工业生物发酵过程在线检测、建模、控制方法与应用研究

摘要

生物技术产业的蓬勃发展，正在催生继IT之后国际经济竞争的又一个热点领域——生物经济。生物反应器为生物技术产业扩大再生产提供共性技术和关键技术，是生物技术产业化进程中最重要的实现环节之一，是生物学家和工程师之间的桥梁。生物反应器是由多种高技术支撑的机电一体化产品，国内生物反应器产业起步较晚，控制系统设计主要依赖于经验，缺乏系统性工业级的研究与设计，长期以来，国内相当大的一部分商品化生物反应器的市场被儿家国外公司占领。因此，针对生物发酵过程的检测技术、建模、以及先进控制系统设计等方面进行研究与设计，具有重要的理论意义和现实意义。下面简要介绍论文的主要：作和贡献。 1．提出了生物发酵溶氧在线检测的温度补偿算法，并进行了试验分析研究从分析生物反应器内氧的溶解动态特性及影响因素出发，研究了溶氧传感器的温度动态特性，发现温度变化对溶氧传感器的输出电流有着极大的影响，发酵液温度在30℃附近时，温度变化引起的溶氧传感器输出偏差人约为3％／℃，因此，溶氧测量温度补偿是非常必要的。 通过试验数据拟合，提山川阿仑尼乌斯公式的指数项来描述温度所引起的所有测量误差。并设计了溶氧在线检测软什标定方法和溶氧在线检测温度补偿算法。最后，利用嵌入式系统BL2100实现了溶氧在线检测温度补偿，并应用于业生产中。试验结果表明，上述在线温度补偿机制可以取得较好的效果，并且该方法灵活有效，可以极火地降低生产成本，有着重要的实际应用价值。 2．建立了间歇生物发酵过程温度对象的积分时滞动态模型，并进行了理论和实验分析研究 针对间歇生物发酵过程的温度动态过程，从动态热平衡原理出发，得到了微分方程描述的动态机理模型。从过程控制的角度，对其进行了合理简化，得到了一阶和二阶积分时滞温度动态模型的传递函数，并针对实际问歇生物发酵过程的温度控制系统，建立了广义温度动态模型。根据实验取得的阶跃响应试验数据，采用最小二乘方法离线估计广义温度动态简化模型参数。实验对比结果表明，二阶积分时滞模型可以非常好地描述温度动态特性，一阶积分时滞模型也可以近似地描述温度动态特性，并将其应用剑间歇生物发酵温度控制器设计和基于模型的参数辨识中。 3．建立了间歇生物发酵过程pH非线性过程的变增益积分动态模型，并进行了理论和实验分析研究 根据间歇生物反应器的物料平衡以及酸碱物理化学反应原理，提山状态方程描述的DHL线性动态模型。针对pH动态模型进行变形及合理简化后，得到了变增益积分pH非线性动态传递函数模型。通过对pH非线性动态模型进行试验研究，得到pH非线性动态实验模型。通过探讨理论模型与试验结果存在偏差的几个重要影响因素，对上述模型进行修正。由修正后pH动态模型所得到的仿真结果，与试验结果比较接近。 4．针对积分时滞对象提出了满足时延裕度要求的控制器参数整定方法，并应J}}j于间歇生物发酵过程温度控制系统首先针对一阶积分时滞对象，根据控制系统鲁棒稳定性能指标，设计了二自由度内模控制器，给出了基于时延裕度的扰动控制器参数整定规则。然后，针对Astrom设计的二自由度改进Smith预估器，设计了基于时延裕度的扰动控制器参数整定规则。两种控制器可以根据期望的时延变化稳定裕度来计算控制器参数，便于实际应用。 针对一类一阶积分时滞对象控制器，分析了出现控制器输出饱和的原因，在没有改变原有控制器的结构和没有引入新的控制器参数的情况下，设计了饱和补偿机制。并基于第三章获得的间歇生物发酵一阶积分时滞温度动态模型，将该方法应用于10L间歇生物发酵温度控制系统，试验结果验证了上述参数整定方法及饱和补偿机制的可行性和有效性。 5．设计了基丁嵌入式系统的间歇生物发酵两级计算机控制系统，并应于工业生产中提出基于嵌入式系统的新型间歇生物发酵两级计算机控制系统的架构，并分别设计了温度、pH、电机转速、补料、溶氧、消泡和水位等控制回路，以及上位机监控系统、远程监控、先进控制算法应川。该系统不但在实验室内的试验研究获得了成功，而且还在现代生物技术企业和研究机构中广泛应用。工业应用情况表明，该系统具有性能优越、可靠性高、操作方便、系统更新灵活、适应性强等优点。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

第二章溶氧在线检测技术的开发与研究

第三章间歇生物发酵过程温度对象动态模型的建立

第四章间歇生物发酵过程pH非线性对象动态模型的建立

第五章基于时延裕度的积分时滞对象控制器的设计与参数整定及其在间歇生物发酵温度控制中的应用

第六章基于嵌入式系统的间歇生物发酵两级计算机控制系统的设计与实现

第七章基于嵌入式系统的间歇生物发酵两级计算机控制系统的工业应用

第八章结束语

参考文献

攻读博士学位期间发表和录用的论文

参加的主要科研工作

致谢

上海交通大学学位论文答辩决议书