尚海涛[1]2002年在《黄原胶发酵过程智能控制研究》文中提出二十一世纪将是生化工程迅速发展的时代，随着生物发酵工程的发展，人们在结合改进发酵工艺和设备的同时，越来越注意发酵过程的监测和控制。生物发酵过程的自动控制问题得到学术界、工业界的重视与关注，针对其控制问题产生了大量的理论、方法和技术。然而，与其他工业过程相比较，生化过程的控制还远未成熟。 生化发酵过程是个复杂的大系统，包含有物理过程、化学过程和生物反应过程。每一个子系统的内部机理都相当复杂，这种复杂性反应为模型的不确定性、非线性以及控制对象各被控量之间的耦合性。对微生物发酵过程来讲，建立起相应的数学模型是件十分艰巨的工作。 本文以一种新型的SMG型气升式发酵罐为对象，探讨黄原胶发酵过程的控制问题，着重探讨温度、pH值、溶氧浓度和罐内压力等环境参量的调节与控制问题。温度控制是发酵过程中的关键，对于特定的微生物，都有一个最适宜的生长温度，对温度必须严格地加以控制。发酵液的pH值直接影响到菌体的生长繁殖和代谢产物的合成，从而影响黄原胶发酵的产率和质量，因而对pH值控制要求也比较高。在好氧性生化反应中，氧是作为微生物生长必须的原料，若供氧不足，将会影响微生物的生长和代谢的进行，从而影响黄原胶生长的速度和质量，为此，在黄原胶生长的整个过程中，要保持一定的溶解氧浓度。同时，在发酵过程中，需要保证一定的罐压，避免因罐压过低而造成充气“染菌”现象或者因罐压太高而使发酵液中溶入过多的CO_2造成菌体中毒。在微生物浸没培养过程中，发酵液中往往产生一定数量的泡沫，这些泡沫的存在，容易造成局部菌体生长和产物合成的损害，甚至还可能渗入发酵罐排气管道，增加发酵过程被杂菌污染的机会或者出现逃液现象，因而须避免泡沫过多。 由于难以建立发酵过程的精确模型，仅靠常规的控制方法很难解决这些问题。智能控制是研究人的控制行为而最终用机器来替代人控制的一门学科，是一种能更好地模仿人类智能的、非传统的控制方法，其最大特点不是根据对象的数学模型，而是根据控制行为(如偏差及偏差变化率)来调整控制器的输出；其控制手段的出发点都是用控制器来模拟人的控制行为，可以较好的应用于工业过程的控制。 采用以发酵罐温度为主参数，夹套中水温为副参数的串级控制来控制发酵温度，面临着对象的精确模型不易建立的困难；模糊控制是一种以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为数学基础的新型计算机控制方法，实质是一种非线性控制，既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。采用模糊控制具有不依靠对象的模型，控制动态响应好，超调小和鲁棒性强等优点。但由于模糊控制只取有限的控制等级， 摘 贾 限制了精度的提高，存在静差。为了保证系统既有好的动态响应同时义无静差，对发 酵温度采用了模糊P＊＋智能冈D复合控制。由于发酵过程属于慢过程，采样时间相对 较长，若完全采用模糊控制难以取得理想的控制精度。可以在参数变化剧烈成夹加较 大干扰时采用为模糊控制，偏差及其变化较小时切换为智能PID进行调节，控制松式 的切换由决策逻辑模块来完成。仿真实验表明，模糊控制与智能PID相结合的算法对 被控对象参数的变化具有较强的鲁棒性，可以同时保持良好的动态过程和期望的控制 精度。 pH值的变化通常呈严重非线性和时滞特性，对它的精确控制是公认的难题之一。 任何实际系统控制问题的解决，都不能单纯依靠控制理论，实际中启发式逻辑．’1有巫 要的地位。仿人智能控制属于专家控制的一种，是基下知识的智能控制技术，它实现 了解析规律与启发式逻辑的结合，使控制作用的描述得以丰富，使控制性能的满意实 现成为可能，较好地解决pH控制中存在的大惯性。大滞后及参数时变性问题。 系统通过送入的消毒空气的旋转补给氧气，提高溶解氧的浓度：调节排气阀以改 变罐内压力但同时也影响了溶解氧的浓度。也就是说，压力控制问路与溶解氧控制问 路之间存在着一定的耦合关系。我们知道，串级控制可以在一定程度上克服系统的滞 后和非线性，可以克服变化幅值较人的干扰。本文采川灵活的串级控制思想，可以把 压力控制回路看作是溶解氧控制回路的一个副问路，使压力近似保持恒定值；通过调 整消毒主气的流量来调节溶解氧浓度，可以达到满意的效果。 为了提高发酵罐的装料系数，减少消泡利的川量，系统实现了消泡的囱动化。双 位控制比较简单易行，是川于消泡控制的一种行之有效的方法。 发酵过程的许多参量，尤其足对于与微生物生K的密切相关的参数的测挝，没有 办法百按在线进行。众所周知，利川神经网络的函数逼近能力可以实现系统的辨识和 控制，特别对非线性系统的辨识和
尚海涛, 陈铁军[2]2002年在《智能控制在黄原胶发酵温度及pH值控制中的应用》文中进行了进一步梳理简介了黄原胶发酵过程的工艺与特性 ,重点讨论了发酵过程温度和pH值的控制问题 .控制的重点与难点是系统的非线性与时变特性 .采用决策逻辑单元 ,将模糊控制与智能PID控制相结合 ,以调节温度 ,通过分析系统的误差曲线 ,用仿人智能开关控制方法控制pH值 .智能控制的方法取得了较好的控制效果
参考文献：
[1]. 黄原胶发酵过程智能控制研究[D]. 尚海涛. 郑州大学. 2002
[2]. 智能控制在黄原胶发酵温度及pH值控制中的应用[J]. 尚海涛, 陈铁军. 郑州大学学报(工学版). 2002