工业乙醇发酵系统的计算机模拟.doc

南京工业大学南京工业大学 2009 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 题 目 工业乙醇发酵系统的计算机模拟 学 院 专 业 班 级 姓 名 孙忠潇 指导教师 起讫日期 2009 年 2 月 25 日 2009 年 5 月 7 日 2009 年 6 月 南京工业大学本科生毕业设计 论文 I 工业乙醇发酵系统的计算机模拟 摘 要 与石油能源相比 乙醇不仅是理想的替代品 而且是十分重要的清洁能源 广泛地 用于食品 化学 医药 燃料 国防等行业 随着发酵技术的发展以及工业生产要求的 提高 人们提出了许多发酵动力学模型来研究发酵过程和分析发酵过程 但是对于工业 化生产的贡献不高 而计算机技术的发展为进一步研究和提高乙醇工业制取效率提供了 可靠的硬件支持 使进一步发展发酵动力学仿真技术成为可能 本文在前人提出的众多发酵动力学模型的基础上 结合工业乙醇连续发酵的实际情 况 首先对经典的流加半经验半理论模型进行动态和稳态仿真 之后为了与实际生产过 程联系更加紧密 逐步将温度 气体排放等因素考虑到模型中去 进行综合性仿真 最 后再结合 GUI 技术 以动力学模型为核心 以人机界面友好为目标 制作乙醇连续发酵 仿真软件 将脚本语言编程技术和模块化仿真技术结合起来 建立起工业乙醇发酵的仿 真平台 关键词关键词 乙醇 发酵 动力学模型 仿真 模块化 Abstract II The computer supported simulation for industrial ethanol fermentation Abstract Compared to petrol ethanol is an ideal substitute Ethanol is clean so it can be used widely in food industry chemistry medicine fuel industry and even national defense With the development of fermentation technology and the enhancement of industry demand people have rendered many kinetic models to investigate and analyze the process of fermentation however the classic fermentation sole does little to promote the industry As computer technology develops the accuracy and speed can be ensured which make it possible to further investigate and promote the producing rate of ethanol in industry On the base of mathematical models rendered taking the practical factors of the industrial ethanol continuous fermentation into consideration temperature and gas parameters are added into them then the simulation could be carried out Finally combining the GUI technique targeting the friendly interface between people and computer the continuous fermentation simulation soft can be made It finds a perfect balance between programs and modularization so that it s more convenient and reliable Keyword ethanol fermentation kinetic model simulation modularization 南京工业大学本科生毕业设计 论文 III 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第一章 绪 论 1 1 1 引言 1 1 2 工业乙醇发酵方法与工艺 2 1 2 1 工业乙醇发酵方法 2 1 2 2 工业发酵流程简介 3 1 2 3 乙醇发酵工艺 4 1 3 本文主要内容与目标 5 第二章 乙醇连续发酵模型与初步仿真 6 2 1 经验模型与半经验模型 6 2 2 连续发酵动力学模型及其计算机求解方法 9 2 3 乙醇连续发酵仿真的前期准备 12 2 4 乙醇和水的混合问题 14 2 5 乙醇连续发酵的稳态仿真和动态仿真 16 2 6 小结 19 第三章 乙醇连续发酵模型的改进及其模块化动态仿真 20 3 1 SIMULINK的作用 20 3 2 乙醇连续发酵模型的改进 21 3 2 1 考虑温度因素的影响 21 3 2 2 产生气体对物料流量的影响 21 2 CO 3 2 3 实际生产过程中的扰动 22 3 3 乙醇连续发酵模块模型的建立与仿真 22 3 3 1 单罐仿真 22 3 3 2 理想情况下系统仿真 23 3 3 3 考虑温度因素的系统仿真 24 目 录 IV 3 3 4 产生气体对物料流量影响的仿真 25 2 CO 3 3 5 考虑无水乙醇与水互溶时体积变化 26 3 3 6 考虑实际存在的扰动 27 3 4 小结 28 第四章 乙醇连续发酵改进模型的稳态仿真 30 4 1 考虑温度因素的稳态仿真 30 4 2 考虑气体排放对流量的影响 30 2 CO 4 3 将温度因素与气体排放结合 32 4 4 小结 33 第五章 乙醇连续发酵仿真软件设计与制作 34 5 1 GUI 的使用 34 5 2 乙醇连续发酵稳态仿真软件界面 38 5 3 SIMULINK动态仿真控制器制作 41 5 4 综合软件的制作 47 5 5 小结 50 第六章 结论和展望 52 6 1 结论 52 6 2 展望 52 参考文献 53 致 谢 54 南京工业大学本科生毕业设计 论文 1 第一章 绪 论 1 1 引言引言 2006 年中国原油消费量 3 23 亿吨 国内生产原油 1 83 亿吨 净进口原油 1 39 亿吨 加上净进口轻油数量 石油对外依存度达 45 如果继续下去 估计到 2020 年 国内自 产石油 2 0 亿吨 石油缺口将达到 2 5 亿吨 对外依存度将上升到 55 进入 21 世纪以 来 我国经济和社会可持续发展所面临的能源 环境 农业等问题将更加突出 国民经济 和社会发展第十个五年计划纲要 中明确指出 要通过加工转化 扩大出口等多种方式 解 决粮食等农产品阶段性供过于求问题 要开发燃料乙醇等石油替代产品 采取措施节约石油 消耗 借鉴国外经验 推广使用乙醇汽油便是国家着力缓解能源 农业 环境问题的一项战 略性举措 随着石油资源的枯竭 乙醇成为十分理想的替代品 与石油汽油等燃料资源相比 作为替代燃料 乙醇有如下的优点 1 乙醇燃料过程中所排放的二氧化碳和含硫气体均低于汽油燃烧所产生的对应排放物 燃烧过程比普通汽油更安全 一氧化碳排放量可降低 30 左右 2 乙醇是燃油氧化处理的增氧剂 是汽油增加氧 燃烧更充分 达到节能和环保目的 而且 具有极好的抗爆性能 可有效提高汽油的抗暴指数 3 因乙醇汽油的燃烧特性 能有效地消除火花塞 燃烧室 等部位的积炭的形成 优 化工况行为 避免了因积炭形成而引起的故障 延长部件使用寿命 乙醇不仅在工业生产和应用中有很重要的地位 在其它各个行业中也发挥了相当重 要的作用 乙醇还是十分重要的清洁能源 广泛地用于食品 化学 医药 燃料 国防 等行业 乙醇作为可再生清洁能源不仅可以替代四乙基铅作汽油的防爆剂 还可以制造 汽油醇做汽车燃料 给汽车工业铺下了节能的发展基础 以上各点都符合我国当前可持续发展的基本国情 在粮食问题得到解决和保障的情 况下 大力发展乙醇工业对我国来说是十分必要的事情 专家认为 从目前中国燃料酒 精发展规模 能源需求状况以及新原料的探索方面看 今后中国燃料酒精产业发展潜力 巨大 空间广阔 这一巨大的需求促使人们去寻找提高乙醇工业产率的途径 使人们着手于发酵工程 的研究 从微生物学 发酵研究的发展 使微生物反应过程的种类和规模不断地扩大 其应用也深入到多个工业领域 然而由于反应涉及活细胞的参与 其菌体生长及产物生 成等机理复杂多变 目前尚难为人们了解和 第一章 绪论 2 把握 更难以进行统一的描述 人们一般是通过实验的方法来寻求微生物的生长规律 通过数值分析和拟合了解发酵过程的规律 这样的做法周期性长 需要消耗的资源多 且无法在短时间内对工业流程中出现的问题产生及时的应对方案 随着计算机技术的发 展 其作为分析和研究系统运行行为 揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和 方法 随着系统科学研究的深入 控制理论 计算技术 计算机科学与技术的发展而形成 的一门新兴学科 近年来 随着信息处理技术的突飞猛进 仿真技术得到迅速发展 仿真 是一种基于模型的活动 它涉及多学科 多领域的知识和经验 成功进行仿真研究的关 键是有机 协调地组织实施仿真全生命周期的各类活动 这里的 各类活动 就是 系统 建模 仿真建模 仿真实验 而联系这些活动的要素是 系统 模型 计算机 其中 系统是研究的对象 模型是系统的抽象 仿真是通过对模型的实验来达到研究的目的 图 1 1 系统 模型与计算机关系 本文在前人总结的半经验模型和经验模型上 利用 Matlab 强大的数学计算功能和界 面设计功能进行发酵过程的建模与仿真软件的设计 并作一定的拓展推理 建立更全面 的模型 并且通过计算机软件进行过程模拟 最后制作成乙醇发酵过程模拟软件 使仿 真的软件中 既具有简单使用的界面 又具有数据保存和图形绘制功能 1 2 工业乙醇发酵方法与工艺工业乙醇发酵方法与工艺 1 2 1 工业乙醇发酵方法 发酵法由于其高效 绿色无污染的特点被广泛应用 根据发酵料液注入发酵罐的方式不同 可以将酒精发酵的方式分为间歇式 半连续 型 连续型 3 种 1 间歇式发酵方法 间歇发酵方法是指全部发酵过程始终在一个发酵罐中进行 由于发酵罐容量和工艺 操作不同 在间歇工艺中 又可分为一次加满法 分次加满法 连续添加法等方法 2 半连续发酵法 半连续发酵法是指在主发酵阶段采用连续发酵 而后发酵则采用间歇发酵的方式 南京工业大学本科生毕业设计 论文 3 在半连续发酵中 由于料液的流加方式不同 发酵罐中有些是间歇发酵有些是连续发酵 3 连续发酵 淀粉原料生产酒精的连续发酵 在国内外早有研究 由于杂菌污染问题没有很好的 解决 为得到普及和推广 近年来由于发酵理论研究有所发展 尤其在淀粉质原料和产 酒精的过程中采用了连续蒸煮 连续糖化和液体曲新工艺 给连续发酵创造了条件 不 断发展的连续发酵工艺是淀粉质原料连续发酵法生产酒精工艺日趋完善 操作更加简便 取得了更显著的成绩 清夜发酵是典型的连续发酵 该工艺要求糖化液中不含悬浮物 连续操作可以降低发酵的平均时间 提高生产能力 不阻塞精馏塔 减少环境污染 因 此得以大力发展 1 2 2 工业发酵流程简介 以某化工原料有限公司的乙醇连续发酵系统为背景 其生产系统简图如下 A BCD EFG 3 2 1 4 579 68 10 1112 H 13 15 14 16 图 1 2 发酵流程图 整个发酵流程的主要设备包括 1 个预发酵罐 6 个发酵罐 离心分离机等 涉及的进 出料流股一共有 16 个 发酵设备与流股之间的关系可以用简单的流程图表示出来 图 1 是整个发酵过程的流程图 其中 A 为预发酵罐 165 进料 1 2 3 分别为干法糖液 3 m 营养盐 酵母 B 为第一级发酵罐 600 进料 4 为 A 的出料 进料 5 为干法糖液 3 m 16 为循环回来的酵母 C 为第二级发酵罐 600 进料 6 为 B 的出料 进料 7 为干法糖 3 m 液 D 为第三级发酵罐 600 进料 8 为 C 的出料 进料 9 为干法糖液 E 为第四级发 3 m 第一章 绪论 4 酵罐 600 进料 10 为 D 的出料 F 为第五级发酵罐 500 进料 11 为 E 的出料 3 m 3 m G 为第六级发酵罐 500 3 m 进进料 12 为 F 的出料 H 为离心分离机 进料 13 为 G 的出 料 出料 15 为产品 含 11 12 V V 的乙醇 送入蒸馏装置分离 出料 14 为废酵母 其 中一部分循环回去 发酵温度要求控制在 31 33 前三个发酵罐需要补充液料 发酵 过程中补充菌种 1 2 3 乙醇发酵工艺 传统的酒精生产主要以糖蜜 薯类 谷物为原料发酵而成 近年来 随着人口增长和 经济的发展以及可利用耕地面积的减少使得酒精生产成本日趋增高 利用丰富 廉价的玉 米秸秆为原料生产酒精已成为必然趋势 我国是一个农业大国 各种纤维素原料资源非常 丰富 仅玉米秸秆年产量大约 2 亿吨 目前 玉米秸秆除了少部分被利用外 大部分以堆积 焚烧等形式直接倾入环境 极大地污染了环境 也是一种资源浪费 如果将玉米秸秆经过预 处理后水解 其所含的纤维素和半纤维素可分解成葡萄糖 经发酵可转化为酒精 转热效率可 达 30 以上 这样不但缓解人类所面临的食物短缺 环境污染 资源危机等一系列问题 而 且还能实现人类的可持续发展 因而近年来玉米秸秆成为生物能源领域的研究热点 玉米秸秆主要由植物细胞壁组成 基本成分为纤维素 半纤维素和木质素等 木质素 将纤维素和半纤维素层层包围 纤维素是一种直链多糖 多个分子平行排列成丝状不溶性 微小纤维 半纤维素主要由木糖 少量阿拉伯糖 半乳糖 甘露糖组成 木质素是以苯丙烷 及衍生物为基本单位组成的高分子芳香族化合物 其中 木质素是一种燃料 半纤维素可水 解为五碳糖 而纤维素水解为六碳糖比较困难 由于玉米秸秆结构复杂 不仅纤维素 半纤 维素被木质素包裹 而且半纤维素部分共价和木质素结合 同时纤维素具有高度有序晶体结 构 因此必须经过预处理 使得纤维素 半纤维素 木质素分离开 切断它们的氢键 破坏晶 体结构 降低聚合度 常见预处理方法有物理法 化学法 物理化学法和微生物法等 改化工厂的生产线采用的是玉米清液发酵工艺 将玉米干式粉碎 使用清液生产乙 醇 其流程图如下 南京工业大学本科生毕业设计 论文 5 粉浆配制 液化 糖化 酒精发酵 酒精精馏 离心沉降 多效蒸发 分子筛脱水 燃料酒精 稀糟液 全酒糟 粉浆 糖化醪 二氧化碳 发酵醪变性处理 干燥处理 DDGS 湿糟 浓缩液 图 1 3 玉米清液发酵工艺 本文采取的是一个预发酵罐和六个发酵罐串联的玉米清液发酵流程 过程中有料液 补充 且有循环利用系统将产品中的有用料液回收并且补充到进料中 发酵温度各罐大 致相同 基本在 31 33 1 3 本文主要内容与目标本文主要内容与目标 在介绍工业生产乙醇的流程和工艺之后 本文进一步深入研究乙醇发酵动力学知识 在前人研究总结的半经验半理论模型的基础上进行计算机仿真 包括稳态仿真和动态仿 真 在得到较好的仿真结果之后 结合实际生产环境和要求 将实际影响因素添加到动 力学模型中去 从而建立起更加完善的仿真模型 运用 Matlab Simulink 软件进行仿真 将仿真结果与工业标准相对比 在经过检验之后 将已经建立的动力学模型作为基础 着手乙醇连续发酵软件的开发 以友好的界面 简单的操作和可靠有效的仿真能力为目 标 设计并制作出乙醇连续发酵的的实验用软件 为获得实验数据 研究发酵特性以及 为寻找发酵控制最优控制等后续研究提供基础 第二章 乙醇连续发酵模型与初步仿真 6 第二章 乙醇连续发酵模型与初步仿真 2 1 经验模型与半经验模型经验模型与半经验模型 Monod 方程 max s S KS 2 1 2 1 描述了在不存在对菌体细胞生长产生抑制性因素的菌体比生长率与基质浓度的关系 Monod 方程是典型的无抑制细胞均衡生长模型 是细胞动力学的奠基方程 而在发酵生产 酒精的过程中 酒精浓度 底物浓度或者菌体自身浓度过高时 会对菌体生长产生抑制作用 为菌体比生长速率 1 h max 为最大菌体比生长速率 1 h S 为底物质量浓度 g L s K 为底 物抑制常数 g L 人们从经典的 Monod 方程出发 逐步提出了许多发酵动力学模型 max 1 pI xI spI K S XK KS KP 2 2 maxexp p K P 2 3 max 22 p ssIppI K S KSSKKPPK 2 4 等 描述发酵从开始到停滞阶段的行为 各项抑制常数的引入使模型更符合实际 但是 这些模型的模拟都是半理论半经验的 对不同的发酵过程 方程形式以及抑制常数的选 取不一样 为了建立乙醇连续发酵动力学方程 首先要明确在静止情况下 没有补充液和流进 流出 各种物料之间的关系 1 葡萄糖液在酵母的作用下分解产生乙醇 2 酵母细胞本身 还要吸收消化葡萄糖来促进自身的生长 上述三者之间的关系可以用三个微分方程来描 述 虽然可以用比死亡率表示菌体的衰败 但是发酵过程中比生长率远远大于比死亡率 所以比死亡率本文不作考虑 酵母菌体 dx x dt 2 5 乙醇 dp x dt 2 6 南京工业大学本科生毕业设计 论文 7 葡萄糖 ds x dt 2 7 x表示酵母菌体的浓度 p表示乙醇的浓度 s表示葡萄糖的浓度 表示菌体比生 长率 单位时间单位体积浓度变化率 表示乙醇比生产率 表示由菌体消化掉葡萄 糖的消耗率 表示分解产生乙醇的葡萄糖的消耗率 然后引入得率的概念 x s Y 菌体相对于葡萄糖的得率 即葡萄糖消耗后产生菌体的比率 p s Y 乙醇相对于葡萄糖的得率 即葡萄糖分解产生乙醇的比率 从得率的意义可知 x s Y p s Y 代入到 7 可以得到 x sp s ds x dtYY 2 8 这个模型描述了静止的发酵反应中浓度变化情况 实际工业生产往往是连续发酵 这样的发酵流程不仅创造了酵母生长的合适环境 也提供了发酵稳定的条件 提高发酵 能力和生产效率 生产连续化 设备利用率高 一般采取的是多罐串联式连续发酵 本 文对 6 个串联罐进行仿真 为了适应工业生产流程 上述模型也应该显现出流动性 首先考虑理想情况 稳定发酵情况下 由单个发酵罐子中物料守恒可得出两个两个 恒等关系 1 对每个发酵罐而言 发酵液流入量 流出量 2 对每种物质而言 其质量变化 流入质量 反应生成 消耗 质量 流出质量 in F out F 分别表示流入量 流出量 V 表示发酵罐体积 0 x 是流如发酵罐的物质浓度 此处是菌体浓度 inout FF 2 9 0inout dx VF xxVF V dt 2 10 第二个式子仅以酵母菌为例 其余类似 因为 in F out F 令二者均为F 代入 2 10 并整理得 0 dxF xxx dtV 2 11 此处即称为稀释率 表示为D 那么由此可将单个罐子中的连续发酵动力学模型表示 F V 第二章 乙醇连续发酵模型与初步仿真 8 如下 0 dx xD xx dt 2 12 0 dp xD pp dt 2 13 0 x sp s ds xD pp dtYY 2 14 因为实际生产过程中基质浓度较高 需要考虑底物和产物对细胞生长的抑制作用 表达方式众多 比如 max 22 p ssIppI K S KSSKKPPK 2 15 同理写出乙醇比产率的表达式 max 22 pp spspIppppI K S KSSKKPPK 2 16 上述动力学方程组中各参数采吕欣得出的数据 表 2 1 抑制参数等各参数 0 1604 x s Y 1 kg kg g 0 4986 p s Y 1 kg kg g max 0 1132 1 h max 0 9982 1 h 101 276 s K 3 kg m g 9 916 sp K 3 kg m g 28 779 p K 3 kg m g 660 54 pp K 3 kg m g 106500 sI K 3 kg m g 296540 spI K 3 kg m g 5968 PI K 3 kg m g 16 658 PPI K 3 kg m g x s Y 是菌体相对于葡萄糖的得率 p s Y 是乙醇相对于葡萄糖的得率 max 是最大比生长率 max 是最大乙醇比生产率 Monod 常数 菌体饱和时底物浓度 s K 3 kg m g sp K 基于底物的乙醇饱和常数 乙醇饱和时底物的浓度 3 kg m g p K 乙醇饱和常数 菌体饱和时乙醇的浓度 3 kg m g pp K 基于产物的乙醇饱和常数 乙醇饱和时 的浓度 3 kg m g 南京工业大学本科生毕业设计 论文 9 sI K 底物抑制常数 抑制作用使细胞停止生长时底物的浓度 3 kg m g spI K 基于底物的乙醇抑制常数 抑制作用使乙醇停止生产时的底物浓度 3 kg m g pI K 乙醇抑制常数 抑制作用使细胞停止生长时乙醇的浓度 3 kg m g ppI K 基于产物乙醇的乙醇抑制常数 抑制作用使乙醇停产时乙醇的浓度 3 kg m g 2 2 连续发酵动力学模型及其计算机连续发酵动力学模型及其计算机求解方法求解方法 乙醇连续发酵的仿真过程主要是对上述非结构型动力学方程的求解 并通过图象表 达出来 鉴于 Matlab Simulink 强大的数值计算能力和图形绘制能里 选用该软件对乙醇 连续发酵过程进行仿真 2 1 中已经充分讨论了单个发酵罐中的反应原理 从反应机理来说是葡萄糖在酵母作用下 转化为乙醇 而且酵母还通过吸收葡萄糖生长 而从数学本质上来说 就是对上述 2 12 2 16 求数值解 该问题涉及到用常微分方程系统 ODE 的求解 MATLAB 使用 龙格 库塔 芬尔格 Runge Kutta Fehlberg 等方法来解 ODE 问题 相关的函数有 ode45 ode23 ode113 ode15s ode23s ode23t ode23tb 等等 格式 T Y solver odefun tspan y0 options p1 p2 参数说明 solver 为命令 ode45 ode23 ode113 ode15s ode23s ode23t ode23tb 之一 Odefun 为显式常微分方程 y f t y 或为包含一混合矩阵的方程 M t y y f t y 命令 ode23 只能求解常数混合矩阵的问题 命令 ode23t 与 ode15s 可以求解奇异矩阵的问题 Tspan 积分区间 即求解区间 的向量 tspan t0 tf 要获得问题在其他指定时间点 t0 t1 t2 上的解 则令 tspan t0 t1 t2 tf 要求是单调的 Y0 包含初始条件的向量 Options 用命令 odeset 设置的可选积分参数 P1 p2 传递给函数 odefun 的可选参数 T Y ode rigid tspan init options 是微分方程子函数的句柄符号 给 ode 函数提供一个地址入口 tspan 是求解的时间区 间 比如 0 12 init 是微分方程的初始值 比如 0 1 0 option 是具体的误差等控制选项 此处缺省 使用默认值 T 是对时间区间根据步长分割的时刻点 Y 是对应时刻点的各分 量的数值 本文选用 ode45 函数来求解 综合整个动力学模型 对单罐的描述为子函数 func t n V 第二章 乙醇连续发酵模型与初步仿真 10 t 时刻 h n 各物料输入浓度 kg 3 m V 发酵罐的体积 3 m Vy 流入该发酵罐的料液流量 kg h u umax n 3 Ks n 3 n 3 2 Ksi Kp Kp n 2 n 2 2 Kpi v vmax n 3 Kps n 3 n 3 2 Kpsi Kpp Kpp n 2 n 2 2 Kppi D Vy V f 1 u n 1 D x0 n 1 f 2 v n 1 D p0 n 2 f 3 u Yxs v Yps n 1 D s0 n 3 程序中的各个参数基本采用了其本身表征符号 常数采用上表的数值 f 1 f 3 代表 的是三种物料的微分量 通过叠代求得 n 1 n 3 是不同于原本的 x p s 的 主要是为了 发挥 Matlab 强大的向量计算能力 以便在调用该子函数的时候输入简单明了 操作方便 调用该子函数进行求解的语句是 T F ode45 func 0 0 5 time0 x0 p0 s0 用 Matlab 自带的 ode45 函数求解很方便 但是同时也出现一个问题 ode45 是变步长 的 在震荡剧烈的地方取点密 步长小 在比较平缓的地方取点稀疏 步长大 这对于 实际生产过程控制来说很难做到随时改变数据采样时间 龙格 库塔 Runge Kutta 方法是 一种在工程上应用广泛的高精度单步算法 由于此算法精度高 采取措施对误差进行抑 制 所以其实现原理也较复杂 该算法是构建在数学支持的基础之上的 龙格库塔方法 的理论基础来源于泰勒公式和使用斜率近似表达微分 一阶常微分方程可以写作 y f x y 使用差分概念 Yn 1 Yn h f Xn Yn 推出 近似等于 极限为 Yn Yn 1 Yn h f Xn Yn 另外根据微分中值定理 存在 0 tcallback 回调函数 就会弹出这个界面的 M 文件 并且 光标定位在该按钮的子函数开始处 写好点击该按钮时触发的语句 4 保存文件 单击 fig 文件窗口上的三角执行或者运行其 M 文件运行该程序 南京工业大学本科生毕业设计 论文 37 图 5 5 运行设计的界面 图 5 6 按下按钮之后 通过该例子简单描述下制作 GUI 的过程 第五章 乙醇连续发酵仿真软件的设计和制作 38 5 2 乙醇连续发酵稳态仿真软件界面乙醇连续发酵稳态仿真软件界面 需求分析 该软件界面的制作是为了给实验室环境提供一种可靠的数据获取手段和决策安排方 法 综合了之前讨论的所有因素在内 在给定各个环节具体数据的情况下 能够得到与 实际生产中相贴近的生产结果数值 功能安排 各个进料口的流量在合理的范围内可以调节 各个发酵罐的发酵温度可以调节 发酵过程的曲线图的可视化 发酵过程的详细数据和结果的显示 发酵过程的详细数据和结果可以保存为自定义文档 设计过程 基本的设计方法 6 1 中已经介绍过了 根据上述功能设计软件界面如下 图 5 7 稳态仿真软件界面 上方中间是软件名称 左方在运行仿真后会把各个罐子的物料浓度曲线显示出来 右边 最上方是各个进料口浓度的设置 输入框下面是输入值的许可范围 右边中部是各个发 酵罐发酵温度的输入值 再靠下是发酵数据的显示 可以控制只显示最终浓度或者全程 详细浓度的显示 将显示的数据通过保存按钮保存为 xls 文件 用于科学研究或者多次仿 南京工业大学本科生毕业设计 论文 39 真实验的对比等 已保存的文件也可以通过清除按钮删除掉 右下角的按钮是启动仿真 或者退出该界面的功能 右边显示的是主要发酵的时间长度 具体步骤 标题 将左边 text 标签拉动到界面窗口 双击后在属性窗口中修改 string 和 font size 属性 即可 流量值的输入 标签是跟 1 一样的处理方式 要特别注意数值格式的转换问题 因为在 界面上显示的是字符串 而不是真正意义上的数 所以要用 str2num 函数处理 另外将数 据从输入框取到内存的函数是 get 此处要取出六个数据 取出数据是在仿真开始之后进行 的 所以要写在开始仿真按钮的回调函数只中 lowy str2num get handles edit1 string 预发酵罐的流速 flow0 str2num get handles edit2 string SPL0 的流速 flow1 str2num get handles edit3 string SPL1 的流速 flow2 str2num get handles edit4 string SPL2 的流速 flow3 str2num get handles edit5 string SPL3 的流速 flowr str2num get handles edit6 string RCY 的流速 为了防止因经验不足而产生的输入数据不在允许范围内而产生的结果失真 应当对操作 人员有个提醒 所以在输入超出范围时 将弹出错误对话框 提醒修改的数据 if flow315 errordlg 请输入符合实际的 SPL3 流量 Error end if flow230 errordlg 请输入符合实际的 SPL2 流量 Error end if flow190 errordlg 请输入符合实际的 SPL1 流量 Error end if flow09 errordlg 请输入符合实际的 SPL0 流量 Error end if flowy1 1 errordlg 请输入符合实际的 1 号口流量 Error 第五章 乙醇连续发酵仿真软件的设计和制作 40 end if flowr8 errordlg 请输入符合实际的 RCY 流量 Error end 温度的输入功能实现方法同流量的输入方法 过程数据的显示用到不是显示框 而选用适合矩阵显示的 listbox 因其对超出显示范围 的数据可以自动实现拖动条功能 以便可以观察到数据的全貌 具体的发酵过程计算在 前面几章已经讨论过 这里把那些数据通过 set 函数把内存中的数据送到 listbox 中显示出 来 是显示具体数据还是最终数据需要 checkbox 的状态来确定 flag get handles checkbox1 value 检测详细显示是不是被选中了 if flag 0 set handles listbox1 string num2str results else set handles listbox1 string num2str dresults end 最终流出的产品浓度指标则通过 edit 显示 set handles edit8 string num2str x0 set handles edit9 string num2str p0 7 9 set handles edit10 string num2str s0 数据保存功能 将 listbox 中的数据写到 xls 文件中去 便于观察和使用 对于进行数据时 的导入也是十分方便的 data get handles listbox1 string xlswrite dataT xls str2num data msgbox 已经保存为 dataT xls 文件 而删除功能也是十分简便 delete dataT xls msgbox 已经清除 dataT xls 文件 发酵过程曲线的绘制 需要先选中一个坐标轴 再调用 plot 函数绘制计算出来的各物料浓度值 具体用法跟 5 1 的例子一样 发酵的主体程序与前几章讨论的过程大致一致 写入完整的 callback 函数后运行 输入参 数 进行仿真 南京工业大学本科生毕业设计 论文 41 图 5 8 稳态仿真软件运行界面 5 3 Simulink 动态仿真控制器制作动态仿真控制器制作 动态仿真是在第四章讨论的 为了将模块化仿真功能综合到仿真软件中去 需要设 计一个简单的控制器来控制模型的打开 运行 和关闭动作 鉴于 Matlab Simulink 以及 GUI 之间强大的协调工作能力 该功能是可以实现的 图 5 9 simulink 控制界面 首先设计和控制版面 根据需要修改好各个控件的属性和名称 之后对三个控制按 钮分别编写其 callback 函数就可以了 打开模型的回调函数 open system integrated model 第五章 乙醇连续发酵仿真软件的设计和制作 42 关闭模型的回调函数 close system integrated model 注意此处 open system 函数的参数是需要打开或关闭的 mdl 文件的名称 而不是 fig 文件的名称 回主界面就是关闭改图形界面 主要是为了各个界面之间的衔接功能 这个控制功能实现十分简单 困难在于 原来的动态仿真系统中的各个参数是在 M 文件中书写的 运行 mdl 文件之前需要先载入全局参数到内存 再启动仿真 然后再通 过运行画图程序把结果体现出来 而现在是做成操作界面 如果再这个运行程序太过烦 琐 用户友好化就体现不出了 为了解决这个问题 首先想到的是制作一个嵌入式的模块 把初始化代码放到该模 块里面 使它在模型运行时第一时间把参数载入 但是尝试了 Embedded Matlab Fcn 等模 块后 没有成功 嵌入式模块支持的语句有限 有些基本的函数或字符在其中不能应用 所以功能发挥受到了一定的限制 只有寻找其他方法 在 Simulink 的模型文件环境下 选中 File module properties 后会弹出一个对话框 图 5 10 模型属性对话框 该对话框第二个标签就是 callbacks 就是回调函数 鉴于之前对 GUI 中 callback 的 研究 这个的使用应该是比较轻松的 选中 callbacks 界面如下 南京工业大学本科生毕业设计 论文 43 图 5 11 回调函数对话框 左边一栏列出了各种支持的回调函数 第一时间可以发现 InitFcn 就是初始化函数 应该将全局变量的定义放到这里 右边的对话框就是编写程序代码的地方 用法跟 M editor 一样 图 5 12 初始化函数 这样解决了初始化的问题 之后是结果反馈的问题 如果直接在 mdl 文件中添加 第五章 乙醇连续发酵仿真软件的设计和制作 44 scope 模块 的确可以反馈数据曲线 但是有两个问题 如果每个罐子都加 scope 运行之后弹出窗口太多 观察不方便 而且关闭也麻烦 如果通过并行方法接到一个总的 scope 上 又因图象缭乱而难以区分各个发酵罐的情况 只能观察曲线情况 不容易得到每个时刻的具体数据 module property 的 callbacks 里提供了其他一些回调函数 经过尝试 postload Fcn Postsave Fcn 这些后续操作的函数之后 发现 stopFcn 可实现仿真完毕之后进行操作的 功能 所以 将画图和数据显示的代码写入 stopFcn 的对话框中 图 5 13 停止仿真后执行的回调函数 这样写入仿真前后的仿真语句之后 只要打开模型 点击运行就 OK 了 南京工业大学本科生毕业设计 论文 45 图 5 14 设置好回调函数后运行模型的结果 数据也会在主界面上显示出来 如上 这样操作方便 给操作人员减少了许多负担 但是这种方法并不方便修改各个入料口的参数 发酵罐的温度和数据保存 为了使 该软件功能更加完善 需要继续加工 首先是界面功能控件的增加 第五章 乙醇连续发酵仿真软件的设计和制作 46 图 5 15 动态仿真模型控制和演示界面 这样就跟综合稳态仿真软件一样能实现很多功能了 难点也随之而来 在 GUI 界面 上输入的数据被内存获取之后并不送入 workspace 但是 Simulink 仿真数据初始化获取必须 通过 workspace 这是一个矛盾 把 GUI 中 edit 框中的数值赋给 simulink 中对应的变量 这个问题一开始用 set param 尝试 但总是会报错说变量没有定义 之后研究发现 只需要用等号对变量名进行赋值 即可 例如 simulink 中有个变量为 f1 edit 框 Tag 属性为 edit1 那么相应的代码就 f1 str2num get handles edit1 string 这里的 str2num 是将字符串转变为数值的函数 启动 simulink 之前需要写上 options simset SrcWorkspace current 将 GUI 中所输入的各个参 数送到 workspace 中 再通过语句 sim model name 0 sim time options 启动仿真 然后是运行仿真后 将所得到的数据从工作空间读到 GUI 的内存空间里 需要做如 下处理 首先将 Simulink 的数据用 to workspace 模块连接 再通过语句 assignin base re0 re0 才能将其内容保存到 workspace 中去 然后再从 workspace 中读取 到 GUI 空间中去 通过语句 re0 evalin base re0 来实现 之后的操作就很简单了 set 就可以完成各种数据显示的功能 仿真数据显示如下 南京工业大学本科生毕业设计 论文 47 图 5 16 动态模型版面运行仿真后演示结果 5 4 综合软件的制作综合软件的制作 稳态仿真和动态仿真都各自做作了仿真软件和控制器 下面制作一个综合控制版面 把这两个功能模块连接起来 首先制作该软件的主界面 第五章 乙醇连续发酵仿真软件的设计和制作 48 图 5 17 启动界面制作 中间的坐标轴用来显示乙醇连续发酵的流程图 下面两个按钮分别启动两个仿真子 模块 并且将该主界面关掉 关闭当前界面并打开新的界面功能实现起来方法很多 如 open run 函数等 但是经 过实验 本文提出了一种新的方法 比上述两个函数的代码量要小 思维也更新颖 close gcf 关闭当前界面 set 0 currentfigure ferm integrated 将当前焦点设置到 ferm integrated 上 为了软件界面的友好性 在其工作栏中也制作了切换界面的菜单 南京工业大学本科生毕业设计 论文 49 图 5 18 启动界面运行图 点击稳态仿真软件得 图 5 19 跳转到稳态仿真界面 点击返回主界面又可以返回到主界面 再点击动态仿真软件 弹出那个 Simulink 的 控制器 第五章 乙醇连续发酵仿真软件的设计和制作 50 图 5 20 跳转到动态仿真界面 返回主界面 在其菜单栏上点击操作 关闭 会弹出毕业设计作者名字 指导老师姓 名和感谢答辩老师等字样 最后再加上彩色和软件说明把主界面做成更加友好 图 5 21 添加说明的启动界面 5 5 小结小结 通过 GUIDE 制作软件界面方便 而且图形丰富 可以根据自己的需要调整界面布局 而且它可以连接 M 脚本语言和 simulink 模块 将各种特性组件的特性有机地结合起来 通过按钮 坐标窗口 列表栏等控件获取外 南京工业大学本科生毕业设计 论文 33 部输入或者展示仿真结果 很好地达到了界面友好 交互方便的效果 通过 GUI 完成的 连续发酵仿真软件综合了动态仿真和稳态仿真的功能 对获取实验数据 研究发酵特性 优化发酵控制等方面具有十分重要的意义 第六章 结论和展望 52 第六章 结论和展望 6 1 结论结论 通过计算机技术对发酵过程的模拟仿真是实现流程工业综合自动化的至关重要的环 节和基础 只有在仿真成功的基础上才能够有效地进行控制和优化 从而应用到生产实 践中 为真正意义上提高生产效率而服务 本文从前人的半经验半理论发酵动力学模型 出发 主要得到了以下结论 1 实现了连续流加发酵系统的稳态和动态仿真 考虑了连续流加动力学中各个物质之间 的抑制作用 成功地得到了帖合生产实际的仿真结果 2 成功地运用模块化仿真方法对动态发酵系统进行了仿真 不仅是将数学模型转化为计 算机模型 而且转变后的模型仍然能够以十分直观的方式展示在人们面前 还建立了当 个发酵罐的仿真模块等 可以方便地应用到不同个数的串联连续生产线上 相对于纯代 码仿真提高了可移植性和系统开发效率 3 结合生产实际情况 将温度 混溶后体积缩减 气体排放等影响因素加入到发酵仿真 系统中去 理论联系实际 使动力学模型在更加贴近生产过程 而且得到了很好的仿真 数据 而且灵活地将这些影响因素应用到稳态和动态发酵仿真过程中 4 制作了连续乙醇发酵过程的仿真软件 界面友好 使用方便简易 使人一目了然 综 合了讨论的各种影响因素 而且使许多过程参数得以人为设置 为得到提高产量的生产 方案提供了可能 6 2 展望展望 基于本文的研究结果 可以首先将乙醇连续发酵仿真软件应用于发酵工程实验室 用于为理论研究提供数据 比如研究不同发酵温度下发酵进程与结果的比较 找到最好 的发酵温度点 或者根据比较不同流量情况下最终产品的效果 找到理想的输送量 最 后将可靠高效的方案运用到生产实践中去 经过检验和改善 该软件有比较光明的发展 前景 南京工业大学本科生毕业设计 论文 53 参考文献 1 欧阳平凯 发酵工程关键技术及其应用 M 化学工业出版社 2003 2 韩得权 发酵工程 M 黑龙江大学出版社 2002 3 余龙江 发酵工程原理与技术应用 M 化学工业出版社 2001 4 J J DOWNS and E F VOGELEastman Chemical Company A plant wide industrial process control problem J Kingsport T N 37662 U S A June 1992 5 吕欣 董明盛 张晓娟 等 酒精发酵非结构动力学模型及其参数估计 J 西北农林科技大学学报 2005 11 23 28 6 Dr M J Willis Continuous stirred tank reactor models J Dept of Chemical and Process Engineering University of Newcastle March 2000 7 刘瑞叶 任洪林 李志民等 计算机仿真技术基础 M 电子工业出版社 2002 8 王文广 薛发政 王治国 以玉米为原料湿法工艺生产酒精 J 河南化工 2000 7 24 26 9 朱成荣 邵惠鹤 基于 Matlab 的发酵系统仿真与操作优化 J 2008 1 81 83 10 Marcelo Muller dos Santos Alexandre Souza da Rosa Silvia Dal Boit Thermal denaturation is solid state fermentation really a good technology for the production of enzymes J Nov 2003 11 王英臣 菌体比生长速率的酒精发酵动力学研究 J 2005 9 56 61 12 Zhaodong Nan Zhicheng Tan Thermokinetic investigation of effect of temperature on optimum NaCl concentration for petroleum bacterial growth J 2002 13 伍勇 肖泽仪 黄卫星 等 酿酒酵母在硅胶膜生物反应器中连续发酵的生长动力学 J 现代化工 2004 24 1 34 39 14 张继泉 孙玉英 王瑞明 关凤梅 预处理玉米秸秆生产燃料乙醇的动力学模型探