21世纪是科技的时代,随着微生物技术的迅猛发展,与微生物技术相关的设备制造技术、微生物反应过程控制技术有了长足的进步。用于微生物反应过程的发酵罐,在生物、制药及食品等方面都有着广泛的应用。但目前我国发酵工业的控制技术还比较落后,工业生产中仍以人工控制为主,远不能适应发酵工程趋向设备大型化、高效化和自动化的需求。嵌入式系统是21世纪的科技新贵,被广泛应用到工业控制系统、信息家电、通信设备、医疗仪器、军事设备等众多领域中,尤其是工业控制领域。基于这种背景,本研究着力与基于嵌入式系统的微生物发酵罐控制系统研究,旨在改变我国发酵工业的控制技术落后的局面,提高其技术水平。


本文首先在微生物发酵原理、发酵罐控制系统原理研究的基础上,针对发酵罐控制系统存在的问题、微生物生长影响因素等,提出了微生物发酵过程中温度控制环的仿人模糊自适应PID控制方法,设计了相应的控制器。然后对微生物发酵过程DO控制环进行了分析,根据DO对微生物生长过程的影响以及微生物生长特点,提出了三步法DO控制理论,即将整个发酵过程分为三个阶段,第一阶段采用改变压缩空气流量来控制DO,第二阶段采用改变转速来控制DO,第三阶段采用O2和N2控制DO。在理论分析的基础上,设计了由温度模块、转速模块、PH模块和DO模块等构成的微生物发酵控制硬件系统方案;分别用Z-world公司的Dynamic C、EB500软件和组态王软件编制了由下位机、人机交互界面和上位机界面构成的发酵控制软件系统。使用MATLAB工具对发酵过程的温度控制环进行了数学建模、仿真和分析。


理论分析和仿真模拟的结果表明,与传统PID控制相比较,在同样控制对象、同等控制条件下,采用本论文设计的仿人模糊自适应PID控制器进行控制,上升阶段系统调节速度快了23%,下降阶段调节速度快了50%,具有响应速度快、无超调的优点,控制效果优于传统的PID控制。将DO控制三步法理论应用到实际生产中,收集了相应的生产数据,并使用MATLAB工具进行了分析研究。结果表明,在发酵初期,采用DO控制三步法来控制DO,可以使DO量从很高逐步平滑趋向设定值;在发酵中期的DO控制过程中,仅仅靠传统的改变转速的方法对DO进行控制,其偏差在4%~35%之间波动;而采用DO控制三步法来控制DO,其偏差仅在0~5%之间;可以看出,这对微生物培养十分有效,并且可以有效防止培养初期的“氧中毒”,同时也节约了能源,是一种具有推广前景的控制方法。

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