工業(yè)生物發(fā)酵過(guò)程在線(xiàn)檢測(cè)、建模、控制方法與應(yīng)用研究.pdf

1、生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，正在催生繼IT之后國(guó)際經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的又一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域——生物經(jīng)濟(jì)。生物反應(yīng)器為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)擴(kuò)大再生產(chǎn)提供共性技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中最重要的實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)之一，是生物學(xué)家和工程師之間的橋梁。生物反應(yīng)器是由多種高技術(shù)支撐的機(jī)電一體化產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)生物反應(yīng)器產(chǎn)業(yè)起步較晚，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)，缺乏系統(tǒng)性工業(yè)級(jí)的研究與設(shè)計(jì)，長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)相當(dāng)大的一部分商品化生物反應(yīng)器的市場(chǎng)被兒家國(guó)外公司占領(lǐng)。因此，針對(duì)生物發(fā)酵過(guò)程

2、的檢測(cè)技術(shù)、建模、以及先進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。下面簡(jiǎn)要介紹論文的主要：作和貢獻(xiàn)。 1．提出了生物發(fā)酵溶氧在線(xiàn)檢測(cè)的溫度補(bǔ)償算法，并進(jìn)行了試驗(yàn)分析研究從分析生物反應(yīng)器內(nèi)氧的溶解動(dòng)態(tài)特性及影響因素出發(fā)，研究了溶氧傳感器的溫度動(dòng)態(tài)特性，發(fā)現(xiàn)溫度變化對(duì)溶氧傳感器的輸出電流有著極大的影響，發(fā)酵液溫度在30℃附近時(shí)，溫度變化引起的溶氧傳感器輸出偏差人約為3％／℃，因此，溶氧測(cè)量溫度補(bǔ)償是非常必要的

3、。 通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，提山川阿侖尼烏斯公式的指數(shù)項(xiàng)來(lái)描述溫度所引起的所有測(cè)量誤差。并設(shè)計(jì)了溶氧在線(xiàn)檢測(cè)軟什標(biāo)定方法和溶氧在線(xiàn)檢測(cè)溫度補(bǔ)償算法。最后，利用嵌入式系統(tǒng)BL2100實(shí)現(xiàn)了溶氧在線(xiàn)檢測(cè)溫度補(bǔ)償，并應(yīng)用于業(yè)生產(chǎn)中。試驗(yàn)結(jié)果表明，上述在線(xiàn)溫度補(bǔ)償機(jī)制可以取得較好的效果，并且該方法靈活有效，可以極火地降低生產(chǎn)成本，有著重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 2．建立了間歇生物發(fā)酵過(guò)程溫度對(duì)象的積分時(shí)滯動(dòng)態(tài)模型，并進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)分析研究

4、 針對(duì)間歇生物發(fā)酵過(guò)程的溫度動(dòng)態(tài)過(guò)程，從動(dòng)態(tài)熱平衡原理出發(fā)，得到了微分方程描述的動(dòng)態(tài)機(jī)理模型。從過(guò)程控制的角度，對(duì)其進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化，得到了一階和二階積分時(shí)滯溫度動(dòng)態(tài)模型的傳遞函數(shù)，并針對(duì)實(shí)際問(wèn)歇生物發(fā)酵過(guò)程的溫度控制系統(tǒng)，建立了廣義溫度動(dòng)態(tài)模型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)取得的階躍響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用最小二乘方法離線(xiàn)估計(jì)廣義溫度動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)化模型參數(shù)。實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明，二階積分時(shí)滯模型可以非常好地描述溫度動(dòng)態(tài)特性，一階積分時(shí)滯模型也可以近似地描述溫度動(dòng)態(tài)

5、特性，并將其應(yīng)用劍間歇生物發(fā)酵溫度控制器設(shè)計(jì)和基于模型的參數(shù)辨識(shí)中。 3．建立了間歇生物發(fā)酵過(guò)程pH非線(xiàn)性過(guò)程的變?cè)鲆娣e分動(dòng)態(tài)模型，并進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)分析研究 根據(jù)間歇生物反應(yīng)器的物料平衡以及酸堿物理化學(xué)反應(yīng)原理，提山狀態(tài)方程描述的DHL線(xiàn)性動(dòng)態(tài)模型。針對(duì)pH動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行變形及合理簡(jiǎn)化后，得到了變?cè)鲆娣e分pH非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)傳遞函數(shù)模型。通過(guò)對(duì)pH非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到pH非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。通過(guò)探討理論模型與試驗(yàn)結(jié)

6、果存在偏差的幾個(gè)重要影響因素，對(duì)上述模型進(jìn)行修正。由修正后pH動(dòng)態(tài)模型所得到的仿真結(jié)果，與試驗(yàn)結(jié)果比較接近。 4．針對(duì)積分時(shí)滯對(duì)象提出了滿(mǎn)足時(shí)延裕度要求的控制器參數(shù)整定方法，并應(yīng)J}}j于間歇生物發(fā)酵過(guò)程溫度控制系統(tǒng)首先針對(duì)一階積分時(shí)滯對(duì)象，根據(jù)控制系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)了二自由度內(nèi)模控制器，給出了基于時(shí)延裕度的擾動(dòng)控制器參數(shù)整定規(guī)則。然后，針對(duì)Astrom設(shè)計(jì)的二自由度改進(jìn)Smith預(yù)估器，設(shè)計(jì)了基于時(shí)延裕度的擾動(dòng)控制器參

7、數(shù)整定規(guī)則。兩種控制器可以根據(jù)期望的時(shí)延變化穩(wěn)定裕度來(lái)計(jì)算控制器參數(shù)，便于實(shí)際應(yīng)用。 針對(duì)一類(lèi)一階積分時(shí)滯對(duì)象控制器，分析了出現(xiàn)控制器輸出飽和的原因，在沒(méi)有改變?cè)锌刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)和沒(méi)有引入新的控制器參數(shù)的情況下，設(shè)計(jì)了飽和補(bǔ)償機(jī)制。并基于第三章獲得的間歇生物發(fā)酵一階積分時(shí)滯溫度動(dòng)態(tài)模型，將該方法應(yīng)用于10L間歇生物發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了上述參數(shù)整定方法及飽和補(bǔ)償機(jī)制的可行性和有效性。 5．設(shè)計(jì)了基丁嵌入式系統(tǒng)的間