美国a s m e 锅炉的压力容器规范和我国g b l 5 m 1 9 9 8 钢制压力容 器标准及其它相关标准，进行以下计算： t a 2 的机械性能1 2 8 - 2 9 1 见表2 1 。 表2 1t a 2 室温机械性能( 不小于) 实验温抗拉强度o -屈服限om 2伸长率收缩率计算结果 度 k g m 2 k g m 1 2 o v 爆破压力爆破安全系数 室温室温 n ；n 二 3 5 03 02 2 53 2 4 0 2 4 7 2 i5 63 7 5 0 02 51 82 0 2 5 14 63 1 设计的高压釜的尺寸为：釜长l = 3 6 0 咖。外径d = 7 5 m ，内径d = 3 5 m m ，工作 压力p = - 5 5 m p a 最大设计压力p = 6 9 m p a ，工作温度t = 3 5 0 2 2 ，最高设计温度 t = 4 0 0 c ，直径比：k - 拿：2 1 4 。 1 、3 5 0 c 条件，按“l ( 福贝尔) 公式计算结果如下： a 、内壁当量压力 条件：工作压力：p = 5 5m p a 设计压力p a = 1 1 p = - 6 0 5 嬷a ；( 1 1 为增加压力保数) b 、内壁屈服压力( 以) ； p ，= s t 0 2 衅1 ) 压k 2 = 2 2 5 x 0 7 8 2 1 7 3 2 = i 0 1 5 9m p a c 、内壁全屈服压力( ) ： p f = = 2 3s 缸i n k = 1 1 5 5 x 2 2 5 x o 7 6 = 1 9 7 5 1m p a d 、爆破压力： p ：= 2 压s 如( 2 - s 如s b ) i n k = 1 1 5 5 x 2 2 5 x ( 2 - 2 2 5 3 0 ) x 0 7 6 = 2 4 6 8 8k l p a e 、爆破安全系数： n ；= 鬻= 2 4 6 8 s ，6 0 5 = 4 o s 2 、5 0 0 1 2 时，计算结果如下： 内壁屈服压力p t = 8 1 3 1 l l p a 内壁全屈服压力p ：= 1 5 8 0m p a 浙江大学博士学位论文 爆破压力 p ：= 2 0 2 2 m p a 安全系数 n ：= 3 3 4 以上计算结果表明，3 5 0 c 或5 0 0 所获得的安全系数均大于3 ，说明高压 釜使用时是安全的。 2 2 4 升温装置设计方案 系统采用电阻炉作为升温控制的热能来源，采用n i - c r 电阻丝为发热体，为 了尽可能缩短电阻炉加热与釜壁升温之问存在时问滞后，选择将电阻丝的加热线 圈围绕在反应釜( 培养釜) 的外釜壁上。加热线圈外部套上保温石棉，既可以提高 加热效率，减低能量损耗，又可以提高安全性，避免高温与漏电，不锈钢壳组成 外炉体。系统降温则是依靠环境自然冷却。 2 2 5 流动体系设计方案 流动体系可以通过机械设计来实现，它由微量流体泵、反应釜、比例压力阀、 截止阀和管路等循环流动系统组成。微量流体泵提供可设置的压力和流量的液体 ( 样品) ，通过管路输送到反应釜并由各类控制阀按要求进行控制。 2 2 6 数据采集与控制电路设计方案 2 2 6 1 温度采集与控制方案设计 当炉温发生变化后，温度传感器k 型铠装热电偶的热电势发生变化，产生一 个毫伏级的电势差，它经过高精度a d 转换芯片输出一个数字信号量，高精度数据 采集系统实时查询这个数字信号量，得到当前反应釜( 培养釜) 的温度值。温度控 制算法模块根据设置的目标温度与当前温度计算当前控制输出量，此控制输出量 经过d a 转换芯片后转化为模拟量，送到可控硅移相触发器。移相触发器输出移相 触发脉冲，该脉冲加到可控硅控制极将使可控硅的导通角改变，从而控制电阻炉 上加载的电压幅值，实现了温度的自动控制。 图2 1 温度采集与控制方案示意图 2 2 6 2 压力采集与控制方案设计 压力传感器在反应釜中受压引起应变片形变，导致电阻变化，输出的桥压会 随之产生变化，变化的检测信号量进行a d 转换后变为数字信号由高精度数据采集 1 4 浙江大学博士学位论文 系统接收。根据检测数据，压力控制算法模块计算当前的压力值，并与设置的压 力相比较，经过计算输出控制信号，数字量控制信号经过d a 转化后输出到比例 电磁阀，控制阀门的开启与关闭。 压力控制 高精度 1 卜数据采集 厂1 与 算法模快 垂堕垂垂丑_ 匪互至亘匿医h 比例电磁阀控制模快 图2 2 压力采集与控制方案示意图 压力检测是进行科学研究的重要技术保障之一，而当前的硅压阻传感器及高 精度c t d 剖面仪都不能满足极端环境的检测需求，本文开发了一种可在高温高压 环境下，耐酸碱腐蚀的高精度压力传感器。其采用组合式结构，以工业纯钛作为 传感器加工材料，钛金属物理化学性能稳定，可耐高温，耐腐蚀，屈服强度高， 可耐高压，并且不具有生物毒性：传感器采用多维标定方法，补偿温度变化引起 的漂移误差，提高了检测精度。 2 2 7 温度控制策略方案 高温是极端环境的重要特征之一，极端环境中存在的特殊微生物对温度的变 化十分敏感，所以要求在实验室模拟研究过程中温度控制精确度高、无明显超调， 否则无法保证实验结果的准确性。从以上的升温装置设计方案可以看出，热量传 递从电阻炉到反应釜，再从反应釜到培养液存在两级滞后，经典p i d 控制方法对 于滞后系统存在明显的超调，而这是实验研究所不允许。 s m i t h 预估控制算法对时滞系统具有很好的控制效果，它预先估计出系统在 基本扰动下的动态特性，然后由预估器对时滞进行补偿，力图使被延迟了的被调 量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而抵消掉时滞特性所造成的影响。但 其对控制系统的数学模型精确性依赖性强，所以本论文通过构建系统模型，分析 系统中存在的滞后环节，并采用s m i t h 预估控制器对其进行补偿。但由于建立的 模型与系统必定不能完全吻合，存在一定的误差，将会对s m i t h 预估控制补偿效 果产生影响，论文通过在s m i t h 预估控制器上增加p i 闭环调节，以调节模型引入 的系统误差。由于系统模型中存在两级滞后，所以要通过引入两级s m i t h 预估控 制算法来消除滞后引起的不利控制影响，提高控制精度。 2 2 8 压力控制策略方案 高压是极端环境的另一个重要特征。压力是垂直深度最好的表征量，垂直深 度向来是海洋研究领域至关重要的参数之一，生物资源的分布与垂直深度密切相 关，所以深度精确控制是进行生命科学、地球化学等研究及模拟试验的前提条件。 论文通过压力控制系统数学建模，分析压力控制策略。从建立的系统模型可知， 浙江大学博士学位论文 压力系统是一个非线性模型，非线性使线性p i d 控制器的动态品质不太理想，如 超调过大或过渡时问偏长或响应速度较慢，经典的p i d 控制器必须对这些动态指 标作适当折衷，于是就大大延长了优化进程。 迭代自学习控制算法2 0 世纪8 0 年代提出的高级控制算法，它基于前次迭代的 输出动态信息和事先给定的目标轨线，修正控制输入，以使被控系统的输出能高 精度跟踪理想轨线，它可以适用于复杂系统模型，也能取的较好的控制精度，但 稳定时间较长。 通过模型分析，论文针对这一类的非线性系统提出了梯度变分迭代自学习控 制算法，不仅提高了控制精度，并大幅度缩短了系统稳定时间。 2 2 9 软件设计方案 模拟极端环境必须实现高温高压技术，而在反应釜借养釜) 中的反应溶液( 培 养液) 一般处于超临界状态，如果装置失控，喷出的气化