（机械电子工程专业论文）高温高压模拟平台控制技术研究.pdf

浙江大学顶士学位论文 摘要 论文根据目前国内外深海微生物培养的现状，建立了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高温高压模拟平台，可以模拟深海微生物生长 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。作者从总体方案论证， 液压系统设计，电控器系统设计、控制策略研究、软件设计等角度论述了高温高压模拟 平台系统的设计过程，着重分析研究了反应釜温度控制策略，并将研究成果应t 【_ i j 到了国 家“8 6 3 ”项目“高温高压传感器检测校正平台控制系统研制”、国际海底区域研究开发“十 五”课题“模拟深海极端环境的船载微生物培养装置”以及中国科学院仪器研制项目“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”三个项目的开发工作中。 现场实验表明，所研制的高温高压模拟s f 台达到并超过了设计要求，是目前在深海微生 物培养领域国内外性能指标领先的一套微生物培养系统。 全文分为七章。 第一章阐述了研究意义以及目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簧的总体方案，以及高温高压模拟平台系统目前 已有研究基础及成果，着重介绍了温度控制技术的研究现状。 第二章介绍了高温高压模拟平台系统总体方案设计，指出该系统与同类高温高压系 统相比存在的优缺点；同时论述了串、并联多釜反应装置的设计和检测与控制系统的硬 件设计。 第三、四、五章对高温高压模拟平台反应釜温度控制系统作了具体的分析和研究， 提出了系统详细的数学模型，在此基础上研究t p i d 控制算法的温度控制策略，针对传 统p i d 控制存在的不足设计了双s m i t h 预估控制方案。实验及仿真证明，双s m i t h 预估控 制器可以大幅度地提高系统的动态响应和稳态精度，使高温高压模拟平台温度控制系统 达到了精度要求。 第六章介绍了面向对象的实时控制软件设计。 第七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。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do ns t u d i e sa b o u tc u r r e n t d e v e l o p m e n t o f c u l t u r i n gd e e p s e a m i c r o b e s ，ah 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 ep l a t f o r mi n c l u d i n g r e a c t o ra n dc i r c u l a rf l o w a p p a r a t u s i s d e s i g n e d w h i c hw a sc l o s e l o o p c o n t r o l l e d b yc o m p u t e r i t c a ns i m u l a t ea n dc o n t r o lt h em i c r o b e s a m i b e n t s 。a n du s e d t o d e v e t o p a n d s t u d y f o r b i o g e n e t i ce n g i n e e r i n g a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so fd e e p s e am i c m b e s ，s u c ha sw i t h s t a n d i n gh o t p r e s s u r ea n dp o i s o n t h em e t h o do fc o n c e p td e s i g n ，h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m d e s i g n ，e l e c t r o n i cc o n t r o l l e rd e s i g n 。c o n t r o ls t r a t e g y a n dc o n t r o l a l g o r i t h m r e s e a r c hi si n t r o d u c e d e x p e r i m e n t sa n d d i g i t a ls i m u l a t i o np r o v e d t h a ts i m u l a t e p l a t f o r m w a ss u c c e s s f u la n dh a dr e a c h e dt h er e q u i r e m e n t s t h es i m u l a t e p l a t f o r mi so n e o ft h em o s ta d v a n c e ds y s t e m si nt h ea r e ao fc u l t u r i n gm i c r o b e s i nt h ec o u n t r ya n da b r o a d t h et h e s i si n c l u d e ss e v e nc h a p t e r s c h a p t e r1 i 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 g m i c r o b e s f r o m c o u n t 吖t o a b o a r d s e v e r a l d e e p - s e a m i c r o b e s c u l t u r i n g e q u i p m e n t s a r e a 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 f h i g h - t e m p e r a t u r e a n d h i g h - p r e s s u r e s i m u l a t e p l a t f o r m i si n t r o d u c e da n d t e m p e r a t u r e c o n t r o lt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e ds p e c i a l l y i nc h a p t e r2 ，t h ed e s i g nm e t h o do fs i m u l a t ep l a t f o r mi si n t r o d u c e d t h e m e r i t sa n dd e m e r i t so ft h ep l a t f o r m c o m p a r i n gw i t ho t h e rl i k es y s t e ma r e d i s c u s s e d a tt h es a m e t i m e ，t h ed e s i g no fs e r i e s - p a r a l l e lm u l t i s t a g er e a c t o r s a n dt h eh a r d w a r ed e s i g no fo b s e n ，a t i o ns y s t e ma r ei n t r o d u c e d i n c h a p t e r3 、4a n d5 ，t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo fr e a c t o ri n s i m u l a t ep l a t f o r mi sc a r e f u l l ys t u d i e d ，a n di t sm e t h e m a t i c a n a l y s i si sa n a l y s e d ap i db a s e dc o n t r o l l e ri s d e s i g n e db a s e do nt h e m e t h e m a t i cm o d e l ，t h e d o u b l es m 1 h p r e d i c t e ri sd e s i g n e da g a i n s tt h es h o d a g eo ft r a d i t i o n a lp i d 2 浙江大学硕士学位论文 c o n t r o l l e r e x p e r i m e n t s a n dd i g i t a ls i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ed o u b l es m i t h p r e d i c t e rh a sg r e a t l yi m p r o v e dt h ef r e q u e n tr e s p o n s e a n dc o n t r o lp r e c i s s i o n i nc h a p t e r6 ，a no o pm e t h o do ft h er e a lt i m ec o n t r o ls o f t w a r ed e s i g nd i i n t r o d u c e i n c h a p t e r7 ，t h er e s e a r c hw o r ka n dm a i nc o n t r i b u t i o na r es u m m a r i z e d ， a n da p r o s p e c ta b o u t f u r t h e rs t u d i e si sg i v e n 3 浙江大学硕士学位论文 1 1 项目提出的背景 第一章综述 随着人口的增加和丁业的发展，人均耕地面积正在逐渐缩小。全世界都在关心地球 如何养活人类的问题，其着眼点不能只局限于进一步发展陆地上的农牧业，也要积极开 发利用广阔的海洋。海洋中蕴藏着丰富的生物资源，不仅可以建立海上农牧场进行海水 养殖，而且还有许多有待于我们去开发的新用途，比如：微细藻类町防止温室效应； 利用微生物可以净化石油污染；可以开发生物无机晶体；提炼能吸收紫外线的物质等等。 但是，8 0 年代后期人们才开始把海洋生物作为生物工程的研究对象。海洋中栖息着许多 我们还不知道的有用生物，它们具有宝贵的研究价值。但是要从无边的海洋中找到有用 的生物并非易事，需要寻找有效的办法。特别是深海，至今还是未被开发的处女地，那 里的生物种类繁多，且性能各异，有许多至今还未为人所知”。 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 米深处中央海底热液 图1 - 1 深海里的黑烟囱 口环境中发现大量的能氧化硫的细菌，其生物 量可达1 6 6 个m l ，并在海底形成厚厚的丝状细 菌垫( 可达3 c m 厚) ，俗称“黑烟囱”“( 见幽卜1 ) 。 这些细菌与一些蠕虫和双壳类动物一起共生，一 构成了海底特殊的生物群落。海底除了热液生 态群外，也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。 研究发现，这些生物并不依赖光合作用，它们 生存完全依靠化学白养菌的初级生产力。在黑 烟囱喷出的热液硫化物中含有大量硫化氨。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。化学自养茹是构成维持那 些基本上坐吃的底栖无脊椎物种的食物链的最基本成分。因此有科学家认为，最早的 海洋食物链就是以化能合成为基础的“( 见图卜2 ) 。从热液口和冷泉t l 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进行化合作用的”i 。因此，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。 4 浙江大学硕士学位论文 除生活在热液u 和冷泉i j 附近的特异微生物群落外，在广袤的深海海底还生活着其 它不同类型的微生物群落。由于这些深海微生物面l i b - m - 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”1 ， 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。 图l - 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”1 。同时，深海中还存在巨大的石油和镍、 锶、钴等稀有金属矿藏，从深海细菌、矿物和鱼类中能提炼出对付人类疾病的奇特的新 药物”，正如美国加利福尼亚海洋研究中心的罗伯逊说：“深海发现对人类带来的利益要 比那些耗资庞大的太空计划实惠得多。“”因此，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 研究的追切性越益显著。由于开采深海生物基因资源无需像开采矿物资源那样大规模的 采集，只需采集特殊的生物样品，提取其基因序列，就会带来巨大的经济效益。比如生 长在黑烟囱周围的适热菌将对具有高温、高压、极端酸碱度的工业过程的产业具有重要 意义。它们的酶可用于废物处理、食品加工、制药、油井周围环境保护、造纸等产业。 我们在制药过程中需要一种酶，这种酶的生长环境必须是5 0 摄氏度，为了保持这个温 度，我们只好使用大量的冷却水。但是如果我们利用适热菌把这种酶的生存温度提高到 6 0 摄氏度，虽然只有1 0 度之差，但是工业成本将大大降低。因此，如某一国在这方面的 浙江人学硕士学位论文 技术成熟，就川能抓住目前国际法律和规则规章很不健全或尚未建立的机会而自行丌 发，除获得巨大的经济利益和科技成果外，还可咀独霸这一领域里的知识产权。因此， 欧美等许多国家分别将深部生物罔列为自然科学的重中之藿，其中很大一部分涉及深海 底微生物的研究”“1 。 对于研究海底热液活动( 见图卜3 ) 及其成矿环境由于潜水调查船的潜航次数有限 每次取回的样本量也有限因此对于如何培养深海微生物的方法，除实地观察及测量外， 图1 3 深海热液口 还必须建立一套模拟实验装置，以便更细致的研 究全过程的地球化学行为及其机理，才能更科 学、更理性认识客观现象，从而发现许多以前由 于压力改善而死亡的各种新微生物，可以大大丰 富研究对象。 然而，开展深海微生物培养的研究工作并非 易事。除需要在保真状态下将深海微生物采集到 船上外，还要做到在现场、防污染和受控( 町检 测) 条件下开展对此类微生物的分子生物地球化 学研究，因此必须建立一套模拟极端海底环境现 场的高温高压模拟平台系统，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。中国大洋矿产 资源研究开发协会的国际海底区域研究开发“十 五”课题“模拟深海极端环境的船载微生物培养装置”，即研究旨在结合高温高压技术 和现有微生物培养技术，研制模拟深海极端环境的船载微生物培养装置一套，用于模拟 深海微生物所处各种不同的极端环境，完成深海生物基因资源的培养和扩增过程，研究 极端微生物的生长过程及其诸环境因素间的相互关系为深海微生物极端酶和其它活性 物质的1 丌发利用及生物地球化学研究提供条件。 6 浙江大学硕士学位论文 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，很大程度上取决 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予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。图卜4 是k f 一3 0 l 型常压培养 箱，可控制温度范围为5 0 1 0 04 c ，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。 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“”( 见图卜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_ i = j 及矿 图l - 4k f _ 3 0 l 微生物培养箱 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。 图1 - 5 静态高温高压地球化学 图1 - 6 流动高温高压地球化学 研究设备研究设备 目前只有日( 见图卜7 ) 、美( 见图卜8 ) 、法( 见图1 - 9 ) 等国研究成功了深海微生 物培养和检测设备“”“。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。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 浙江大学硕士学位论文 海环境勘探计划，与口木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。 图1 - 7日本实验室用微生物培养系统 图1 8 美国船载并联式反应装置 图i - 9 法国实验室用微生物培养装置 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 开展的应用高温( 或低温) 高压设备( 见图i - 1 0 ) 对深海微生物地球化学的实验研究的 设备“”： 浙江大学硕士学位论文 可 调 压 泵 步 进 电 机 l u 图1 - 。i ? 。鼍! n n e 。s o t ，a 三：差鋈掌箩生 图卜1 1图卜l o 压力控制结构草图 物地球化学实验研究设备 ”一 整个系统( 见图卜1 1 ) 工作原理：由可调压泵通过单向阀给反应釜施加压力，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 压力波动在1 f s 以上。 其优点是：设备研制方案比较简单，可采朋现成的商业化控制闯技术，易实现微流 量的控制，精度可以小于0 1 m i 。 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。 表格1 1 本课题与国内外现有技术比较 国内国外 本项目 温度范围 1 5 0 - 5 0 2 5 0 室温3 5 0 最高压力o 5 m p a4 5 m ) a6 0 m p a 反应系统封闭、无流动开放、流动或封闭开放、流动或封闭 反应釜材料不锈钢合金，p e e k 纯钛 压力流量控制方式不控步进电机带动调压电控比例阀 阀 自动控制方式 计算机自动采样计算机自动控制计算机自动控制 9 浙江大学硕l 学位论文 1 3 温度控制技术研究现状 在与本论文相关的几个项目中，由于生物化学反应对温度较敏感，对温度有较高的 要求，但是温度系统中存在大时滞、干扰等复杂情况，常规的商业化温度控制器所提供 的开关控制、p i d 控制等方法难以满足要求“”。针对系统中的温度控制特性，下面介绍 几种与本沦文相关的温度控制算法：p i d 、s m i t h 预估和其它智能控制算法。 p i d 控制 p i d 控制即比例、积分、微分控制。自1 9 世纪4 0 年代开始以来，广泛应用在工业 生产中。长期以来，由于其结构简单、实用、价格低，在广泛的过程领域内可以实现满 意的控制”1 。温控系统将热电偶实时采集的温度值与设定值比较，差值作为p i d 功能块 的输入。p i d 算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数，利用修改控 制变量误差的方法实现闭环控制，使控制过程连续，是很普通的调节方法。其缺点是对 存在非线性环节( 如大时滞) 的系统控制效果不佳，参数整定比较复杂”“。 s m i t h 预估控制 s m i t h 预估器是得到广泛应用的时滞系统的控制方法。该方法的基本思路是：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，从而抵消大时滞特性所造成的影响：减 小超调量，提高系统的稳定性、加速调节过程，提高系统的快速性“”。s m i t h 预估器的 原理如图卜1 0 所示。 r ( s )y ( s ) 图卜1 0s m i t h 预估控制原理图 即在常规的控制器g c ( j ) 并联一个时滞预估器从丽构成了s m i t h 预估控制器。当 1 0 浙江大学硕士学位论文 预估模型完全准确时，该系统闭环特征方程为l + g c 0 ) g p ( 5 ) = 0 ，其中，g 。0 ) 是控制 器的传递函数，g 。( 5 ) 是对象的传递函数。可见，s m i t h 预估控制系统最大的优点足将 时滞环节移到了闭环之外，使控制品质大大提高；但是，其最大的缺点就是太过依赖精 确的数学模型，当估计模型和实际对象有误差时，控制品质会显著恶化，乃至发散，而 且对于外部扰动也非常敏感，鲁棒性较差。“。所以，一般的s m i t h 预估控制系统必须和 其它的控制算法相结合才能在实际中得到真正的应用。 智能控制算法 随着智能控制理论和技术的飞速发展，许多学者将模糊控制和神经网络控制技术应 用于大时滞控制系统当中“”。模糊控制的优点是不需要被控对象的精确数学模型，而且 具有很强的鲁棒性，因而非常适合于不确定性系统。神经网络控制则具有自学习和自适 应以及很强的非线性表述能力，对于不确定的非线性时变系统非常适用。专家系统为解 决复杂的不确定性对象的控制提供了另外条有效途径，它以控制专家的经验和知识弥 补了对象数学模型的缺陷。 但是智能控制方法也有其不足的一面。虽然能克服s m i t h 预估器的缺陷，但它们本 身也并不是完美的。“。模糊控制的显著缺点是控制精度不高、自适应能力有限、存在稳 态误差、可能引起振荡。神经网络控制的缺点是学习和训练比较费时、对训练集的要求 也很高。专家控制则过度依赖专家的经验，缺乏自学习能力，控制精度不高，而且同样存 在稳态误差。鉴于上述原因，智能控制方法经常相互融合或者和s m i t h 预估器以及自适 应控制相结合这也正是大时滞系统控制方法目前的研究方向。 总之，其主要缺点是对系统分析及参数整定还没有完善的工程方法，对控制精度的 分析不能达到定量分析，算法复杂，与s m i t h 预估和p 1 d 等算法相比，对特定控制系统 存在的问题针对性不强。 浙江大学硕士学位论文 1 4 研究任务 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高温 高压模拟甲台，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t 程 的开发与研究。 毕业论文的主要研究任务是： 1 研究高温高压模拟平台系统构建方案及设汁 模拟不同的深海极端环境，压力、温度和流速均司调，并能添加生物营养成分或在 不卸压的情况下将采样筒内的水样注入培养釜，实现采样一培养一研究全程保真。主要 参数指标：最高压力为：6 0 m p a ，温度范围为：室温3 5 0 c ，模拟培养罐一次能满足6 个样品的同时培养，单个样品量不低于5 0 m l 。 在完成上述指标的基础上，研究并联式反应装置和串联式反应装置的设计，实现串 并联培养。 2 研究高温高压模拟平台中反应釜温度控制模型 对整个反应釜受热过程进行理论分析，建立起整个温度控制系统的数学模型，分析 系统的动态特性和静态特性，为进一步进行精确的温度控制打下基础。 3 研究高温高压模拟平台的反应釜高精度温度控制算法 实现对温度的精确稳定控制，采用先进闭环控制策略，并且全工作范围内连续可调， 温度控制范围：3 5 0 c ，控制精度为士1 ，具有上下限报警功能。 4 研究控制软件算法及实现 实现对温度、压力、流量的远程控制，具备便捷的将压力、流量、温度、p h 四参 数输入、修改的功能，并能通过数字滤波的方法消除内部和外部的干扰，增强上位机的 抗干扰能力。 5 在系统设计研究的基础上完成三个项目，国家8 6 3 计划项目“高温高压传感器 检测校正平台控制系统研制”( 项目编号：2 0 0 1 a a 6 1 0 2 0 2 2 ) ，实现对不同研制阶段中的 深海探测装置一传感器进行性能检测和校正。以及国际海底区域研究开发“十五”课题 “模拟深海极端环境的船载微生物培养装置”( 项目编号：d y l 0 5 - 0 3 一o 卜1 6 ) 和中国科 学院仪器研制项目“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”， 为我国深海及热液口微生物研究提供急需的研究平台。 2 浙江人学硕士学位论文 1 5 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。我国足人口大 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 工作。由于_ 丌发深海生物基因资源是一项高科技、高风险、高投入的系统： 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 于在模拟极端海底环境条件下对深海微生物进行的培养。高温高压模拟平台装置探索建 立一套实验室和科考船两用的技术，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“t 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 究对蒙和研究手段。 高温高压模拟平台装置的研制成功，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因研究方面赶超国际水平提供了 设备保障，同时也将极大地推动我国高温( 低温) 高压研究发展，开辟利用高温高压设 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( 血【i 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。 浙江人学硕士学位论文 2 1 引言 第二章高温高压模拟平台系统设计 技术路线及方案 针对深海微生物具有的嗜冷( 或嗜热) 、耐压( 或嗜压) 、抗毒等一系列特点，分析 研究了国外高温高压设备的优缺点，在此基础上，建立了一套由训算机闭环控制的包括 高温高压反应釜和循环培养装置等设各的高温高压模拟平台系统，可以模拟深海微生物 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。 2 2 高温高压模拟平台系统设计方案 前面已经分析了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高温( 或低温) 高 压设备对深海微生物地球化学的实验研究的设备，这套设备虽然能满足模拟深海微生物 培养的要求，但是由于该系统采用步进电机来控制阀内的压力，因此难以实现闭环控制， 动态响应慢，系统存在比较严重的超调，可靠性比较低；同时调压泵价格昂贵，且不能 实现反向吸合：另外，该方案因为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。”。高温高压模拟平台就是在这套设备的基础上经过改进而实现的。 高温高压模拟平台主要用来研究特殊深海微生物在极端环境下的生长情况。模拟不 同的深海极端环境，实现压力、温度和流速均可调，并能添加生物营养成分或在不卸压 的情况下将采样筒内的水样注入培养釜，实现采样一培养一研究全程保真。它的结构组 成原理如图2 - 1 所示：主要由检测与控制系统和循环培养系统两大部分组成。检测与控 制系统主要完成温度、压力、流量和p l 值四个参数的检测以及对温度、压力的在线闭 环控制。循环培养系统主要完成样品的培养和采样。 检测与控制系统：计算机通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 总线及a d 、d 卡与微量水泵、p h 计、压力传感器、温度传感器相连，可以检测泵的参数( 流量、压力) 、釜的参数( p h 值、压力、温度) ，并相应的控制压力阀和温控仪的工作参数。釜内的压力由压力传感 器检测后经放大器放大并输入计算机进行处理，再输出相应的控制信号控制比例压力 1 4 浙江大学硕： 学位论文 阀，实现压力在整个控制范围内的实时闭环控制。而温度则由温控器进行设定并根据温 度传感器按其反馈信号通过加热线圈实现自动闭环控制。 l u 图 1 商蛊旺模衅阼涿目瀚圈 循环培养系统：由微量水泵、反应釜、各类控制阀以及水容器、连接管路等组成。 泵的流量可以根据需要在输出流量范围内无级可调，截止阀的开或关根据台架功能需要 进行切换。当需要注入新的水样时，可以把采样筒连到水箱上或直接通过三通管连接到 系统管路上。微量水泵提供一定可调的压力和流量的液体( 样品) ，通过管路输送到反 应釜并有各类控制阀按要求进行控制。控制阀主要有比例压力阀和截止阀两类，前者的 作_ l ； 】是根据计算机控制信号自动控制液体的压力，后者则由手动切换按系统功能要求实 现相应的流动方向。 浙江大学硕士学位论文 高温高压模拟甲台的工作状态是开放式的，微量泵一直工作，不断的输出流量。比 例溢流阀始终溢流，使釜内的流量模拟深海水的流速。同时要添加一些养料的成分h j ， 只要将成分加入水箱内并有水泵输送到培养釜里。需要样品检测时可以从溢流阀出口处 获取样本。当需要将采样简内的水样注入培养釜嘲，只要将相关的截止阀开或关，就可 以使新鲜的水样在保压保温状态下注入培养釜。但必须先将管路中的压力和温度调整到 与采样俺内的水压和温度相同的值”。 2 3 多釜高温高压模拟平台系统方案设计 为了实现对同一原始样品在不同环境条件之下反应的结果进行采样和研究以及对 单一原始样品经过不同环境条件反应之后( 或反应中间) 的结果进行采样和研究，设计 了并联式和串联式两种反应装置，为深海微生物的培养研究提供更有利的条件。其具体 设计方案如下： 2 3 1 并联式反应装置 并联式反应装置( 躅2 - 3 ) 是对同一原始样品在不同环境条件之下反应的结果进行 采样和研究。在几个并联的反应釜内模拟不同的深海极端环境( 温、压、p h 、凼体反应 物、溶液化学等) ，压力、温度、和溶液中化学、p h 、氧化还原条件等均可调，并能添 加生物营养成分或在不卸压的情况下将采样筒内的水样注入培养釜，实现采样一培养一 研究全程保真。 6 浙江大学硕士学位论文 深 海 水 采 样 筒 翻2 2 并联式反应装置 并联式反应装置主要有微量水泵、培养釜、比例压力阀、节流阀、截止阀、水箱和 管路等循环流动系统组成。泵的流量可以根据需要在输入流量范围内无级可调，截止阀 的开或关根据台架功能需要进行切换。当需要注入新的水样时，可以把采样筒连到水箱 上或直接通过三通管接头连到系统管路上。培养釜中装有压力传感器、温度传感器及p h 值检测装置，可以构成温度和压力实时闭环控制系统和p h 值实时监测系统。 培养釜中的压力或温度由计算机根据实验需要设定并由传感器检测反馈，得到误差 信号后由比例压力阀或温控装置完成闭环控制；溶液中化学、p h 、氧化还原条件通过专 门的加气加压装置进行调节，并由截止阀控制。备个比例溢流阀控制反应釜中的压力， 各个节流阀控制相应反应釜内的微小流量。 并联式反应装置的工作状态是：首先由微量泵将样品较大流量的输送至各个反应 釜，然后对各个反应釜进行加气或加压，此时微量泵只起保0 0 0 0 0 压作用，流量很小， 比例溢流阁控制釜内的压力，并用于取样。如果需要添加一些养料等成分，可以由加气 加液装置完成。需要样品检测时可以加大泵的流量，从溢流阀出口获取样本。当需要将 采样筒内的水样注入培养釜时，只要将相关的截止阀开或关，就可以使新鲜的水样在保 压保温状态下注入培养釜。但必须先将管路中的压力和温度调整到与采样简内的压力和 温度相同的值。 浙江大学碗上学位论文 2 3 2 串联式反应装置 串联式反应装置( 图2 - 4 ) 主要是对单一原始样品经过不同环境条件反应之后( 或 反应中间) 的结果进行采样和研究。模拟不同的深海极端环境( 温、压、i 】h 、固体反应 物、溶液化学) ，进行对比实验。压力、温度和溶液中化学、p l 、氧化还原反应等条件 均可调，且在多个釜内可以分别取样。 深 海 水 采 样 筒 图2 - 3 串联式反应装置 由微量水泵、多个培养釜、多个比例减压阀、多个节流阀、多个截止阀、水箱和管 路等循环流动系统组成。培养釜中也都装有压力传感器、温度传感器及p h 值检测装置， 可以构成多个釜温度和压力实时闭环控制系统及p h 值实时监测系统。备培养釜中可以 单独加气加液，并可以根据实际需要在釜的底部放置一些不同的海底固体物，以造成不 同的环境。 串联式反应装置的工作状态与并联式的相似，只是样品的流向是串联式的，一次性 流经不同的环境条件，并可以在中间或最后提取样品进行研究。 浙江大学硕士学位论文 2 3 3 加气加液装置 加气加压裟置( 图2 5 ) 主要有微量输泵、加气釜、加液釜以及气源和液源组成。 通过各个截止阎的控制由微量水泵将需要的气或液以一定的压力和流量送至反应釜。 图2 4 加气加液装置 9 浙江大学硕士学位论文 2 4 检测与控制系统设计 l 单 。爿片 i 机 工 i 业 控 l 数 制 i 据 计 剖采 算 l 集 机 l 卡 l 徽 剖盈 图2 5 检测与控制予系统结构简图 由计算桃通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 总线及a d 、d a 卡与微量水泵、p h 计、压力传感器、 温度传感器相连，可以检测泵的参数( 流量、压力) 、釜的参数( p h 值、压力、温度) ， 并相应的控制压力阔和温控仪的工作参数。 釜内的压力由压力传感器检测后经放大器放大并输入司。算机进行处理，再输出相应 的控制信号控制比例压力阀，实现压力在接个控制范围内的实时闭环控制。 温度由工控机进行设定并根据温度传感器按其反馈信号通过加热线罔实现自动闭 环控制。 2 0 浙江大学硕士学位论文 2 4 1 温度控制系统设计 在高温高压模拟平台的控制系统中，温控控制的成功与否直接影响到整个实验的成 败，如果温度控制失误，可能会对科学研究产生偏差，甚至产生误导，为将来深海微生 物的开发和利用带来严重的不良后果。为了将温度严格控制在微生物培养的要求范围 内，除了采用先进的控制算法外，温度控制器硬件的选择也是非常重要的。 2 ，4 1 1 温度控制硬件选择方案 电加热的功率控制方法大致可分为3 种：最初采用的是移网式调压器或感应调压器， 通过改变其输出电压来进行功率控制。这种方法比较简单，缺点是需要耗费大量钢材， 笨重，有移动部件，w 靠性不高，只能进行间断控制，控制精度不高；5 0 6 0 年代开始 采用磁饱和电抗器，通过改变控制绕组电流改变电抗器感抗，进而改变输出电压实现其 功率控制，磁饱和电抗器与变压器相连接称之为磁性调压器。这种方法没有移动部件， 司靠性比较高，可进行连续控制，控制比较灵活。但是控制特性不好，尤其是功率因数 比较低，这是它的主要缺点；随着电予技术的飞速发展，6 0 年代可控硅( s c r ) 功率控制 元件问世后，国内外电加热功率控制均逐渐采用可控硅取代笨重的调压器和磁饱和电抗 器。它具有节省钢材、节能，占地面积小，控制灵活，控制特性好和操作维护方便等特 点。 可控硅功率控制单元，按触发方式可分为移相式触发( 即可控硅调压器) 和过零触发 ( 即可控硅调功器) 两种类型。1 ，初期采用的主要是移相式触发的可控硅调压器，输出连 续的局部正弦被，功率调节平滑，对电加热元件无冲击，但是与磁饱和电抗器一样功率 因数比较低，且对电网波形有较严重干扰，为解决这一突出的技术问题，后来又研制开 发出过零触发的可控硅调功器，在规定的控制周期内通过改变通断比来实现功率控制， 输入通断控制，它的突出优点是功率因数高，且对电网波形无干扰，但是对电加热元件 有一定冲击，且将造成电网电压波动，这是它的缺点。人们可根据需要来进行调压器或 调功器的选用。 可控硅功率控制单元按负载性质来划分，可分为纯电阻负载( 如电热丝直接与可控 硅输出相连接) 和变压器电感、电阻性负载( 如变压器一侧直接与可控硅输出相连接， 需要低电压大电流的硅钼棒或硅碳棒等发热元件接在变压器副边) ，对于纯电阻性负载， 2 l 浙江大学硕士学位论文 无论是两相或三相的可控硅调压器和调功器，在技术上国内外都是比较成熟的，使用中 一般也不会出现什么问题。 在电路设计的实际工作中，可控硅的选择也是一个非常重要的一环，参数选的合理， 不仅经济而且可靠：反之，就可能因余量太大而造成浪费，或是余量不足使元件损坏而 造成损失。 选定可控硅参数时必须留有一定余量，这是常识，但也有个如何掌握的问题。由手 册或合格证提供的数据，都是在规定条件下测定的，而实际工作中，往往和规定的条件 不一样，而且可能出现实际工作要求超过可控硅工作能力的现象。为了保证可控硅不因 电流过大而烧毁，并考虑到发热情况与电流的有效值有关，按一般经验估算，应该便额 定电流的有效值等于电路中实际通过的最大平均电流有效值的1 5 2 倍。为使可控硅 在安全电压下工作，应该按额定电压等于实际工作电压最大值2 3 倍的数值选择元件。 为了提高测量精度，减少测量误差，必须正确的选用温度传感器。集成温度传感器 虽然体积小、寿命长、使用方便、价格低线性好，但其测温范围窄，只可测量1 8 0 。c 以 下的温度。1 。而热敏电阻的非线性严重，稳定性差，不可用于精确测量，主要用于电路 温度补偿和保护。铂材料的热电阻虽然有很好的稳定性和测量精度，测温范围宽，但是 价格高。铜材料的热电阻测温范围窄，而热电偶测量范围宽，一般为一5 0 + 1 6 0 0 ， 最高的可达2 8 0 0 ，并且有较好的精度”1 。另外，热电偶已标准化，产品系列化，易于 选用，因此我们选用热电偶作为温度传感器。系统中选用的悬k 型铠装热电偶，并且带 有温度补偿插头。 温度控制系统中选用的是厦门安东生产的p i d 温度控制器( 见附录2 ) ，它通过采用 模块化结构及e m i 抑制等多种技术提高了产品的抗干扰能力及整体性能；它采用当今最 先进的a t m e l 单片微机作为主机，减少了外围部件，提高了可靠性。它集多种输入型号、 输出方式、控制方式于一体；采用p i d 控制方式进行控制，可使控制过程具有响应快、 超调小、稳态精度高的优点，对温度控制具有良好的控制效果。 硬件采用w a t c i t d o g 电路，软件采用冗余与陷阱等抗干扰技术，仪表具有很高的可 靠性，可工作于恶劣的设定值或测量值与输出值。具有手动自动无扰动自整定功能， 具有上电软起动功能。该温度控制器广泛应用于化工、陶瓷、轻工、冶金、石化、热处 理等温度、流量、压力、液位等的自动控制系统。它采用r s - 4 8 5 作为串行通信的协议 并具有网络功能。r s 一4 8 5 采用平衡发送接收方式，具有传输距离长、抗干扰能力强和多 站能力的优点，一次只需一个r s 一4 8 5 串行口就可以与一个温控器网络相连。 2 2 浙江大学硕士学位论文 该温控器硬件由五大模块组成：输入放大模块、电源模块、单片机模块、键盘显 示模块和驱动通讯模块。输入放大模块有四路输入信号，内部有一标准电压，用来修 正a d 转换器的灵敏度。外部有三通道测量输入；标准信号、热电偶输入。a d 为电压 频率转换器，最高频率为3 0 k h z 。经补偿后，v f 变换器具有良好的稳定度和线性度。 为提高抗干扰能力，模拟电路的电源用独立变压器绕组，与数字电路之间采用光电隔离， 由单片机分时切换输入通道并采集各通道的脉冲数作为输入信号。利用近似查表法，线 性化后的温度信号和给定温度信号相比较，进行p i d 控制运算。面板上的l e d 显示温度 及各种参数，同时监视控制过程的工作状态，还可通过键盘检查修改，输入温度曲线等。 对设定参数采用断电保护措施，使断电后再次上电时其全部参数不会丢失。 可控硅触发器为j k h c 1 移相触发器，它采用高性能开关电源，具有多种控制输入 规格，输入输出光电隔离。既可以与各种自动化仪表配套使用，也可直接作为o - 2 2 0 v 、 o - 3 8 0 v 5 0 0 v 调压器使用。自动控制时对仪表无干扰，广泛应用于负载要求连续平滑调 节，控制精度要求较高或不允许大电流冲击的控制系统。可靠的过流保护使得主回路可 控硅损坏不会导致控制器损坏。 2 4 1 2 温度控制系统工作原理 整个温度控制系统的组成包括以下三部分( 见图2 - 6 ) ： ( 1 ) 测量元件镍铬一镍硅铠装热电偶，分度号为k ： ( 2 ) 广义被控对象由电加热炉及可控硅调压器组成 ( 3 ) 控制装置采用p i d 温度控制器 浙江大学硕士学位论文 当炉温发生变化后，检测元