（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm9的生物发酵过程数字控制系统研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的发展，生物发酵拥有广阔的发展前景。近年来，生物发酵技术和发 酵装置作为生物技术产业化的基础，已得到了人们的广泛关注。发酵过程本身复杂，控 制难度很大。同时随着生产技术的进步，对过程控制的精度要求也越来越高。因此，开 发适用于工业级的生物发酵控制系统，减少生产成本，增加产量，提高产品的质量，具 有重要的现实意义。 本文根据生物发酵的流程特点和当今国内市场的切实需要，在总结国内外相关研究 的基础上，针对非线性、时变、大滞后的发酵过程，将先进的控制技术应用到生物发酵 控制系统中。生物发酵过程中，发酵液的温度、溶解氧浓度、补料量是非常重要的参数， 既影响细胞的生长也影响产物的形成。对于不同发酵对象及不同容量的发酵罐，温度的 变化比较大，为了实现系统的通用性，应用模糊p i d 算法对温度进行控制。对于生物发 酵过程，精确的溶解氧浓度和补料控制的数学模型很难建立，传统的控制方法很难在溶 氧控制系统和补料控制系统中达到好的效果，引入模糊神经网络控制，将模糊控制理论 的逻辑推理技术和神经网络的自学习能力有机结合起来。并将改进的模糊神经网络应用 于青霉素发酵过程中，实现溶氧和补料系统的优化控制。 系统在硬件设计上采用a r m 9 微处理$ 3 c 2 4 1 0 a 作为主控制器，提高了系统的运行 速度和数据处理能力，并根据系统所要实现的功能，设计了硬件模块进行数据采集和远 程监控。为满足生物发酵过程监控的实时性和处理复杂多任务的需要，构建嵌入式l i n u x 软件平台，并在这个平台下实现生物发酵参数的实时采集和控制。在系统中嵌入i n t e m e t ， 通过i n t e m e t 在w i n d o w s 环境下实现远程监控。在客户机的w i n d o w s 环境下搭建j a v a 开发环境，利用j a v a a p p l e t 技术访问s q l 数据库，实现控制系统的实时监控。 本文的工作重点包括：主要参数测量与控制、补料控制、系统的总体设计、嵌入式 系统设计、应用程序设计以及通信设计。本发酵过程数字控制系统对发酵过程进行实时 监控、优化操作，不仅能避免人工操作的不确定因素，提高自动化水平，而且能够对发 酵过程中主要参数进行有效控制，实现智能补料和远程控制，具有重要的现实意义。 关键词：生物发酵，a r m 9 ，嵌入式l i n u x ，模糊p i d 控制，模糊神经网络，嵌入式i n t e r n e t 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , f o r e g r o u n do fb i o l o g yf e r m e n t a t i o nw i l lb em u c h w i d e r i nr e c e n ty e a r s ，p e o p l ea r ep a y i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ob i o l o g yf e r m e n t a t i o n t e c h n o l o g ya n df e r m e n t a t i o ne q u i p m e n t sw h i c ha r et h ef o u n d a t i o no fb i o l o g yt e c h n i c a l i n d u s t r y h o w e v e rt h ef e r m e n t a t i o np r o c e s si sv e r yc o m p l e xa n dd i f f i c u l tt oc o n t r 0 1 a n d a l o n gw i t ht h ed e m a n df o rg r o w i n gp r o d u c e ，t h ed e m a n df o rt h ep r e s i s i o no fp r o c e s sc o n t r o l i sb e c o m i n ge v e nh i g h e r t h u si ti sv e r yi m p o r t a n tt od e s i g naf e r m e n t a t i o np r o c e s sc o n t r o l s y s t e m ，s oa st oi n c r e a s ep r o d u c ee f f i c i e n c ya n dr e d u c ei n d u s t r yc o s t a c c o r d i n gt ot h ep r o f i l eo fb i o f e r m e n t a t i o np r o c e s st h ec u r r e n tm a r k e tr e q u i r e m e n ta n d t h er e l a t i v er e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d i na l l u s i o nt ot i m e v a r y i n g ，n o n l i n e a r i t y , t i m e l a g a n dr a n d o mo ft h eb i o l o g yf e r m e n t a t i o nc o n t r o lp r o c e s s ，t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g yi s i n c o r p o r a t e d i n t o t h ec o n t r o l s y s t e m f e r m e n t a t i o nt e m p e r a t u r e ，d i s s o l v e do x y g e n c o n c e n t r a t i o na n df e e d i n gq u a n t i t ya r ev e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e ri nt h ef e r m e n t a t i o np r o c e s s ， w h i c hn o to n l ya f f e c tc e l lg r o w t h ，b u ta l s oa f f e c tt h ef o r m a t i o np r o d u c t f o rd i f f e r e n to b j e c t s a n dd i f f e r e n tf e r m e n t a t i o n c a p a c i t yf e r m e n t e r s ，t h e r e a r er e l a t i v e l y l a r g ec h a n g e s i n t e m p e r a t u r e i no r d e rt oa c h i e v et h es y s t e mi n t e r o p e r a b i l i t y , f u z z y p i da l g o r i t h mi sa p p l y e d t oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r e f o rb i o - f e r m e n t a t i o np r o c e s s ，i ti sd i f f i c u l tt oe s t a b l i s ht h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fd i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o na n df e e d i n g t r a d i t i o n a lc o n t r o l m e t h o di sd i f f i c u l tt oa c h i e v eg o o dc o n t r o lr e s u l t si nt h ed i s s o l v e do x y g e nc o n t r o ls y s t e ma n d f e e d i n gs y s t e m s of u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o la l g o r i t h mi se m p l o y e d f u z z yn e u r a l n e t w o r ks o l u t i o nc o n t r o la l g o r i t h mc o m b i n e sl o g i cc o n t r o lt e c h n i q u e so ff u z z yt h e o r ya n d s e l f - l e a r n i n ga b i l i t yo fn e u r a ln e t w o r k s a n dt h ei m p r o v e df u z z yn e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h mi s u s e di np e n i c i l l i nf e r m e n t a t i o nt oa c h i e v eo p t i m a lc o n t r o lo fd i s s o l v e do x y g e na n df e e d i n g s y s t e m a r m 9m p u 一$ 3 c 2 410 ai su s e da st h em a i nc o n t r o lu n i t ，w h i c hi n c r e a s e dt h eo p e r a t i n g s p e e d a n dd a t ah a n d l i n g c a p a c i t y o ft h e s y s t e m a c c o r d i n g t ot h ef u n c t i o no ft h e s y s t e m ，m o d u l e so fp a r a m e t e rm e a s u r ea n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nw h i c hc o l l e c t sd a t aa n d m o n i t o r sr e m o t e l ya r ed e s i g n e d i no r d e rt os a t i s f yt h ed e m a n do fr e a l - t i m ea b i l i t ya n d m u l t i t a s k m a n a g e m e n t ，b u i l d e m b e d d e d l i n u xs o f t w a r e p l a t f o r m i n t h el i n u x p l a t f o r m ，a c h i e v e db i o l o g i c a l f e r m e n t a t i o n p a r e m e t e r s r e a l t i m e a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l l i n g a c h i e v e r e m o t e m o n i t o r i n gt h r o u g he m b e d d e d i n t e r n e ti nt h ew i n d o w s e n v i r o n m e n t j a v ad e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti sb u i l ti nt h ew i n d o w se n v i r o n m e n t a n dj a v a a p p l e tt e c h n o l o g yi s u s e dt oa c c e s ss q ld a t a b a s et oa c h i e v er e a l t i m em o n i t o r i n go ft h e d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m t h ef o c u so ft h ew o r ki n c l u d e st h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo fm a i np a r e m e n t s t h e f e e d i n gc o n t r o l ，t h es y s t e md e s i g n ，e m b e d d e ds y s t e md e s i g n ，a p p l i c a t i o np r o g r a m m ed e s i g n 江苏大学硕士学位论文 a n dc o m m u n i c a t i o nd e s i g n t h ef e r m e n t a t i o nd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mc a l lm o n i t o ra n do p t i m i z e t h ef e r m e n t a t i o np r o c e s so nt h er e a lt i m e i tn o to n l ya v o i dt h eu n c e r t a i nf a c t o r si nm a n u a l o p e r a t i o n ，r a i s e t h ea u t o m a t i o n l e v e l ，b u t a l s oc o n t r o l t h e m a i n p a r a m e t e r e f f i c i e n t l y ，i n t e l l i g e n tf e e d i n ga n d r e m o t ec o n t r 0 1 i th a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：b i o l o g yf e r m e n t a t i o n ，a r m 9 ，e m b e d d e dl i n u x ，f u z z y p i d ，f u z z y n e u r a ln e t w o r k ， e m b e d d e di n t e r n e t 1 1 1 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 学位论文作者签名： 保密口， 在年解密后适用本授权书。 不保密。 孙留镌 导师签名： 签字同期：讪f o 年月1 1 同 签字日期： 游卜巾 z 加 万 年了跏 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。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包 含任何其他个人或集体己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，均己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。 学位论文作者签名：豳、穗箱 日期： z 力l o 年6 月i 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 生物技术又称生物工程，是现代生物科学和工程技术相结合的产物，是计算机技术 革命之后又一次实用的技术革命l 。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 1 1 3 1 。 近年来，随着生物技术和相关产品的迅速发展，作为生物技术产业化基础的生物发 酵技术和装备，越来越受重视。控制精度良好、自动化程度高的发酵过程控制能够减少 生产成本、增加产量和提高产品质量。随着发酵工业中发酵罐体积的越来越大，并行控 制的发酵罐越来越多，对于这样的发酵系统，若操作控制不当，将会造成极大的经济损 失。因此，发酵过程的参数检测、操作监视、自动控制，己成为发酵生产管理及其自动 化的关键问题。若能采用计算机技术对发酵过程进行实时控制、管理和优化，不但能解 决上述问题，而且可以降低工人的劳动强度，提高自动化生产水平【4 l 【”。 发酵过程控制包括操作条件稳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，而系统的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 后根据模型对影响发酵过程的关键参数一p h 值、溶解氧浓度、温度、进气、补料等进 行寻优计算，以确定这些控制变量的最优时间策略1 6 儿。对此仅用常规仪表无法实现， 必须借助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，检测和控 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。 本系统引入智能控制算法，在一定程度上解决生物发酵过程难以控制的难点。同时 将功能强大的嵌入式系统应用到生物发酵控制领域里来，提高生物发酵设备的自动化程 度，从而增加生物发酵产量，促进生物工程的进步，不仅对于嵌入式系统应用具有巨大 的意义，而且对于加速生物工程领域的发展步伐也具有深远影响。 1 2 生物发酵技术与发酵装备现状与发展 为了对过程参数进行检测，国外研制了很多种类的传感器，如对温度、罐压、搅拌 转速和功率、气体和液体流量、液面高度、液体粘度、p h ，溶解氧、氧化还原电位、葡 萄糖浓度以及某些关键性酶和产物的浓度等【8 l 【9 】。在生产控制方面，从6 0 年代开始将计 算机应用于模拟发酵过程和用于谷氨酸、青霉素的生产过程后，计算机在发酵过程中的 应用也越来越多i l o 】【l lj 。现在许多国家对生物发酵设备的研究和开发都高度重视，比如： 瑞士比欧生物工程公司生产各种型号的生物反应器且有专用的控制软件包，既能进行 s p c 控制，又能进行d d c 控制，且能进行尾气分析控制和远程控制：美国n e w 江苏大学硕士学位论文 b r u n s w i c hs c i e n t i f i c 公司的产品可通过空气、氧气、氮气和二氧化碳来控制溶氧 和二氧化碳，开发了n b sa f sb i o c o m m a n d 优化控制软件。国外的发酵设备领先于 国内，一个重要的特点体现在自动化程度上，如在控制精度方面，p h 控制可精确在士0 0 1 ， 温度控制也达到士0 1 ，像法国宝乐菲( b i o l a f i t t ) ，闩本丸菱株式会社( b e m a r u b i s h i ) 的发酵罐系列等。 针对当前发酵工业领域里存在的问题，国内已经有人开始吸收国外的先进经验和技 术，将先进的工业控制技术尝试着应用到发酵设备中，采取的手段和方法也各不相同： 有的采用专门的工控软件来控制，如上海高机生物工程设备有限公司的b i o f 6 0 0 0 型生 物发酵罐系列；有的采用工业用p l c 来进行控制，如镇江东方生物工程设备有限责任 公司生产的g u c t 系列生物发酵罐等等，这些手段的结果相似：如在控制精度方面，p h 控制可精确在士0 0 5 左右，温度控制一般也只在士0 5 左右。 1 3 生物发酵发酵过程测控系统研究现状 近年来，由于计算机技术的迅速发展和性能价格比的提高，尽管存在上述各种应用 上的问题，但计算机在发酵过程的应用已大幅增加，各有关实验室和工厂普遍采用发酵 计算机测控系统。从发酵测控系统的测控方法来看，目前用于发酵过程实时控制和数据 处理系统主要有单片计算机系统、工控机、p l c 、集散控制系统( d c s ) 和现场总线系统 ( f c s ) 等，发酵生产的规模和应用场合不同要求不同的计算机测控系统配置。 一、基于嵌入式系统的发酵测控系统 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可以裁减、能适应应用 系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统一般 由嵌入式为处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组 成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器，从应用角度来看，嵌入式处理器可以分为 四种类型：嵌入式微处理器( e m p u ) 、嵌入式微控制器( m c u ) 、嵌入式d s p 处理器、嵌 入式片上系统( s o c ) 。嵌入式微控制器又称单片机，最常见的单片机就是5 l 单片机，和 嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成 本下降、可靠性提高。嵌入式d s p 处理器指的是数字信号处理器( d s p ) ，该处理器对系 统结构和指令进行了特殊设计，时期适合于执行d s p 算法，编译效率较高，指令执行 速度也较高。s o c 是嵌入式系统的一种新的设计创新，它是指嵌入式系统被设计到单个 的硅片上，s o c 可以嵌入网络协议，可以嵌入一个加密功能单元，可以嵌入用于信号处 理的离散余弦变换，还可以嵌入f p g a 核。 2 江苏大学硕士学位论文 嵌入式应用已由工业、通信和网络扩展到数字多媒体相关的消费领域，其抢进的发 展势头验证了全球数字化革命的倡导者戈洛庞帝的语言：嵌入式应用是p c 和互联网之 后最伟大的应用发明。嵌入式系统的广泛应用已经渗入到我们日常生活的各个方面，在 手机、m p 3 、p d a 、数码相机、电视机，甚至电饭锅、手表里都有嵌入式系统的存在， 工业自动控制、仪器仪表、汽车、航空航天等领域更是嵌入式系统的天下。在工业控制 方面，已经有很多厂商开发了各种工业控制嵌入式主板或是单板机。如威盛的e t x 、 s b c 、p c i 0 4 嵌入式主板，研华公司的系列a d v a n t e c h z w o r l d 的r a b b i t 系列带 以太网接口的嵌入式单板控制器，研祥智能科技的e v o c 嵌入式智能平台等。 在实际应用中，嵌入式系统可根据具体测控对象尽享软硬件裁剪。系统一般采用模 块化结构，分为信号输入模块、驱动模块、主控模块、显示、键盘模块等。通过信号输 入模块，对传感器送来的信号进行放大、滤波和变换，并使输入信号和主控模块隔离； 主控模块接到输入模块送来的信号，经过m c u 运算，输出到驱动模块，驱动执行机构 动作；显示、键盘模块完成测控系统的人机交互功能。 基于嵌入式系统的发酵测控系统，体积小、功耗小、重量轻、成本低、速度快、可 扩展性好、配置灵活、控制稳定、功能齐全。由于嵌入式操作系统的应用，大大降低了 编写程序的复杂度，开发周期短，开发效率高，系统的实时性和可靠性高。在复杂化和 分散化不断加强的工业现场控制领域，市场对嵌入式系统的需求也越来越强烈，构建基 于嵌入式的测控系统是工业控制领域的重要发展方向。 二、基于i p c 工业控制计算机的发酵测控系统 工业控制计算* 步l ( i p c ，i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) ，是一种加固增强型的非人计算 机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。8 0 年代初期，美国a d 公司推 出了类似i p c 的m a c 1 5 0 工控机，随后美国l b m 公司正式推出工业个人计算机 i b m 7 5 3 2 。由于i p c 得性能可靠、软件丰富、价格低廉。使其在现代工业控制中应用日 趋广泛。 一方面，工业控制计算机可以通过输入输出卡直接对生产过程进行控制，通过数据 采集卡采集数据，并存储和处理，然后通过控制输出卡对生产过程进行控制；另一方面， 可以将常规控制仪表和工业控制计算机组成二级控制系统，由常规控制仪表完成基础级 自动控制，工业控制计算机作为上位机完成数据存储、显示和各种高级控制，如过程优 化控制、储存式程序控制等。 工业控制计算机以其存储通量大、执行效率高等优点在发酵过程控制中得到了广泛 的应用。范茂兴等对苏氨酸和异亮氨酸发酵进行了分析【1 2 1 ，建立了其发酵过程的数学模 型，并用s t d 工业控制计算机组成发酵过程微机控制系统对发酵进行了优化控制。系 统实现罐温、罐压、进气流量、p h 值、溶解氧浓度等参数的在线检测，并以基质浓度 为观测量，使用扩展卡尔曼滤波法对发酵过程非线性模型进行状态在线估计，得到菌体 3 江苏大学硕士学位论文 浓度和产物浓度的估计值。对温度、压力、进气流量、p h 值和进料流量等参数实现了 反馈控f 若t j ( p i d 控制、串级控制、p i d 参数自整定控制和自适应控制等) ，并根据优化要 求去改变设定值。经过系统的投入运行证明微机测控系统比常规人工操作的发酵时间缩 短2 0 ，产酸率提高1 0 左右。y e n - c h u nl i u ，f e n g s h e n gw a n g 使用工业控制计算机和 h p l c ( 色谱仪) 开发了发酵过程的在线监控系统【l3 1 ，通过自动采样装置，h p l c 按设定的 时间对发酵液进行采样分析，并把分析的信号送入工业控制计算机的信号输入端，实现 了葡萄糖浓度和乙醇浓度的在线检测。此外，系统还实现对p h 、搅拌速度、进气流量、 补料速率的测控和控制。 工业控制计算机小型化、模块化、组合化、标准化的特点和其开放式的结构，软件 兼容性好，使发酵过程微机控制系统开发周期短。但与基于嵌入式的发酵测控系统相比， 作为工业现场控制器，组建上规模的系统，成本会随之升高。 三、基于p l c 的发酵测控系统 p l c 源于继电器控制装置。早期的p l c 主要由分立元件和中小规模集成电路组成， 简化了计算机的内部电路，对工业现场环境适应性较好，指令系统简单，一般只有逻辑 运算的功能。近年来，随着计算机、控制以及通讯等技术的高速发展，p l c 逐步发展成 为一种以微控制器为核心，综合了自动控制、数据采集与处理、网络通讯等功能于一体 的高度集成化工业控制装置。 p l c 具有稳定性高、抗干扰力强、使用方便、体积小、功能强、可扩展性好等特点。 p l c 是一种适合于生产过程和现场工程，具有广泛使用价值的工业控制器。目前，p l c 在各类发酵过程中有着广泛的应用，天津轻工业学院的严新忠，张亚刚采用西门子 s 7 2 0 0p l c 作为下位机直接控制发酵罐现场，p c 机作为上位机进行数据采集与处理， 上下位机之间通过串口进行通讯，使系统实现了自动控制功能l i 引。肖应旺和徐保国等针 对补料分批发酵过程的特点，设计了一套适合于现场控制策略的计算机测控系统i l 引，采 用o m r o n 公司的c 2 0 0 h e p l c 进行了数据的采集、常规控制任务及补料控制。王秀清、 李淑清等应用p l c 实现了计算机对发酵过程的数据采集和实时控制i l 叫，温度采用数字 滤波，精度达到士0 2 ，溶解氧浓度由电机的搅拌为主控制，p h 值控制在5 5 左右，为 发酵过程优化控制的进一步研究提供了依据。江南大学的熊伟丽，徐保国等人针对发酵 过程罐温大滞后和时变性的特点，提出了一种基于p l c 的复合模糊控制算法，并利用 欧姆龙p l c 实现了模糊控制器和p i 调节器，大大提高了系统智能化程度，通过实践结 果表明，系统能有效抑制纯滞后的影响，而且鲁棒性型1 7 1 。 p l c 的高度集成化、配置灵活，使测控系统得组建难度降低，同时增强了测控系统 的扩展性。p l c 作为工业控制的核心部件，其在网络、通信等方面的能力越来越强，具 备远程监控要求的数据采集、实时控制和数据处理功能。 4 江苏大学硕士学位论文 四、基于集散控制系统的发酵测控系统 集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 是以微处理器为基础的新型数字控制系统 【1 8 1 。它是计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术结合的产物，是完成过程控 制、过程管理的现代化设备。由于采用了多级分层的机构形式，不仅可以实现稳定的生 产，而且满足了企业管理的要求，在生化工程大规模领域得到了广泛的应用。计算控制 系统的主要特性是它的集中管理和分散控制。随着计算机技术的发展，网络技术已经使 集散控制系统不仅主要用于分散控制，而且向着集成管理的方向发展。 随着生物技术在我国的迅猛发展，实验室用的小型发酵系统也逐渐由简单的人工操 作向自动化、智能化发展。江苏大学生物工程研究所在多年从事发酵系统研究、设计和 制造的基础上成功地开发出一套低成本、高可靠性、针对小型发酵系统的d c s ，并分析 了目前国内发酵生产普遍采用的计量罐补料方法的缺点，针对生物发酵的特点及： 艺要 求，采用流量计控制补料，大大提高了补料的效率。管国强，黄达明等使用单片机和普 通微机开发了一种用于实验室发酵研究的发酵过程d c s1 1 9 j 。下位机来用a t 8 9 c 5 2 为核 心，系统实现了对温度的自适应控制，对溶氧的串级控制，p h 的时问比例控制和补料 的定时控制。张红奎和温瑞使用浙大中控的j x 3 0 0 xd c s 应用在制药企业抗生物原料药 生产中，获得了较理想的控制效果1 2 0 1 。张玉珊等人在发酵过程中采用一种基于p c 机和 单片机的d c s ，一台p c 上位机通过r s - 4 8 5 通讯总线和多台单片型下位机相连，实现 了对发酵过程的参数检测和控制1 2 。f r a n kj r o m e u 对发酵过程、发酵测控系统及参数 检测设备进行了分析，基于d c s ，从方法论的角度研究发酵测控系统的构建方法1 2 引。 江南大学潘丰针对我国发酵企业规模相对较小而控制要求较高的情况，开发了适用于发 酵过程优化控制的低成本、开放型、高性价比的d c s l 2 3 1 ，硬件采用分布式结构，软件 采用面向对象的模块式编程方法，创建了智能控制系统的新型结构体系。 d c s 控制系统的使用大大提高了工作效率，用户操作简单明了，过程参数监控直观、 形象。工艺参数设置方便、灵活，控制方案先进、精确，大大提高了生产的自动化、智 能化水平。随着计算机技术的高速发展，工艺过程的不断完善以及对生产控制和管理水 平要求的不断提高，采用集散控制系统( d c s ) 已经成为适应现代企业发展需要的必然趋 势。但是d c s 系统也有其不可避免的缺点：例如投资大，结构复杂等。 五、基于现场总线技术的发酵测控系统 现场总线是安装在生产过程区域的现场设备仪表与控制室内的自动控制、装置系 统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。其中“生产过程”包括断续生产过程 和连续生产过程两类。或者，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制 设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动化功能的网络系 统与控制系统。现场总线控制系统( f c s ) 是2 0 世纪9 0 年代兴起的新一代工业控制技术， 江苏大学硕士学位论文 它将当今网络通信与管理的概念引入工业控制领域，被称之为“2 l 世纪控制系统结构体 系”。f c s 将构成自动化系统的各种传感器、执行器及控制器通过现场总线网络联系起 来，通过网络上的信息传输完成传统中需要硬件连接才能传递的信号，并完成各种设备 的协调，实现自动控制【2 4 l 。 兰州理工大学的姜映红和李丙_ 才使用西门子s 7 - 4 0 0 p l c 作为数据采集和控制系统 1 2 5 1 ，采用p r o f i b u s d p 总线技术实现p l c 主站和分布式i o 从站控制功能，提高啤酒 发酵的自动化控制水平。江南大学的王海霞，徐保国对b 一干路聚糖发酵过程设计了一套 基于p r o f i b u s d p 的现场总线控制系统1 2 6 1 ，简化了系统结构，提高了控制效果。福州 大学的何用辉等采用c a n 总线对啤酒发酵过程的各种工艺参数进行自动控制，取得了 较好的使用效果1 2 7 1 。王献伟等提出了基于基金会现场总线( f f ) 技术的发酵罐控制系统项 目改造设计，并实现了3 个容量为1 0 0 m 3 的发酵罐控制1 2 引。 现场总线技术得以实现的一个关键问题，是要在自动化行业中形成一个制造商们共 同遵守的现场总线通信协议技术标准，制造商们能按照标准生产品，系统集成商们能按 照标准将不同产品组成系统。这就提出了现场总线标准的问题。目前国际上现有各种总 线及总线标准不下2 0 0 多种。具有一定影响和己占有一定市场份额的总线有如下几种： p r o f i b u s ，f f ，l o n w o r k s ，c a n b u s ，w o r l d f i p ，p - n e t 现场总线等。 由于现场总线技术是一种新兴的自动化控制技术，虽在工业各行业中得到广泛的应 用，但是其技术规范还不成熟，各厂家系统互操作性差，价格高，标准不统一致使现场 总线技术很难在发酵测控系统中得到普及。 1 4 生物发酵过程控制方法的研究现状 进入2 l 世纪，伴随着相关技术的进步，生物技术也得到了飞速发展，发酵过程控 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 等提出了二进制控制非线 性不确定系统的思想四j ，特备研究了联系发酵过程控制问题，利用非线性模型、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 提出了基于多模型和权重自适 应预测函数控制模型1 3 0 l ，研究了非线性连续发酵过程与运行条件，改进加权多模型控制 策略，用来克服扰动切换f o - j 题。2 0 0 5 年w a n gh a i x i a 运用i f i 量0 1 , ( s v m ) 模型l 引j ，利用 免疫遗传算法，在化妆材料发酵过程控制中实现参数的优化控制。l e v i s a u s k a s 等提出了 基于反馈率优化的控制模型【3 2 1 ，通过预先确定的各类饲料利用率进行参数优化。 o d e t u n j 等把模糊逻辑控制模型引入到发酵过程中【3 3 】，并模拟其运作方式，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p 引，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 引入人工 智能理论1 3 5 1 ，利用人工神经网络( a n n ) 的动态模型，控制酵母连续发酵生物反应器的温 度，所得结果与现行预测控制模型( l m p c ) 同p i d 控制器进行了对比，并提出了基于预 6 江苏大学硕士学位论文 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 对几种不同抗生素的培养控制模型 进行了对比p 6 j 。 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f 欧运用非线性 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好的控制性能i 3 7 1 1 3 8 l 。2 0 0 4 年马勇和 黄德先等人，常玉清和王福利等利用基于支持向量机的软测量方法【3 9 】1 4 0 j 【4 i l ，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 , - 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 年肖杰和周泽奎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寻优1 4 2 l 。 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，提出了基于非线性自 回归滑动平均( n a r m a ) 模型4 引，设计了神经网络自回归滑动平均( n n - n a r m a ) 模型。 潘丰和李海波提出了一种新型的动态模型递归补偿模糊神经网络l ，结合弹性b p 算法，把它应用于某多粘菌素的发酵过程建模与状态预估。2 0 0 5 年赵江和张贵炜等提出 了利用多模型融合技术进行发酵过程建模的新方法，该方法能够将在线和离线参数同时 用于建模中，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，必须全面控制。( 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，从目前的研究和应用进展 看，远未达到目标。目前研究主要还在理论探讨、模拟和实验阶段，尚没有成熟的应用 系统出现。 1 5 论文的主要研究内容 本论文的研究内容是国家8 6 3 项目( 2 0 0 7 a a 0 4 2 1 7 9 ) “基于模糊神经逆的生物反应过 程软测量技术及优化控制”的一部分。论文围绕发酵过程关键参数的检测与控制问题展 开讨论，给出了基于a r m 9 的生物发酵过程数字控制系统的研究方案。生物发酵过程中， 发酵液的温度、溶解氧浓度、补料量是非常重要的参数，既影响细胞的生长也影响产物 的形成。对于不同发酵对象及不同容量的发酵罐，温度的变化比较大，为了实现系统的 通用性，我们应用模糊p i d 算法对温度进行控制。对于生物发酵过程，精确的溶解氧浓 度和补料控制的数学模型很难建立，传统的控制方法很难在溶氧控制系统和补料控制系 统中达到好的效果，所以我们引入模糊神经网络解耦控制，将模糊控制理论的逻辑推理 技术和神经网络的自学习能力有机结合起来。并将改进的模糊神经网络应用于青霉素发 酵过程中，实现溶氧和补料系统的优化控制。 江苏大学硕士学位论文 。全文分为以下五个部分： 第一章是课题研究综述。对课题背景、研究目的、意义做了简要说明。着重介绍了 国内外生物发酵主要的测控方式和控制方法的发展现状，并根据目前发酵过程控制存在 的问题，提出了进行发酵过程数字控制系统研究的意义。 第二章对发酵过程中主要参数的检测与控制进行了阐述，重点对发酵过程中的温度 和溶解氧浓度的检测进行分析研究。运用模糊p i d 对温度进行控制，运用模糊神经网络 对溶解氧浓度及分批补料进行控制，并将其运用到青霉素发酵过程中，实现优化控制。 第三章是发酵过程控制系统的总体设计。设计了生物发酵数据采集和网络通信等硬 件模块，对生物发酵过程参数的采集和远程监控。 第四章阐述构建嵌入式l i n u x 软件开发平台。 第五章阐述基于a r m 9 的生物发酵数字控制系统的软件设计及系统实现。 第六章总结经验与展望。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章生物发酵过程中主要参数的检测与控制 2 1 引言 微生物与物理化学过程不同，生物过程往往要涉及成千上万个物理过程和化学过 程。因此，生物过程有着特别的特征：( 1 ) 动力学模型呈高度的非线性；( 2 ) 随着发酵过 生物反应的进行，或者随着发酵批次的不同，过程的动力学模型模型参数常常变化不定， 呈现强烈的时变性特征，这对于某些生物过程甚至无法用数学模型来对动力学特征进行 定量的描述；( 3 ) 除了某些简单的物理和化学状态变量，如温度、p h 、压力、气体分压、 溶解氧浓度外，绝大多数生物变量( 如，物量、营养物质浓度、代谢产物浓度、生物活 性等) 是很难在线测量的，尽管近年来生物电极和传感器技术的飞速发展使得某些生物 状态量的测量成为可能，但是测量噪声、稳定性、苛刻的操作维护条件、价格等因素依 然制约着生物电极在生物过程中的应用；( 4 ) 生物过程由于涉及到许多物理过程和化学反 应，其相互之间的作用和影响必然造成了生物过程的响应速率慢、在线测量带有大幅时 间滞后的特征。生物过程的上述特征，使得基于线性动力学模型的传统的控制与优化理 论难以适应和满足生物过程控制与优化的要求。 与传统的过程控制相比，生物过程的控制和优化还具有以下特点：( 1 ) 不需要太高的 精度，除了某些温度、p h 感受性很强的菌种的发酵过程外，控制指标不需要也不可能 1 0 0 完全准确的控制在某一水平上，只要不影响生物过程整体最优指标，各控制指标 ( 如浓度等) 在一定范围内的波动是可以接受的；( 2 ) 生物过程各状态量之| b j 往往存在着 一定的连带关系，难以在线测量的生物龟在一定程度上是可以通过简单易测的物理和化 学量而间接测量的，因此，相当部分的生物过程和优化控制时一种间接的优化和控制； ( 3 ) 相当数量的工业规模或实验室规模的生物过程，由于没有合适的定量数学模型可循， 其控制与优化操作还必须完全依靠操作人员的经验和知识来进行。然而，这种依靠经验 的操作管理方式受到操作人员的能力、素质和专业知识的影响，优化控制性能因人而异， 差别很大。近年来，随着建立在专家知识和计算机基础之上的人工智能技术、模糊推理 技术、专家系统和其他情报处理技术的飞速发展，上述人工智能的理论和技术在许多生 物过程中得到了实际应用【4 引。 2 2 生物发酵过程中主要参数的检测 对生物发酵过程进行有效的操作和控制，首先要解决的是发酵过程有关参数的在线 测量问题。其中需要测量的生化过程参数包括： 9 江苏大学硕士学位论文 物理参数温度( d 、压力( p ) 、发酵液体积( v ) 、空气流量( f a ) 、冷却水流量( f w ) 、 冷却水进出e 1 温度( t 1 ，t 2 ) 、搅拌马达转速( r m i n ) 和泡沫