（计算机应用技术专业论文）发酵过程智能监控技术研究与实现.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 发酵是通过微生物的生长培养和化学变化，产生和积累特定的代谢产物的反 f 、t 过程。为了生产或实验的目的，现代工业、农业、医药、食品等领域需要进行 ，：岛 的发酵过程，而为了达到特定的目的，往往要对这些过程进行严格的监控。 刈 珂挚过程的监控往往具体化到对特定参数( 如温度、p h 值、氧含量、c 0 2 含 t ：) 的临视和控制，这些参数和反应累计时间之问以及不同参数之间一般呈现 比重它谚袈的关系，这也正是对发酵过程进行监控的难点之处。传统的方法主要是 引订r1 ：半手工的方式，根据个人经验进行控制，精度较低、效果较差。随着 “眦髓的扩大，特别是产业化发展的需要，对控制效果的要求越来越高，实现 , j - n ：- 环境下的智能化控制已经成为发酵控制的方向。 f 1 前我国这方面的研究还处在探索阶段。国内学者的研究主要局限于个别参 忆h 螽模型的研究方面，缺乏从全局和实用的角度进行研究，也缺乏这方面的 够、m ，本文源自作者参与的国家科技部、财政部重点支持的科技研发项目“全智 i ，：孵i 筻备技术研究与产业化”( 编号：0 0 c 2 6 2 1 3 2 0 11 9 5 ) 。本研究以开发出一套 ! j 。i l f i 邑控制功能的数据采集与监控系统为目标，将控制技术、软件技术、通讯 j 乡爪：| l ：、i p 接口技术结合，建立分布式控制模型，实现发酵对过程的监控。本文 1 1 ，f r l ii 作和成果如下： ：j ，通过对个别参数或者参数的局部进行近似线性化研究，为最终实现对 、几：l i ；j1 t 线性自动控制创造条件。一元线性回归方法作为一种现代统计分析的手 段，竹：v 、l k 控制领域有广泛的应用。利用一元回归直线法对发酵罐体中的温度变 化进行分析和控制，解决了传统的分段控制方法精度低、上下位机设置繁琐等 ，川l j f ：足。 筢二，提出了一种基于物理地址标记的异步m o d b u s 协议a - m o d b u s 沁汉。i 幺协议对标准的m o d b u s 协议反馈报文的进行了改进，实现报文级控制 f t 务逻掣_ = 功能的识别，克服了标准m o d b u s 协议用于分布式处理时的不足。基 【：m i 义，进一步提出了一种基于a g e n t 的任务调度模型，实现过程智能控制。 旃i ，提出了在开放性s c a d a 系统中的资源分层管理策略，讨论了带宽分 i 一 l 和处理器利用率等，并利用一个实例对策略进行了评估。传统的监控与数 江苏大学硕士学位论文 据采集( s c a d a ，即s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统一般运行在 封闭的环境中，外部条件、输入数据量、资源的配置与分配方法预先一般都是已 知的，并且在运行过程中很少改变。但是，现实需求对s c a d a 系统的开放性要 求越来越高，外部条件、输入数据以及资源利用经常是动态变化的。 第四，对o p c 技术和最新成果进行详细研究和介绍，并集成到应用系统中， 大大降低了s c a d a 系统的开发和集成成本。o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o m r o l ，用于 过程控制的o l e ) 作为一个工业标准，改变了集成与控制的手段，本文利用o p c 创建一个开放的、可互操作的控制系统。 第五，在相关基础研究的基础上，开发出一套完整s c a d a 系统，用于对发 酵过程的临控。系统安装在上位机上，与下位机( 支持p l c 、单片机和a d 数 据采集卡) 配套使用，可以在p p i 电缆、工业e t h e r n e t 等网络环境下使用。系统 的主要功能包括实时数据采集与控制、数据通讯、数据分析和系统维护等。系统 具有中英文两个版本，目前在国内外众多厂家使用，发挥较重要的作用。 关键字：线性回归，发酵，控制，m o d b u s 协议，多代理，异步，监 控与数据采集，带宽分配 l i 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t f e r m e n t a t i o ni st h eg r o w t ha n dc h e m i c a lc h a n g e si nt h em i c r o - o r g a n i s m s i l _ a i n i n gp r o c e s s ，p r o d u c i n gal o t o ff e r m e n t a t i o n p r o d u c tb yt h eg r o w t hi n t h e c ult u r e m o d e mi n d u s t r y , a g r i c u l t u r e ，m e d i c i n ea n df o o di n d u s t r i e s ，e t c n e e dal a r g e 1t tmb c t so fe x p e r i m e n t so ff e r m e n t a t i o np r o c e s s i no r d e rt oa c h i e v et h ep a r t i c u l a r p u r p o s eo ft h e s ep r o c e s s e s ，s t r i c tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gm u s tb ec a r r i e df o r s p e c if i cp a r a m e t e r ss u c ha st e m p e r a t u r e ，p h ，0 2a n dc 0 2 t r a d i t i o n a lm e t h o d su s e da r e m a i n l x ，m a n u a l s e m i - m a n u a la c c o r d i n gt op e r s o n a le x p e r i e n c e s w h i c ha r el o w l i c cl i i a c ya n dl e s se f f e c t i v e w i t ht h ee x p a n s i o no ff e r m e n t a t i o ns c a l ea n dt h en e e d s o fi n d u s t r i a ld e v e l o p m e n t ，t h e r ei sa ni n c r e a s i n gn e e df o rm o r ee f f e c tc o n t r o l l i n ga n d m ) n i t o l i n g ，i n t e l l i g e n td i s t r i b u t e dc o n t r o lm o d eh a sb e c o m et h e d i r e c t i o no ft h e l 乙j m c n l a t i o nc o n t r 0 1 ， p r e s e n t ，t h i sk i n do fr e s e a r c hi no u rc o u n t r yi s s t i l li nt h ee x p l o r a t o r ys t a g e c l f i n c , , cs c h o l a r sa r em a i n l yr e s t r i c t e dt ot h es t u d yo fi n d i v i d u a lp a r a m e t e r sc o n t r o l s 川州t i l eo r i g i n a lm o d e lr e s e a r c h 1 a c k i n ga no v e r a l lp e r s p e c t i v ea n dp r a c t i c a lr e s e a r c h ， c ia l 1 c p r a c t i c a ls o f t w a r e t h i s a r t i c l ec o m e sf r o mt h ea u t h o r sw o r k i nt h e n 。t t i o n a l m i n i s t r y o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ys u p p o r t e dp r o j e c t ”i n t e l l i g e n t 心! n c n l a t i o n e q u i p m e n t t e c h n o l o g y r e s e a r c ha n d i n d u s t r i a l i z a t i o n ”( n o ： ( j ( ，2 6 2 1 3 2 0 11 9 5 ) 1 ：i i s t l y ，b e i n g ap o p u l a rm e a n so fm o d e ms t a t i s t i c a la n a l y s i si nt h ef i e l do f i 】( t u , d r i a lc o n t r o l ，l i n e a rr e g r e s s i o nm e t h o di sw i d e l yu s e d 1 i n e a rr e g r e s s i o ne q u a t i o n 、v d sd e r i v e da n dh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yu s e d i nt h et e m p e r a t u r ea n a l y s i sa n d c ( ，n t l o lo ff e r m e n t i n g c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a ls i m p l es u b c o n t r o lm o d e ，t h e 心、n f i o la c c u r a c yo fl i n e a rr e g r e s s i o nm e t h o dh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d s e c o n d l y ，w ep r o p o s e da ni m p r o v e dm o d b u sp r o t o c o l ，a m o d b u sp r o t o c 0 1 r hi p r o t o c o lo p t i m i z e st h ef e e d b a c km e s s a g eo fs t a n d a r dm o d b u sa n dc o u l d l i j k t i n g u i s h t h ed i f f e r e n tt a s k st h r o u g hf e e d b a c km e s s a g e s t h i si m p r o v e st h e 江苏大学硕士学位论文 s h o r t a g e so fs t a n d a r dm o d b u st h a t i su n s u i t a b l ef o rm u l t i - t a s ka s y n c h r o n o u s m a n a g e m e n ti nd i s t r i b u t e dm a n a g e s t h i r d l y ，ak i n do fh i e r a r c h i c a lr e s o u r c e sm a n a g e m e n ts t r a t e g yi no p e ns c a d a s y s t e mi sp r o p o s e d ，b a n d w i d t ha l l o c a t i o na n dc p uu t i l i z a t i o na lem a i n l yd i s c u s s e d t h et r a d i t i o n a ls c a d as y s t e m sa r eu s u a l l yd e s i g n e df o rc l o s e de n v i r o n m e n t u s i n g ：t h ei n p u td a t aa n dr e s o u r s ea v a i l a b i l i t ya r ek n o w na tp r i o ra n da r es u b j e c tt o l i t t l ec h a n g e t h e r ea r ea ni n c r e a s i n gd e m a n d sf o rs c a d a s y s t e m st ob ea d a p t i v et o o p e ne n v i r o n m e n t sw h e r et h ei n p u td a t aa n dr e s o u r c e sa r ec h a n g e a b l e f o u r t h l y ，a d e t a i l e di n t r o d u c t i o no ft h eo p ct e c h n o l o g ya n dt h el a t e s t a c h i e v e m e n t si sg i v e n o p ch a sc h a n g e dt h em e a n so fi n t e g r a t i o na n dc o n t r o l ，w e u s e do p ct oc r e a t ea no p e n ，i n t e r o p e r a b l ec o n t r o ls y s t e m sa n dh a dg r e a t l yr e d u c e d t h es c a d as y s t e md e v e l o p m e n ta n di n t e g r a t i o nc o s t s f i n a l l y ，o nt h eb a s i so fa b o v es t u d y ，w ed e v e l o pac o m p l e t es c a d as y s t e mf o r m o n i t o r i n go ff e r m e n t a t i o np r o c e s s t h es c a d as y s t e mr u n si nu p p e rc o m p u t e r sa n d c o n t r o l st h es y s t e mw i t hl o w e rc o m p u t e r s t h eh a r d w a r e se n v i r o n m e n tc a nb ep p i c a b l ea n di n d u s t r ye t h e m e t t h em a i nf e a t u r e si n c l u d er e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o na n d c o n t r o l ，d a t ac o m m u n i c a t i o n ，d a t aa n a l y s i sa n ds y s t e mm a i n t e n a n c e ，e t c k e y w o r d s ：l i n e a rr e g r e s s i o n ，f e r m e n t ，c o n t r o l ，m o d b u sp r o t o c o l ，m u l t i - a g e n t ， a s y n c h r o n o u s ，s c a d a ，b a n d w i d t ha l l o c a t i o n i v 江苏大学学位论文版权使用授权书 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 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密阢 一虢彩参聊雠：徽 答字日期：伊产n 哪 辩醐：叶朋枷 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，均已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 日期： 繇矜 y 月他 江苏大学硕士学位论文 1 1 论文选题与研究背景 第一章绪论 ! j 二物技术又称生物工程，是在分子生物学基础上建立的创建新的生物类型或 习i 乍物机能的实用技术，是现代生物科学和工程技术相结合的产物。是继计算机 技术节命之后又一次重要的技术革命。目前世界上许多国家已经将生物技术、 信息技术和新材料技术作为三大重点发展的技术1 2 儿引。生物技术可以分为传统生 物f 芝术、工业生物发酵技术和现代生物技术。生物技术包括基因工程、蛋白质工 f l i l 、细咆工程、酶工程和发酵工程5 大工程技术。 j 垣f i 米，随着生物技术和相关产业的迅速发展，作为生物技术产业化基础的 生物发酵技术和装备，越来越受到重视。控制精度良好、自动化程度高的发酵过 1 i ! 拧制能够减少生产成本、增加产量和提高产品质量。发酵过程控制包括操作条 f ：j 定化和优化控制两个方面。前者可以通过常规的控制回路就可以实现，而系 统i ，| 勺优化控制则需要根据发酵过程进行分析并建立数学模型，然后根据模型对影 l t t ；q 住阿挈过程的关键参数p h 值、溶解氧浓度、温度、进气、补料等进行寻优计 以确定这些控制变量的最优时间策略【4 】【5 1 。对此仅采用常规仪表无法实现， 必觚f f | l j 功于新型的软硬件控制技术。而随着各类传感器和计算机技术的发展，检 测和挎制技术越来越趋向智能化和自动化，使得发酵过程优化控制成为可能。发 孵过w 的控制在自动化控制理论中属于反馈控制的一种。简单的说就是将被控参 ；州数! 扛枪测出来，与模型给定目标值进行比较，若出现差值即进行修正，从而 蚀破控制量与目标值始终保持一致，这种修正需要贯穿整个发酵过程，不停地进 i ，从而使发酵过程的控制达到高精度。 为了达到这一目标，生物发酵过程控制系统通常需要具有现场数据实时监 托、发孵和灭菌等数据实时采集、对各个参数进行闭环控制、对整个发酵过程的 并种数据进行存贮等功能。另外，系统还应该能够提供运行状态( 如阀门状态等) 的历史i 己录，灵活友好的用户界面，以及状态报警等管理功能；还要提供多种清 晰直观的查询分析图表、曲线和报表以及走势对比等在线数据分析功能，实现发 西7 过 譬的优化控制和管理，并最终实现全智能发酵过程控制。虽然目前在市场上 这疗听的软件能够实现上述部分功能。但是，具有智能的全自动控制系统尚处在 f j 【仑探i 寸阶段，本文从模型建立、控制任务调用方法、通讯协议优化以及集成技 江苏大学硕士学位论文 术等方面对智能控制进行了探讨。 本研究以开发高效的智能s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ， 监控与数据采集) 系统为最终目标，在集成生物传感器技术、现场总线技术、工 业以太网技术基础上，重点进行分布式控制技术和软件的研究，最终研究并开发 能够对发酵系统进行在线智能控制的软件系统。 分布式控制系统( d c s ) 是上世纪八九十年代占主导地位的控制方式，但由于 缺乏统一的标准，各家厂商出于自身商业利益的考虑，对其智能设备的控制和通 讯技术往往采用保密或封闭的态度，从而造成在不同厂家的d c s 系统之间以及 d c s 与上层i n t r a n e ti n t e m e t 信息网络之间难以实现信息互联和共享，成为制约 自动化发展的一个瓶颈。基于同样的原因，后来的现场总线( f i e l db u s ) 技术掌握 在少数大的垄断公司手中，严重阻碍了整个自动化行业的发展。 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 的出现，解决了不同厂家的产品的集成问题， 它是微软公司的对象链接和嵌入技术在过程控制方面的应用。o p c 以 o l e c o m d c o m 技术为基础，采用客户服务器模式，为工业自动化软件面向 对象的开发提供了统一的标准。采用这项标准后，硬件开发商将取代软件开发商 为自己的硬件产品开发统一的o p c 接口程序，而软件开发者可免除开发驱动程 序的工作，充分发挥自己的特长，把更多的精力投入到其核心产品的开发上。这 样不但可避免开发的重复性，也提高了系统的开放性和可互操作性。本课题对 o p c 技术及其最新成果进行了深入的研究，并在监控软件中成功地得以应用。 一般认为，用计算手段来实现智能的方法，都属于计算智能【6 儿。因此，传 统的基于符号运算和逻辑推理的a i 也是计算智能。近年来出现的新方法、新理 论，如神经网络( n e u r a ln e t w o r k s ，n n ) ，模糊逻辑( f u z z yl o g i c ，f l ) ，遗传算法 ( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) ，混沌( c h a o s ) 和分形( f r a c t a l ) 科学等【8 】【9 】【l o 】，在控制研究中 都有所涉及。上述方法和技术目前多数还处在理论研究阶段，并且存在很多争议。 a g e n t 出现以后，人工智能研究进入了新的阶段。该技术被称为未来的计算机工 作模式，目前也有一些a g e n t 的支撑平台。本课题从工业标准协议m o d b u s 入 手，进行分布式控制中关键问题调度的研究，引入了基于a g e n t 任务调度管 理模型。本研究从实用性出发，提出分布式基于a g e n t 的任务调度管理模型，并 利用改进的m o d b u s 协议，实现任务调度，并在s c a d a 系统中得到应用。从 国内外近年来发表的近百篇相关文献看，尚未发现使用a g e n t 模式进行发酵控制 的报道。 本项目设计的s c a d a 系统是基于上位机、下位机的两级计算机控制系统， 对执行设备进行监控，是个典型的3 c ( c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t e r ) 系统。 2 江苏大学硕士学位论文 系统利用标准工业以太网为网络环境，把p l c 等智能器件、设备、工控机集成 纠，起，综合利用分布式控制技术、软件技术、a g e n t 技术和数据库技术，进行 发n ；过程参数的采集和控制。系统利用上位机和下位机之间协调工作，各自完成 f ，| 己的控制任务：下位机把采集的实时数据通过以太网通信送至上位机，实时显 示o 监控，上位机将控制命令和系统参数也需要通过通信传递到下位机，并通过 卜i f t 机对设备进行直接控制。 1 2 国内外的研究现状 f ! i i 现代意义上的发酵控制理论和应用研究可以追溯到上世纪七十年代。 l0 7 5j ：t a k a m a t s u 和t a k e i c h i r o 等人发表“最优控制在连续发酵工艺中的研究与 j “k ”一文【1 l 】，从理论上开始对发酵控制进行系统的研究。1 9 7 8 年s p f i e t 和 v a n 、t e c n k i s t e 分析了发酵过程难以确定并控制的主要原因之一是传感器功能太 笃乌1 1 2 1 ，并提出了“n e t e f f e c t ”s e n s o r 的概念，即“高效实时在线 的传感器， j i li l 算机上进行了模拟，为生物传感器的发展开辟了新的道路。1 9 8 7 年j o h n s o n a 删针对发酵工艺中的流加控制进行了研究l i 引，提出了f b m ( f e d b a t c hm o d e ) 谬i i j 门专对补料进行控制。a z i m z a d e h 和p a l i z b a nh a 利用m p c ( m o d e l l ，i c 。l i c l i v ec o n t r 0 1 ) 理论，对p i d 控制进行了优化，并成功实现了对温度和p h i - | ，j 托i 1 4 1 。1 9 9 8 年s a u c e d o 和k a r i mm 在发酵控制中使用了m a r k o v 决策算法， ，i 爻时最优补料控制方法研究【1 5 1 。总之，上个世纪对发酵控制的研究主要集 ： ，亿从局部、理论上进行探讨，由于受到当时控制技术、计算机技术、自动化技 永7 戈；瞳水平的制约，研究总体处于初级阶段。 进入二十一世纪，伴随着相关技术的进步，生物技术也取得了飞速发展，发 孵过f ￥控制理论和技术在国内外也获得了很大的成就。2 0 0 0 年z l a t e v a 等提出了 逊制控制非线性不确定系统的思想【l6 ，特别研究了连续发酵过程控制问题， 利川1 f 线性模型、专家知识库等，在线测量了输出变量值。2 0 0 3 年z h a n gz h i h u a n 键_ i “蜓j 二多模型和权重自适应预测函数控制模型【1 7 】，研究了非线性连续发酵过 删1 i 运行条件，改进加权多模型控制策略，用来克服扰动切换问题。2 0 0 5 年w a n g h a i x i a 运用向量机( s v m ) 模型【1 8 】，利用免疫遗传算法，在化妆材料发酵过程 拧制中实现参数的优化控制。2 0 0 5 年l e v i s a u s k a s 等提出了基于反馈率优化的控 捌汝型l 9 l ，通过预先确定的各类饲料利用率进行参数优化。2 0 0 5 年o d e t u n j 等把 诊期逻辑控制模型引入发酵过程中【2 0 1 ，并模拟其运作方式。该模型是确定 l 。t k a g i a s u g e n o 摸型( 传统知识) 的模糊控制方法的基础。并利用m a t l a b6 0 江苏大学硕士学位论文 进行模拟，能够产生快速的控制反应、更有效的控制、减少能源消耗。2 0 0 6 年 r i i d 和r u s t e m 利用模糊模型的语义反演进行控制【2 ，对智能化进行了研究。2 0 0 7 年n a g y 和z o l t a nk a l m a n 则引入人工智能理论【6 j ，利用人工神经网络( a r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k s ，a n n ) 的动态模型，控制酵母连续发酵生物反应器的温度，针 对非线性的特点，利用a n n 生成的训练数据，并实现最佳的预测能力和简单的 结构。所得结果与线性预测控制模型( l m p c ) 以及同比例积分微分模型( p i d 控制器) 进行了对比，并提出了基于预测控制的网络模型( n n m p c ) 战略。 k a w o h l 和h e i n e 对不同的几种抗生素的培养控制模型进行了对比【2 2 1 。 国内的相关研究在最近的十年发展也比较迅速。2 0 0 2 年隋青美和王正欧在 “基于神经网络的多变量发酵过程白适应控制 一文中以及2 0 0 3 年张智焕等在 “非线性多模型控制及仿真研究”【2 3 】f 2 4 】一文运用非线性系统的线性化方法与神 经网络在线辨识技术，提出了一种基于神经网络的多变量自适应控制策略，对多 变量非线性连续发酵过程取得了较良好的控制性能。2 0 0 4 年马勇和黄德先等、 常玉清和王福利等利用基于支持向量机的软测量方法【2 5 1 【2 6 1 1 2 7 1 ，并建立了青霉素 发酵过程中菌丝浓度的软测量模型，通过实验分析了参数调整和函数选择对支持 向量机建模的影响；针对最d x - - 乘向量机的缺陷，提出了一种改进的最小二乘支 持向量机回归方法；利用免疫遗传算法( i g a ) 实现对发酵过程补料优化控制参数 的寻优。2 0 0 4 年肖杰和周泽魁利用蚁群算法在啤酒发酵过程动力学模型的基础 上对过程进行优化【2 8 1 。在固定的发酵时间内，利用蚁群算法得到一系列不同的温 度曲线，从中找出一条最优的温度曲线，使得发酵过程最后酒精量达到最大，同 时保证副产品浓度最低，而且啤酒没有因为发酵温度过高而变质。2 0 0 4 年王斌 和王孙安对生物发酵过程中温度控制难以建模的问题，提出基于非线性自回归滑 动平均( n a r m a ) 模型【2 9 1 ，设计了神经网络白回归滑动平均( n n - n a r m a ) 模型。 利用径向基神经网络逼近n a r m a 模型中的映射关系，对神经网络的输出进行 了二阶低通滤波，用变异率可调节的遗传算法优化了n a r m a 模型中的延时参 数以及神经网络的输出滤波参数。潘丰和李海波( 2 0 0 5 ) 3 0 1 提出一种新型的动 态网络递归补偿模糊神经网络，结合弹性b p 算法，把它应用于某多粘菌素 的发酵过程的建模与状态预估。2 0 0 5 年赵江和张贵炜等则提出了利用多模型融 合技术进行发酵过程建模的新方法，该方法能够将在线参数和离线参数同时用于 建模中。首先给出了多模型融合建模算法框架，并描述了基于自适应模糊神经网 络和模糊推理技术两个参与融合的子模型的建立方法。 从国内外最近十年的发展看，发酵过程控制呈现以下特点：( 1 ) 由对局部、 个别参数的控制转向对全局、整个参数的控制。要达到良好的效果，必须全面控 4 江苏大学硕士学位论文 州f 2 ) 由手工、半自动向全自动、智能化方向发展。尽管这是一个大的趋势， ，、 j ：，j 研究和应用进展看，远未达到目标。目前研究主要还在理论探讨、模拟 ”j ：阶段，尚没有成熟的应用系统出现。 1 3 主要研究内容 婴实现发酵过程的智能控制，必然涉及到基础理论、体系结构、硬件平台、 i ：! ： 乏术、传感器技术、生物技术、软件技术和数据库技术等等，是典型的多学 士it 义列融合技术，基于智能控制的这一特点，本研究主要进行以下研究和开发： ( 1 ) 于一元回归控制算法研究。把传统的分段控制模式扩展到回归控制模 ，! 匕二 f | 2 ) 川仁标准通讯协议m o d b u s 的研究。提出了一种优化方的m o d b u s 协 i ，z 一一；卜m o i ) b u s 协议，并结合a g e n t 模型实现在工业以太网环境下，任务的调度。 ( 3 ) 对开放性s c a d a 系统中的资源分层管理策略进行理论研究，提高资源利 ： i ：钆凶为在分布式控制系统中，资源的分配和利用是一个关键因素。 ( 4j 对最新的工业o p c 进行了系统研究，并应用到s c a d a 系统中。 ( = = ) z ；：合上述研究成果，开发出一套带智能的s c a d a 系统。 1 4 论文的组织结构 4 i 爻山六章构成，主要内容如下： 莉。章是绪论部分，介绍了研究背景、国内外的相关研究现状以及本研究的 i j 芒i j 辞。 弟：章介绍了一种温度控制模型基于一元回归直线方程的发酵过程参 _ i ；! l ”：l j l j 奠型，对线性回归进行了完整推导，实现了利用一元回归直线法对发酵罐 附1 j n 0 温度变化进行分析和控制，并利用统计学方法对模型进行了评估。并且在 m l ，得到了应用。相对于原来的简单分段控制，一元线性回归法的控制精 嫂列刘j 很大提高。 菊二章介绍了工业控制中常用的通讯协议标准m o d b u s 协议，结合实 践分1 1 j ir 该协议在异步多任务处理中的局限性，提出了一种改进的m o d b u s 协 i 义，“ 1 基于此协议建立了一种基于多代理的任务调度模型。多代理系统在交互 删i 鲫玎j l i 和模型建立方面起着非常重要的作用。模型适合分布式并行系统的需 垃，i = ：够达到智能化自动控制的需要。 如i q 章从分布式控制系统的软件体系结构出发讨论了带宽分配和处理器利 5 江苏大学硕士学位论文 用率，并利用一个实例对策略进行了分析和评估。监控与数据采集( s c a d a ，。 即s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统具有非常广泛的应用领域，涉 及到传感器技术、通讯技术、现代控制技术以及计算机技术等，是一种融合多种 学科于一体的集成应用技术。传统的s c a d a 系统一般运行在封闭的环境中，外 部条件、输入数据量、资源的配置与分配方法预先一般都是已知的，并且在运行 过程中很少改变，提出了一种在开放性s c a d a 系统中的资源分层管理策略。 第五章介绍了现代工业控制软硬接口标准o p c 的构成和最新研究成 果，并利用控件技术实现o p c 客户端服务器的连接。同时结合多年实践，利用 o p c 技术的规范性和便捷性的特点，提出了从现场设备、o p c 服务器到应用系 统的集成解决方案。 第六章介绍了课题组开发的数据监控系统s c a d a 系统的构成、功能以 及实现方法。首先介绍了开发软硬环境及特点，重点对程序的功能进行介绍，并 提供了几段部分程序代码和m o d b u s 校验码生成函数。 1 5 本章小结 本章是绪论部分，介绍了选题、 提出了本文的主要研究内容。最后， 研究背景和国内外的研究现状。针对现状， 对论文的组织结构进行了介绍。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章基于一元回归直线方程的发酵过程参数控制 发酵是通过微生物的生长培养和化学变化，产生和积累特定的代谢产物的反 ”i i j + 卞f f l 。现代工业、农业、医药、食品等领域需要进行大量的用于生产和实验的 绂吩 过程，而为了达到特定目的往往要对这些过程进行严格的监控。一元线性回 ，澎、作为一种现代统计分析、控制技术的手段，在工业控制等领域有广泛的应 川? 于t 元回归直线方程进行了推导。实现了利用一元回归直线法对发酵罐体中 f 叼泓发变化进行分析和控制，并且在工程项目中得到了应用。相对于原来的简单 ：；h 竺控制，一元线性回归法的控制精度得到了很大提高。 个或一组非随机变量来估计或预测某一个随机变量的观察值时，所建立的 善乏修，弘及进行的统计分析，称为回归分析。如果这个模型是线性的就称为线性回 l f f j i 。这种方法是处理变量间相关关系的有力、最简单的工具，是工业控制和管 j l l 卜- 种常用的方法【3 1 l 【3 2 】【3 3 j 【3 4 1 。该方法不仅提供了建立变量间关系的数学表达式， 州乡蠊公式的方法，还利用概率统计知识对经验公式的有效性进行评估。 2 1 分段控制方法 传统的发酵过程参数控制采用的是分段的方法，把一个发酵周期t 分为若 1 个州| 、l ；j 段，依据历史经验，对不同时间段设定对应的温度值。在确定的时问段 饥敬：之值是固定不变的。温度控制函数见公式( 2 1 ) 。 ( f ) = 毽小控制算法是：设定参数设定值分段设定标志数组f l a g _ t e m p n ，并且初 f f 钾化各个数组元素的初值为0 。控制器( 单片机或p l c ) 的时钟清零，根据采样 蒯 f j 采样温度值t e m p ，同时可以获得累计时间t i m e 。判断落在t e m p t i m et e m p 哪个时问段上，假如落在了时间段i ( 1 = i - - n ) 上，对应的温度设定值为t i ，判 断数组元素f l a g的值，如果是，则设定当前温度控制值为t i ，同时置标_ t e m p i 0 ，。k i l a gt c m p i 】的值为1 ；如果是1 ，则按照采样周期继续采样。 采川此方法的优点是控制算法简单，不足之处是：1 ) 分段不可能太多，工 7 2 ，k r “， f f r = = = f a ，则认定x 和y 之间具有线性关系，否则，x 和y 之间不具有线性关系， 对于不具备线性关系的变量求出的回归直线是无意义的。 现在对表2 1 涉及到的变量的线性相关性进行分析( 表2 3 是一些计算的中 间结果，最后一行是各列值的总合) ： 表2 3 相关性验证数据表 x iy ix i 2y i 2x i y i 1 02 7 7 01 0 07 6 7 2 92 7 7 0 0 2 42 8 5 15 7 68 1 2 8 26 8 4 2 4 3 02 8 2 89 0 07 9 9 7 68 4 8 4 0 4 53 0 3 62 0 2 59 2 1 7 31 3 6 6 2 0 5 03 0 7 12 5 0 09 4 3 1 01 5 3 5 5 0 6 73 0 0 34 4 8 99 0 1 8 02 0 1 2 0 1 7 03 2 2 84 9 0 01 0 4 2 0 02 2 5 9 6 0 8 03 1 9 l6 4 0 01 0 1 8 2 52 5 5 2 8 0 9 53 4 1 49 0 2 51 1 6 5 5 43 2 4 3 3 0 1 0 03 4 2 91 0 0 0 01 1 7 5 8 03 4 2 9 0 0 5 7 13 0 8 2 14 0 9 1 59 5 4 8 0 918 2 0 8 0 5 利用公式2 15 到2 1 8 以及表2 3 的结果可得： s x x = 4 0 9 1 5 - 1 0 x5 7 1 5 7 1 = 8 3 1 0 9 s y y 5 9 5 4 8 0 9 10 3 0 8 2x3 0 8 2 = 4 9 3 7 s x y 2 1 8 2 0 8 2 5 1 0 5 7 1 3 0 8 2 = 一6 1 0 0 3 1 2 江苏大学硕士学位论文 u ：( - 6 10 0 3 ) 2 ：4 4 7 8 8 3 1 0 9 p ：4 9 3 7 ”业：堕) ：4 4 4 4、 8 3 l o 9 4 9 3 7 7 f ：4 4 7 8 x 8 ：8 0 6 8 4 4 4 向f 的临界值f o 0 5 ( 1 ，8 ) = 5 3 2 ，显然f f o 0 5 ( 1 ，8 ) ，可以认为x 和y 具有线性 歹系。 2 4 本章小结 介乡f 了一元线性回归方法，并对相关性进行了验证对利用线性回归法进行控 弧f i i ；j 分段进行控制两种控制方法进行了比较，线性回归法在控制周期和控制 ! 乏，j 。l 自i 艮大的不同，在实际应用中，分段控制的控制周期在1 0 分钟以上， f 屯? ”i l 归控制的控制周期可以达到1 分钟。由于控制周期较短，线性回归控制 玑、l j j 以达到更高的精度。 1 3 江苏大学硕士学位论文 第三章多代理异步分布式控制的实现 在工业自动化领域，经常利用网络环境实现监控的任务分布式处理。不同厂 商提供的智能设备一般支持标准m o d b u s 协议，本文在工程实践经验基础上， 分析了标准m o d b u s 协议在异步多任务处理中的局限性，提出了一种改进的 m o d b u s 协议，并且基于此协议建立了一种基于多代理的任务调度模型，并在 以太网络环境中得到验证。多代理系统在交互理论研究和模型建立方面起着非常 重要的作用。工程实践表明，模型适合分布式并行系统的需要，能够达到智能化 自动控制的目的。 3 1 标准m o d b u s 协议介绍 3 1 1 标准m o d b u s 协议报文分析 m o d b u s 协议是应用于电子控制设备上的一种通用语言，它是一种通信协 议。通过此协议，控制器相互之问、控制器经由网络和其他设备之间可以通信。 它已经成为一通用工业标准。标准m o d b u s 协议采用请求应答方式，报文分为 请求报文和反馈报文。 标准m o d b u s 请求报文信息帧的格式阳见表3 1 。 表3 1标准m o d b u s 的报文格式 i i 地址码功能码数据数据校验码 l 各个代码的说明如下： 1 1 ) 地址码： 地址码是每次通讯信息帧的第一字节，在0 到2 5 5 范围内。这个字节表示由 用户设置地址的从机，可以接收由主机发送来的信息。每个从机都必须有唯一的 地址码，网络中只有符合地址码要求的从机才能响应回送信息。当从机回送信息 时，回送数据均以各自的地址码开始。 主机发送的地址码表明报文将发送到的从机地址，而从机返回的地址码表明 回送的从机地址。 ( 2 ) 功能码： 每次通讯信息帧传送的第二个字节。m o d b u s 通讯规约可定义的功能码为 1 4 江苏大学硕士学位论文 l 州12 7 。作为主机请求发送，通过功能码告诉