（检测技术与自动化装置专业论文）基于opc的发酵过程仿真数据集成方法及应用研究.pdf

摘要 基于0 p c 的发酵过程仿真数据集成方法及应用研究 摘要 发酵过程是一个时变、非线性、不确定、多变量的输入输出关联系统。 该过程的模型化仿真对指导发酵工业优化生产、控制过程有着重要意义。 由于现有的发酵仿真软件与系统存在明确的针对性，缺乏对工业化的软件 开发标准的支持，无法与其它系统协同工作，可观测与操控的参数种类也 极为有限，具有明显的系统封闭性和局限性特征，难以满足对仿真过程集 成化、观测手段多元化、控制策略丰富化的需求，可应用领域极为有限。 因此，解决目前发酵仿真软件设计上的自封闭性、可仿真模型类型的有限 性、数据表达形式不够丰富等缺点对拓宽仿真系统实际应用领域有着重要 作用。 本文在分析发酵过程的仿真系统技术发展现状的基础上，研究了基于 o p c 的发酵仿真数据集成系统平台的实现方法，提出了以数据产生层、 数据业务层、数据表示层为基础的三层化平台结构体系，并研究了数据产 生层的发酵模型库和数值算法库集成方法、数据采集层的o p c 数据对象 组织方式和管理方法，通过将数据产生层、数据采集层、数据表示层进行 有效地代码分离，为数据表示层客户端的设计提供了极大的自由度。本文 的研究内容，为多发酵过程仿真的数据集成系统实现提供了一种新的途 径。 实验测试表明，该系统可集成多个仿真过程，能与标准o p cc l i e n t 通信获得发酵仿真数据，符合o p cd a2 o 标准，实验产生数据具有一定 l 摘要 的仿真性和可靠性，该系统平台具有良好的开放性与可扩展性。 关键词：青霉菌；流加发酵；仿真；o p cd a ；d c o m f e r m e n t a t i o ns i m u l a t i o nd a t ai n t e g r a t i o nm e t h o d sa n di t s a p p l i c a t i o nr e s e a r c hb a s e do no p c a b s t r a c t f e r m e n t a t i o np r o c e s si sat i m e v a r i e d ，n o n l i n e a r ，u n c e n a i n ，m u l t i v a r i a b l e ， i n p u t o u t p u tc o h e l a t i v e ds y s t e m i t sm o d e l i n gs i m u l a t i o ni st h ev i t a le l e m e n t f o rd i r e c t i n gt h ef e 册e n t a t i o ni n d u s t r ) rt oo p t i m i z ei t sp r o d u c t i o na n dc o n t r o l p r o c e s s t h ef a c tt h a tn o ti n l p o r t i n g 锄yi n d u s t r i a ls o f h r a r es t a n d a r di nf o m e r f e 珊e n t a t i o np r o c e s s e ss i m u l a t i o ns o f t w a r e s d e v e l o p m e n tm a k et h e mu n a b l e t op r o v i d er e a l t i m ed a t aa c c e s si n t e r f a c et oo t h e ro n e s i ns o m ec e n a i n s o r w a r es y s t e m ，t h et r u t ht h a tb o t ht h en u n 曲e ro fm o d e lc o u l db es i m u l a t e di s l i m i t e da n di t si n i t i a lc o n d i t i o na r ee x t r e m e l yr e s t r i c t e di su n f a v o r a b l ef o rd a t a m e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 i ta l s od e n t st h es o 讯a r e s a p p l i c a t i o n ，a n dc o u l d n o tm e e tt h er e q u i r e m e n to fd a t ao b s e r v a t i o n t h e r e f o r e ，s o l v i n gp r o b l e m so f t h ec l o s u r ec h a r a c t e r i s t i ci ns o f t w a r ed e s i g n i n g ，t h el i m i t e dm o d e lc a t e g o r i e s c o u l db es i m u l a t e da n dt h ep a r o c h i a l i s mi nd a t ae x p r e s s i o ni sc m c i a lf o r w i d e n i n gt h ea p p l i c a t i o nf i e l do fs i m u l a t i o ns y s t e m b a s e do n a n a l y z i n g v a l i d a t i o nm e t h o d so ff e r h l e n t a t i o ns i m u l a t i o n s o f t w a r e ，a no p cb a s e dm u l t i s i m u l a t i o np r o c e s s e si n t e r g a t e ds y s t e mw a s p r o p o s e dt h r o u g hat l l r e e l e v e ls y s t e ms t m c t u r e t h ed a t ag e n e r a t i o nl e v e l w h i c hc o n s i s t so ff e 加e n t a t i o nm o d e l sa n da l g o r i t h m sw a sd e s i g n e d ， a n dt h e d a t ac o l l e c t i o nl e v e l ，w h i c hc o n s i s t so fo p cd a t ao 唱a n i z a t i o na n dd c o m c o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m ，w a sr e a l 讫e d t h i ss y s t e mp r o v i d e dt h ed e s i g no f o p cc l i e n tw h i c hl o c a t ei nd a t ar e p r e s e n t a t i o nl e v e lw i t hf l e x i b i l i t y 1 u t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h es y s t e mi sc a p a b l e0 fi n t e g r a t i n gm u l t i s i m u l a t i o np r o c e s s e s i tc o m m u n i c a t e sw e l lw i t ho p cc l i e n ta n dm e e t st h e r e q u i r e m e n to f0 p cd a 2 0s t a n d a r d t h i sd e s i g nm e t h o dg u a r a n t i e ss y s t e m s r e a l t i m ea n dr e l i a l b l i t y ，p r o v i d e so u t s t a n d i n go p e n n e s sa n ds c a l a b i l i t y k e y w o r d s ：p e n i c i l l i u m ，f e d _ b a t c hf e r m e n t a t i o n ，s i m u l a t i o n ，o p cd a ， d c o m 北京化工大学位论文原创性声明 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外，本论文不含 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。 作者签名：盔宝塑 日期： z ! 筮s ：碰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 鱼孟趋 日期： 导师签名： 日期： 舻多 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 发酵过程是一个时变、非线性、不确定、多变量的输入输出关联系统。该过程的 模型化仿真对指导发酵工业优化生产、控制过程有着重要意义。由于在生物发酵过程 的研究中，直接用真实系统进行试验常常是不经济和费时间的，有时甚至是不可能或 者没有意义的。此外，现代生物技术的深入发展，也使得单凭经验或经典试验数据对 过程加以控制远不能满足研究和优化生产的需要，因此使用计算机系统仿真模拟发酵 过程对尽快弄清工业发酵生产中的影响参数关系有着重要意义。 在发酵仿真研究领域，如何在发酵仿真程序与工业现场设备间进行数据比较：如 何利用比较结果来指导控制设备的参数调节，从而使发酵结果向着对人们生产、生活 有利的方向发展是研究人员当前最为关心的问题。由于目前在开发过程中未引入任何 标准化的软件开发规范，因此发酵仿真软件难以向第三方软件提供数据。同时，由于 仿真研究人员不会、也不可能为了在解决发酵仿真软件与各种现场设备的通信问题投 入巨大的精力与代价进行各种设备专用接口的开发和维护，但为了实现与现场数据采 集设备通讯，又可能需要上百种不同类型的设备与软件协同工作。因此传统的仿真软 件产生的数据就无法与工业现场数据进行实时比较，导致了系统自身的自封闭性，又 由于仿真软件内集成的机理模型在发酵菌种和发酵条件的选择上存在针对性与限制 性，能提供给最终用户进行观测与操控的数据量较为有限，更降低了其实际应用价值， 难以适应对仿真数据观测、控制上的多样性需求。因此，以传统方法设计的发酵仿真 软件，都不可避免的存在着低开放性和闭塞性的特点。解决这一问题的关键在于采用 一个软硬件设计标准，该标准可以为仿真软件提供真正的即插即用软件技术，可以将 过程控制和工业自动化中的每一系统、设备、应用程序进行自由的连接和通信。使得 仿真软件同发酵现场数据的汇总和实时比较成为可能。 1 2 发酵过程仿真技术及系统的研究现状 1 2 1 发酵过程的仿真技术 发酵过程的系统化仿真是将人们研究的发酵过程的本性模型转化为计算机中的 数字化模型并进行迭代计算求解的过程。因此，惟有在验证了发酵过程机理建模结果 正确性和仿真性基础上，才有可能将该模型的仿真结果用于指导发酵生产、优化控制 北京化工大学硕士学位论文 等过程。为了不断修正相对精度较低的初期机理建模的结果，需要构建一个系统化的 环境来再现机理模型的仿真结果，将该仿真结果与实际发酵过程中采集到的数据进行 反复比较，从而验证发酵过程机理建模结果正确性和仿真性。近年来，已有许多学者 对发酵过程机理建模成果进行仿真工作： 由于发酵过程仿真的主要工作是实现对模型的数值计算，因此具有数值计算功能 的数学软件都具有实现对发酵过程的仿真能力。由于这类软件一般都是商业化的软 件，它们面向对象、功能模块化、语法简单、界面友好等特征已经极大地简化了数学 计算的过程。它们发展的时间长、有专门的开发商进行维护、内建了大量的经典数值 算法，并在不断升级添加新的功能模块。这类数学软件以其强大的功能和惊人的普及 率已经成为了发酵过程仿真乃至科学研究过程中不可或缺的工具。 许多国内外的学者在对发酵模型研究成果的验证中都借助主流数学软件 m 棚a b 来实现这一仿真过程，达到验证模型仿真性和正确性的目的，在他们发表 的文献中往往专注于对其发酵过程模型化研究的成果，在对模型的仿真及其验证实现 阶段仅以“t l l es i m u l a t o rw a ro r i 西n a l l yd e v e l o p e di nm a na b6 0 1 1 j 之类的语句进行 简单的介绍，或者直接略去该仿真实现环节内容直接开始对模型仿真的表征结果进行 分析。 1 9 9 0 年，y u a njq 等人【2 j 提出了一个不平衡的酿酒酵母细胞循环模型，采用仿真 软件包a q u a s i m 对该模型进行仿真并加文献中的实验数据加以证实。该模型的输入变 量是特定生长速率，由于酵母产量受到循环过程的强烈影响，因而该模型可用于优化 和控制收获的酵母细胞质量。据此拓展的模型系统，通过调节底物补料速率，可用来 优化商业级分批补料的酵母生产过程。所得到的结果明显优于其他普通补料方法。采 用a q u a s i m 来建立数字机理模型并进行仿真的方法具有快速、方便的特点，但编写的 程序无法脱离a q u a s i m 的运行环境，也不具有与其他应用程序进行通信的接口。 采用数学工具软件进行发酵过程的软件仿真具有实现过程简单、快速等特点，同 时也能获得良好的图形化仿真结果，甚至可以建立起内嵌的多个发酵仿真过程的横向 比较，但作为一款专用的数学工具，它无法被部署到工业现场，研究人员无法修改该 软件来实现仿真过程与现场数据的无缝集成，更不能定量的衡量其产生数据的实时 性，m 加a b 上的仿真结果往往都用于科研和仿真过程的验证过程，它对解决科研 阶段的仿真问题，验证科研阶段的仿真结果正确性具有重要作用，但对解决仿真过程 的现场应用问题并没有太大帮助。因此，采用m 棚a b 构建的发酵仿真过程是一个 自封闭的软件系统，开发商为了保护自己的目的，不会公布所有的实现细节，虽然数 学软件可以实现丰富的图形化数据表达功能，但这一系列功能都是建立软件环境本身 基础上的，且这类数学软件产生的高级语言代码也没有图形化显示功能【3 ，4 l 。 由于m 觚a b 具有前述的种种优点，且以a c t i v e 控件形式提供了供l d e ( 集成 化开发环境) 调用的接口，因此，采用基于m 棚a b 的混合编程模式实现发酵仿真 2 第一章绪论 过程成为了该过程软件化、系统化的一种有效手段，在这种实现方式中，往往利用了 数学软件强大的数学计算功能，将仿真过程中的数值计算部分交给数学软件处理，由 i d e 来实现软件界面和图形显示，甚至有部分发酵过程仿真的软件采用了直接调用了 m 枷a b 产生的数据图的方式来获得图形结果，近年来，采用此种编程模式实现仿 真过程软件化的主要实例有： 2 0 0 2 年，g u i n u rb i r o l 等人【5 l 在m a na b6 0 环境中开发了个对补料分批发酵 生产青霉素这一发酵过程进行仿真的软件包，开发完成后将它的模块化函数编译成了 a n s ic 语言程序，并进一步编译形成单独的可执行文件。该仿真软件包通过引入p h 值、温度、通风率、搅拌功率，底料的流加速率和二氧化碳的变化率等输入参数，并 在这些参数中引入了二进制随机信号形式的白噪声。通过上述改进，该软件包实现了 对b a j p a i 与r e u s s 提出的青霉菌发酵机理模型的扩展，作者将该仿真包用于对典型的 青霉素发酵过程的的监控和故障诊断。发现该仿真器可同时用于科研与教学，并且在 其主页上提供了该软件的下载 ， 在该仿真软件中，用户可以调节过程控制参数从而实现引进输入参数的一些扰 动。该仿真软件包的界面友好，可以让用户实现下列研究工作： 开发经验模型。 开发并测试机理模型的降阶算法。 为开发监测与控制工具创建过程参数数据库。 对算法进行过程优化和测试 实现多样化的控制器设计 评价控制器的性能等一系列的功能。 由于该软件具有极强的灵活性，在该软件环境中用户可以进行下列操作： 可以在默认的初始、动力学、控制参数环境下运行仿真过程。 可使用自定义初始、动力学、控制参数运行该仿真过程。 具有可选多种控制器类型o n 0 任( p h ) ，p i d ( p h ，t e m p e r a t u r e ) 可在多种仿真操作策略( 限氧或非限氧，批次发酵补料分批发酵) 之间进行切 换。 可以选择排除环境变量如p h 和温度的影响。 可以以a s c 码的形式保存仿真过程的历史数据。 该仿真软件包，由于只采用了由m 棚a b 编译生成的c 语言代码，已经从根本 上脱离了m 棚a b 数学软件的运行环境，可以独立运行，也可以对仿真过程进行有 效地控制，但在该软件中由于没有引入开放的工业软件总线标准，因此该软件实质上 还是一个自封闭的系统，无法将其产生的数据通过软件总线直接发送给其它分析数值 分析软件进行显示和分析，在该软件环境中只能提供发酵过程部分非固化的参数供用 户自定义，对于已固化参数无法进行修改。 3 北京化工大学硕士学位论文 2 0 0 6 年李海波、许卫洪等人1 6 j 利用m a t l a b 数学计算功能和在图形化界面设计 方面的优势，结合a c t i v e x 技术实现了和m a t l a b 之间的动态数据交换，采用了混 合编程的方式，开发一套用户界面友好的发酵过程建模仿真软件。该套系统提供了可 视化的仿真环境参数，可实现在对半经验模型仿真过程中的模型选择、参数与初值设 定、仿真实现等操作过程，同时该系统利用了参数辨识的方法，依据实际工艺过程检 测数据及理化分析数据，进行模型参数辨识，可拟合出与实际过程相匹配的模型。由 于该系统可通过基于混合模型的建模仿真，就为发酵条件的寻优、试验数据的模拟放 大以及从分批发酵过渡到补料分批发酵乃至连续发酵提供理论基础，可以减少试验次 数，节省人力和物力。此外，该系统还采用了黑箱理论和神经网络方法对经验模型的 发酵过程进行建模，有助于实现对一些重要发酵变量钆8 小时后状态的预估。该系统 中实现了存放人们常用的理化分析关联得来的半经验模型，实现了用于方程组求解的 数值算法和用于模型参数辨识的单纯型法，此外，该系统通过创建m a t l a b 的a c t i v e x 对象，将m a t l a b 生成的图像以b i t m a p 格式存入剪贴板中，并最终从剪贴板中读出。 由于采用了a c t i v e x 和d d e ( 动态数据交换技术) ，该系统已经具有与外部资源 系统，如m a t l a b 、e x c e l ，进行交互仿真和数据分析的功能，并组成了c s 结构的模 式，具有一定程度的丌放性。但d d e 只是解决软件之间通讯问题的设计思想，并没 有得到推广并成为被自动化厂商认可的软件总线标准，为了实现仿真软件各个模块之 间互连，必须为各个模块开发专用的接口来解决软件在组成结构、数据类型、接口驱 动上异构所造成的问题。因此仅采用d d e 技术还不能一劳永逸地解决仿真系统的自 封闭性问题。同时，由于在该软件环境中仍然使用了m 棚a b 数学软件的相关模块 来进行数值计算和图形绘制，因此该软件还不能脱离m a t l a b 独立运行( 至少需要 在本地机器上安装m 棚a b 软件) ，只是构建了独立的软件界面，后台调用的全是 m 蜘a b 实现的功能。用户仍然无法摆脱底层运行环境的限制。 基于混合编程的发酵过程仿真软件实现方法，虽然让发酵仿真软件开始具有了自 己独立的系统界面，但在系统底层中仍然使用的是数学软件直接或间接提供的数值计 算和图形绘制功能，前者不能脱离数学软件环境单独运行，后者虽然可以独立运行， 但由于软件作者在设计时没有引入开放性的工业软件总线标准，因此，混合编程实现 方法已经实现仿真系统与某几种外部资源系统之间的开放性互连，但这种开放性仍然 没有彻底地解决发酵仿真软件的系统封闭性问题；无法较为方便地添加新的仿真过 程；也只能对该仿真过程的部分参数进行自定义。 为了彻底的摆脱数学工具软件的限制，实现发酵过程仿真的独立运行，惟有采用 高级编程语言来编写独立发酵过程仿真系统，才能将该系统真正应用到教学或生产环 境中去。 2 0 0 1 年，项红、吴重光等人门在对青霉素发酵过程进行深入分析的基础上，总结 出发酵过程中主要的外部操作条件影响因素，根据发酵过程中变量和外部操作之间的 4 第一章绪论 关系，建立了能够较为全面的反映青霉素发酵过程各种参数变化的动态数学模型，并 使用s u a lb a s i c6 o 编写了该过程的仿真建模与训练系统。该系统中包括了模拟真实 操作环境的流程图画面和各主要反应变量反应曲线的趋势画面，在实际仿真操作中可 以对任一变量进行扰动和调节，反映过程中有报警声响显示功能。该仿真训练系统数 学模型中可观测的仿真数据种类较多，数据表达形式丰富，基本达到了实时性、逼真 性和可操作性的要求。 ， 2 0 0 2 年，刘俊、王卓等人【8 j 根据仿真过程中的统计学规律，提出了对发酵罐批进 行在线分类的方法以及以总体经济效益最大化为目标的优化调度策略，对不同类的罐 批限定不同宽度的调度区间，在调度区间内计算每一罐批地调度函数，再按调度函数 的高低确定调度顺序。在该研究中使用s u a lb a s i c6 0 对青霉素发酵过程的实际数据 进行了在线仿真，结果证实了这一在线分类及优化调度决策方法的可行性和优越性。 2 0 0 5 年，石晶、梁彦龙等人依据对一株产植酸酶酵母c 锄d i d ak u r s e iw z 4 的研 究数据，构建了细胞生长动力学模型、底物消耗动力学模型和酵母发酵生产植酸酶的 动力学模型并利用肌a lb a s i c 程序语言、n a s h 、p h o t o s h o p 、a 。c e s s 等工具软件，开 发出了植酸酶酵母发酵模型仿真实验的软件，实现了该软件中的动力模型模块、发酵 操作过程演示模块、试题库与试题数据库等模块，用作实验辅助教学软件【引。在软件 设计过程中，利用p h o t o s h o p 和f l a s h 动画软件制作发酵过程的仿真动画，比如杀菌、 加料、通气，酵母增殖等过程，利用a c c e s s 数据库建立试题库。采用已有的酵母分批 培养的生长动力学及产酶动力学模型，并结合一株产植酸酶酵母的实验研究数据对模 型进行适当改进，利用语言采用有限差值数值算法来模拟动力学曲线对酵母发酵 过程的生长、产酶和基质消耗动力学进行模拟。该软件具有以下特点： 用户能通过生动的动画来了解酵母发酵的机理及酵母增值方式。 用户能够输入主要发酵参数来显示生长产酶曲线 用户能够软件模拟实验操作过程 用户还能通过调用数据库中的练习题作为测试练习以强化学生对相关知识的 理解。 界面友好生动、交互性强。 采用v b 、v c 或与动画制作软件结合来开发仿真系统，有利于用户在使用过程中 理解发酵机理与发酵过程。有效地弥补了发酵过程动态化表达形式不足的缺点，所产 生的仿真数据具有较强的直观性和交互性。采用高级编程语言来实现发酵过程的计算 机仿真，真正的脱离了利用数学工具软件中的模块来产生仿真结果的方法，使形成的 仿真软件具有了独立性，但是由于作者在设计时就考虑到一个具体的应用环境，因此 该仿真的类型往往是确定性的，唯一性的，要向这样的软件中集成新的仿真过程比重 新编写一个新的仿真软件工作量更大，要解决的问题更多；该类软件同样没有引入相 关的软件总线标准来实现仿真过程之间的数据共享，更没有提供与设备通信的通用接 5 北京化工人学硕十学位论文 口。因此可以认为，基于高级编程语言的发酵仿真软件仍然无法解决由于设计上的异 构性和针对性所造成的仿真过程及其系统工业应用难、内嵌仿真类型有限、数据表达 形式不够丰富的问题。 张贵炜，赵江等人【1 0 j 在研究一种实用的发酵过程建模方法过程中认为，对发酵过 程进行仿真，数学模型是关键。数学模型的精确与否决定着系统的应用前景。但在现 有的对酵母培养和发酵过程所进行的许多研究中，在对象数学模型方面投入的力度还 不足，开发的模块数量也不够，其精确度也参差不齐，且由于发酵过程的仿真是一个 涉及到多方面知识的研究工作。因此精确建模这一工作要求研究人员不仅具备该生化 方面的专业知识，还要具备较深的计算机编程和自动化控制方面的知识。因此要研制 出真正应用于实际生产过程的计算机软件，唯有加强学科间的协作，才能使仿真技术 得到长足的发展。 “npy 等人【1 1 j 在对梭菌属发酵的代谢作用研究及数学建模仿真已经提出了将不 同种类梭菌的仿真过程集成在一套系统平台之上的思想，从而满足他们对不同菌种发 酵过程数据观测和对比的需求，但并没有采用分布式的计算标准来实现该仿真系统的 集成。由于传统仿真系统大多数在设计之初就被定义为封闭性系统，软件成型后只能 将整个仿真中少数用户最为关心的过程变量提供给用户进行观测和控制，整个过程中 可观与可控参数十分有限。仿真软件之间、仿真软件与众多数据采集设备之间要进行 数据共享是十分困难的。然则在实际应用领域中，在科学领域对发酵过程的认识还不 够彻底的情况下，研究人员往往期望仿真过程是可集成在同一个系统中的，仿真过程 中的大部分参数都是可观测与可控制的，并且该系统的数据交换能够遵循一定的工业 标准，以便与现有的硬件设备实现数据汇总并在这些数据的基础上开发第三方的程序 与之配套使用。 飞速发展计算机仿真技术，已经成功地解决了发酵过程的软件仿真问题，并能够 建立起多种的系统仿真环境。但在对生物发酵过程机理模型的验证过程与优化过程 中，生物化工领域与测量控制领域研究人员不仅希望在一套仿真系统中，既能执行仿 真与仿真过程之间的、横向的比较，还希望能将该系统运行在真实的生产环境中，与 现场数据采集设备相连并进行纵向的比较，以便将离线方式下建立的仿真模型通过在 线的方式进行比较并修正。但以目前常见的实现手段来进行发酵仿真过程的系统化研 究，所形成的仿真系统都是针对特定菌种和特定发酵环境进行仿真的封闭性系统，因 此无法将仿真计算数据提供给其他系统使用。在这些系统的仿真过程中，一旦仿真条 件偏离了系统中无法通过软件接口修改的固化参数，该仿真结果就失去了参考意义。 因此，针对单一发酵过程仿真的软件系统还远远不能够满足采用了不同的方法对同一 发酵过程进行仿真后获得的结果进行实时比较的要求。目前仿真系统中存在着不同程 度的系统封闭性、仿真过程的单一性以及仿真数据难以共享的特点，因此研究一套发 酵仿真软件的集成化方法，将其内部可集成的仿真种类和过程由单一化向多元化发 6 第一章绪论 展，并使发酵仿真软件能够与实际生产过程的软件总线标准具备二进制层面的兼容性 就显得尤为必要。要解决仿真系统的封闭性、内嵌仿真过程的单一型、仿真数据的在 线交互难的缺点。 综上所述，计算机仿真技术在建立发酵过程仿真模型方面已经取得了显著的成 就，已经能够较好地解决大多数线性系统的建模问题，但由于发酵仿真的目的是将其 结果与实际发酵过程比较从而对现有的发酵过程的优化产生指导作用，因此，若发酵 过程仿真软件不能够建立在基于标准、基于软总线的开放性体系结构之上，就难以形 成标准化的仿真过程开发模式；难以实现仿真软件的即插即用软总线集成；难以建立 能运行多个软件仿真过程，并拥有不断集成越来越多的新发酵仿真过程能力的开放性 平台。本文正是在o p cd a2 0 这一标准的、开放的软件总线基础上，研究一套用于 将发酵过程的计算机仿真过程集成在统一的软件平台下的方法。实现仿真过程的开发 标准化、集成化，使用统一的封装形式解决由于仿真软件异构而造成的仿真数据集成 难的问题。 1 3 课题的研究意义和主要研究内容 1 3 1 课题的研究意义 要建立高产量、高底物转化率和高生产强度的相对统一的发酵过程优化理论体 系，研究人员不仅要根据离线数据建立起发酵过程的机理模型，而且期望能够将生产 过程中实时采集装置的运行数据与该模型仿真结果进行实时比较。一方面，利用实时 数据来指导机理模型的优化，从而获得较高精确度的模型，另一方面，通过总结已有 的模型的优化方法与手段，得出一般性的优化原理从而对实际生产过程的优化产生指 导作用。因此发酵过程的研究人员希望能建立起与现有的发酵过程实时数据采集设备 的软件总线相兼容的、能集成多种仿真过程的发酵仿真系统。 j 然而已有的仿真软件与系统大多数都是针对某一特定发酵过程开发的，具有极强 的针对性，并且不符合工业现场总线标准，无法提供与实时数据采集设备通信的接口， 同时又因为企业存在着不同时期，不同厂商以及不同标准设备及其自动化装置共存的 情况，因此无法通过统一的总线系统来同时获得现场实时数据与仿真结果数据。研究 人员只能以离线的方式来实现对发酵过程的建模、观测与校正，整个过程及其亢长、 复杂且效率低下。因此，基于o p c2 0 的发酵过程仿真技术及其系统研究对解决发酵 仿真软件设计上的系统封闭性及其数据可观可控性差、仿真类型集成度低等问题具有 重要的理论意义和应用价值。 7 北京化工大学硕士学位论文 1 3 2 主要研究内容 本课题对结合仿真模型和数值算法实现的仿真过程的集成方法进行研究，并基于 o p cd a2 0 技术，实现仿真过程与其它遵循o p c 技术规范的软、硬件设备之间的数 据汇总与集成。课题主要研究内容包括以下几个方面： 1 、在详细分析发酵仿真系统发展现状的基础上，总结了发酵过程的计算机仿真 的实现方法，研究了可集成的仿真过程模块化设计方法，并给出了仿真模块中模 型库和算法库的设计原则。 2 、研究了符合o p cd a 2 o 标准的发酵过程仿真集成系统平台软件体系结构，设 计了数据组织模块和数据通信模块，并提出了系统仿真模块和o p cd a s e e r 模 块的集成方法。 3 、在上述方法的基础上，实现了系统中青霉素流加发酵仿真实例和o p cd a 2 o s e e r 。建立了d as e e r 的数据封装与组织体系、有效地同异步数据存取机制 并确保二者正常工作。实现系统中o p cs e n ，e r 模块与仿真过程模块之间通信功能 和数据协同。 4 、利用自制的o p cc l i e n t 对系统进行测试。并将o p cc l i e n t 获得的仿真结果同 提供模型的参考文献结果进行比较，以验证该系统仿真过程的有效性与结果的正 确性。 8 第二章基于o p c 的发酵过程仿真集成系统研究 2 1 引言 第二章基于0 p c 的发酵过程仿真集成方法研究 为了将多个发酵过程的仿真过程集成在一套系统平台下，首先需要从多样化的发 酵模型与发酵过程中分析其共性特征，总结出对这些过程仿真所必需的基本元素，最 终给出一个发酵过程仿真的基本结构体系。 本章根据面向对象编程思想，研究了一种发酵模型和数值算法的规范化封装方 法，并通过继承模型库和算法库内容，在系统中集成新仿真过程实例的方法。 此外，本章结合0 p cd a2 0 技术，给出了通过继承机制将发酵过程的仿真数据 集成到o p cd a 2 os e r v e rc a c h e 中去的集成方法。由于o p cd a 具有极高的互操作性、 可扩展性、开放性优点，因此易于使用o p cd a 实现不同种类的现场数据采集设备产 生的数据在o p cs e r y e r 中的汇总，可以很好的将仿真结果与现场数据汇合在同一个软 件系统平台下。 2 2 发酵过程的计算机仿真 2 2 1 发酵过程计算机仿真的步骤 一个典型的发酵仿真过程结构体系如 图2 1 所示，在发酵仿真的过程中所必须的 两大基本要素为仿真机理模型部分与仿真 数值算法部分，仿真机理模型是以数学形式 呈现的对发酵过程的精确性描述，它包括了 发酵过程中的自变量、因变量及其发酵过程 的初始坏境和条件。往往是以积分或微分方 程组的形式出现的。发酵仿真的另一基本要 素是数值算法，数值算法使用递推的方法计 算发酵过程中各发酵组分随时间变化全过 程。这两大基本要素结合在一起构成了基本 的发酵仿真过程。由于对发酵过程的计算机 仿真属于连续系统的数字仿真范畴，因此它 选择机理模型与数 值算法 j r 选择积分步长与积 分时间 上 编制仿真程序框图 上 编写程序上机求解 上 i 记录图形和数据 图2 - l 发酵过程仿真步骤图 f g 2 - 1s t e j 芦o ff e 珊e n t a t i o ns i i 肌l a t i o n 的具体步骤是：选择合适的计算方法构成离散化的仿真模型。选择积分步长、积 9 北京化工大学硕士学位论文 分时间。若采用浮点运算则不必选比例尺o 编制仿真程序框图，按指定的语言编写 源程序。将源程序和数据输入计算机，上机求解。记录输出的数据和图形。 2 2 2 发酵过程计算机仿真的程序工作流程 一个典型的发酵过程计算机中仿真程序工作流程如图2 2 所示： 1 、参数定义阶段。由于机理模型中 包含了用于表示时间变化的自变 量与表示参与发酵的组分因变量 并涉及大量的仿真模型参数、模 拟操作条件参数和仿真模型常 数。因此在进行计算机仿真时首 先要对这些常、变量进行相应定 义。 2 、参数初始化阶段。由于发酵过程 的计算机仿真是在假定的坏境和 条件下进行的，为实现对在该模 图2 2 发酵仿真过程流程图 f 蟾2 - 2p r o c e 骆o ff e 加舱n t a t i o ns i m u l a t i o n 拟的条件下的仿真就必须使用假定条件下各项参数值对计算机程序中对应的各个 常、变量进行赋值，即构架该发酵过程的计算机仿真环境。 3 、计算初始积分结果。在为各项常、变量进行赋值之后，计算机中就获得了该次仿 真的自变量和因变量初始值，因此在机理模型中数学表达式就只有自变量、因变 量极其含有这些因变量的中间变量是未知的，其他参数值都可通过代入或使用辅 助公式间接计算的方法来获得。然而在仿真过程中，除了需要已知自变量和因变 量的初始条件之外，还需要在进行反复迭代之前先计算一次机理模型的积分结果， 在积分过程中需要提供该积分结果作为迭代进行的必要条件。 4 、执行积分计算过程，连续系统的数学模型通常可用一组景= 触力的一阶常微分方 程来描述，仿真的过程是通过计算，从时间m 至f 1 锄的积分，计算出经过一个 计算步长j l 以后) ，的值，按此方法递推下去，便可根据厂算出变量y 随时间变 化的全过程。用) ，1 ，y 2 ，y k ，表示y ( f 1 ) ，y 0 2 ) ，y o k ) ，。解算的关 键是如何用数字计算机计算这个积分式，所以此法也称为数值积分法，它又可分 为单步法和多步法。计算y k + 1 只需要用到y k 和鼢k ，出) 这一步的数据，称为单步 法。若完成这一步后还需要用到y k - 1 ，缈k 1 ，t k 1 ) k 2 ，缈k - 2 ，出2 ) ，等前几步的 数据，则称为多步法。最常用的单步法是龙格库塔法，最常用的多步法是阿旦姆 斯法。一种改进的方法是变步长法，它能在仿真计算过程中自动估计误差，并按精 度要求不断改变积分步长，因此对减少仿真计算时间有十分明显的效果。 1 0 第二章基于0 p c 的发酵过程仿真集成系统研究 5 、在获得了当前时刻的y 值之后，仿真过程需要向专用于存储计算结果的变量抛出 积分计算的结果，并对当前时刻f 进行判断，当f 到达仿真截止时刻时，停止仿真 过程，若尚未完成仿真，则使用的本次计算得到自变量和因变量作为初始值代入 下一次的积分计算过程。 2 3 发酵仿真过程中的对象集成方法 ：机理模型库 ，一一一一一一一一一一一一一一一一一、 獭銎基类 模型纂类殇彩酝渤渤缀戮缓鹪 f 真实铹重缓荔毳缓 参数变量定义 参数变量初始化 积分计算过程 数值算法计算过程 真实铡磁戮 i 真实饲毒缓湖 仿真实例库 图2 - 3 发酵仿真过程集成框架 f i g 2 3i i l t e 伊a t ca r c h i 眦t u 咒o ff e 珊e n t a t i o ns 岫u l a t i o np m c e 鹞 2 3 1 机理模型集成方法 发酵过程仿真的机理模型集成方法如图2 3 左上角机理模型库虚线框部分所示。 在发酵仿真过程中，模型库将为仿真实例提供一系列的数学表达式来对发酵过程的机 理过程进行数学描述。在实际应用的过程中，发酵过程的机理模型往往是以一阶常微 分方程组及其初值形式出现的。下面一组公式给出了一阶常微分方程组及其初值问题 的数学表现形式： f 尝= 五g 舢2 ， 1 y f 踟，汹，2 ( 2 1 ) b 域o ，m c ( a ，) 通过上述公式可以看出，由于各发酵过程中参与发酵反映的各物质组分是随时间 变化的参数，机理模型以积分或微分方程的形式描述了因变量弘与自变量时间工与发 一义 程一 一定 过一 一量 算一 i 竺 数 分一 参 积 北京化工大学硕上学位论文 酵过程中其它因变量之间的数学关系。但通过观察实际的发酵机理模型数学表达式可 以发现，真实的发酵机理模型的表达形式往往是及其复杂的，其中不仅包含了自变量 时间z 和各因变量) ，i ，还定义了大量的描述发酵实际环境的常量、用于简化方程表达 形式的中间变量与辅助变量。要实现发酵仿真过程的系统集成，保证仿真过程能够无 差别的识别各类机理模型，并使用数值算法对该模型进行求解，就必须对机理模型的 表达形式进行规范化的封装，即将机理模型的具体数学表达形式隐藏在一个标准化的 对象类之中，该对象仅仅将未来仿真过程需要使用的属性和方法暴露在外。在实 际使用过程中，先生成一个该标准对象，再对这些属性进行赋值和调用相应的方法就 可以实现对该机理模型的参数赋值和单步积分计算功能。并由该对象返回积分计算的 结果。多个机理模型的标准对象集合就构成了机理模型库。 为了实现可集成的机理模型对象，需要遵循一系列机理模型实例的设计规范。 模型库中机理实例的设计原则有： 每个机理模型应该以类的形式进行封装，该类在继承关系中处于最顶层，即该 类不是其他类的子类。 机理模型类中的所有常、变量都应该被声明为该类的私有变量，即只有定义在 该类内的函数才可以对这些常变量进行赋值和修改，从而避免对这些对象的误操作。 机理模型类中的所有方法都应该声明为虚函数，即在将来生成的仿真实例类中 可以通过编写同名函数的办法对这些函数进行重新定义，从而实现对机理模型中常量 的重新赋值、修改噪声产生方法和对模型表达形式的二次定义。 机理模型实例中必须包含的内容有： 定义表示机理模型中常数的常量 定义机理模型积分计算过程中由因变量组成的中间变量和辅助变量。 编写用计算机本身的随机数产生方法或乘同余法产生白噪声的方法n o i s e o 。 编写用于初始化模型常数的方法c o n s t a i l t i n i t o 。在该方法中对模型中的常量进 行赋值并添加白噪声。 编写用于积分计算的方法d e r i v s o ，在该方法中首先计算各中间变量的值，然后 再进行模型积分计算。 2 3 2 数值算法集成方法 发酵过程仿真的机理模型集成方法如图2 3 右上角数值算法库虚线框部分所示。 在实际的发酵过程仿真中，研究人员往往希望通过使用不同的数值算法来对同一个发 酵过程进行仿真，并对仿真的结果进行比较，同时由于数学模型本身存在结构和表达 形式上的差异，各种数值算法的适用度是不同的，因此要构建发酵仿真的集成化系统 平台就必须为创建可高度自定义的数值算法库提供支持。在构建实际的数值算法库 1 2 第二章基于0 p c 的发酵过程仿真集成系统研究 时，同样地将数值算法的具体执行过程封装在一个标准化的对象内，仅将该对象中数 值算法的调用接口形式公布在外，执行仿真过程时，由于已经了解了该算法的接口形 式，提供必要的接口参数就可以执行该算法并获得计算结果。因此无论数值算法内部 是多么的复杂，使用者都只须关注该算法的接口形式，而不必了解该算法的真实过程。 使用该集成方法来构建数值算法库，可以大大简化仿真实例的丌发过程。因此，数值 算法类要完成的主要工作是以函数的形式实现数值算法的迭代过程。若干数值算法类 集合在一起就构成了平台的数值算法库。 数值算法实例设计的一般性原则： 由于在数值算法类的迭代过程中需要多次使用某机理模型中的积分计算函数， 但在生成具体的仿真实例之前，该模型类的具体值是未知的，因此，为了保证数值算 法类的通用性，应该首先将该类声明为一个类模板，在使用时，首先根据仿真实例中 选用的模型类，生成仿真实例中选用的算法类模板的模板类。即先实现一个下列形式 的数值算法类模板： 类模板声明部分： t e m p l a t c c l 螂g o r i t h e m l p u b l i c ： 9 0 r i t h e m1 0 ； v o i da i g o r i t h e m ( 输入参数、输出参数、循环控制参数) ； 。 叫u g o r i t h e m 1o ； 上述代码中符号t 指代的是在仿真实例中选取的某模型对象的描述类。 类模版的实现部分： t c m p l a t e 烈g o r i t h e m l ：v o i da 1 9 0 r i t h e m ( 输入参数、输出参数、循环控制参数) t ：d e r i v e s