基于FPC2000 DCS的發(fā)酵過(guò)程智能控制系統(tǒng)

其控制過(guò)程是：在過(guò)渡過(guò)程中，因系統(tǒng)的誤差和誤差變化率較大，復(fù)合模糊控制器主要是模糊控制的作用；當(dāng)系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的誤差變化率較小，如果誤差較大，則復(fù)合模糊控制器切換到PI控制；如果穩(wěn)態(tài)誤差在允許的精度內(nèi)，則人用模糊控制；當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)，模糊控制在克服擾動(dòng)后仍有誤差，則切抑郁到PI控制，待穩(wěn)態(tài)誤差消除后又回到模糊控制。由此可見(jiàn)，PI控制作用僅僅是克服穩(wěn)態(tài)誤差。

圖4是某制藥廠多粘菌素發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)罐溫設(shè)定值從36℃改為35.5℃，分別采用常規(guī)PI控制（PI控制參數(shù)用自整定法確定）與采用復(fù)合模糊控制的結(jié)果比較。復(fù)合模糊（Fuzzy-PI）控制的超調(diào)量比常規(guī)PI控制降低50%，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短30%。復(fù)合模糊控制的動(dòng)態(tài)和表態(tài)特性全面改善，表現(xiàn)出良好的魯棒性。因罐溫控制為冷卻水降溫調(diào)節(jié)，所以控制規(guī)律為反作用或調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)（或電關(guān)）型。

4.3 PH參數(shù)自調(diào)整模糊控制系統(tǒng)

PH是微生物生長(zhǎng)的另一個(gè)重要環(huán)境參數(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)上，若發(fā)酵液PH值偏低，則通過(guò)加氨水的辦法，使其PH值回升；若PH值偏高，在發(fā)酵前期可適當(dāng)補(bǔ)加基質(zhì)來(lái)調(diào)整，一般不采用加酸的控制手段。因此，在PH值控制中，必須嚴(yán)格控制好氨水的加入量，絕對(duì)不能過(guò)量。PH對(duì)象特性具有嚴(yán)重的非線性、不確定性和較大的時(shí)滯現(xiàn)象，采用常規(guī)PID控制精度較低。

因此PH控制采用參數(shù)自調(diào)整模糊控制，結(jié)構(gòu)分別如圖和圖6所示。在PH參數(shù)自調(diào)整模糊控制中，選擇PH值和給定值之差e及ē作為過(guò)程輸入，加酸的量為過(guò)程輸出。將PH值經(jīng)模糊化后，轉(zhuǎn)換成模糊變量值，根據(jù)相應(yīng)的模糊規(guī)則和模糊關(guān)系，做出模糊判斷，求出加入的酸量。為提高控制精度應(yīng)用Fuzzy修改表對(duì)量化因子參數(shù)k1 、k2 、k3進(jìn)行自調(diào)整。自調(diào)整的原則是，當(dāng)誤差e或誤差率ē較大時(shí)，進(jìn)行“粗調(diào)”控制，這時(shí)可以降低對(duì)e或ē的分辨率，而采用較大的控制改變量，這可以縮小k1和k2 、放大k3。當(dāng)e或ē較小時(shí)，也就是系統(tǒng)已接近穩(wěn)態(tài)，就實(shí)行“細(xì)調(diào)”控制，這是要提高對(duì)e或ē的分辨率，而采取較小的控制改變量，要求放大k1和k2 、縮小k3。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，k1和k2放大（或縮?。┑谋稊?shù)與k3縮小（或放大）的倍數(shù)n相同。

參數(shù)自調(diào)整的做法按照模糊控制的方式進(jìn)行。在進(jìn)行參數(shù)自調(diào)整時(shí)，先以原來(lái)的k1和k2對(duì)e和ē進(jìn)行量化得到E和？，然后查模糊表得參數(shù)應(yīng)放大（或縮小）的倍數(shù)n，再計(jì)算出k1= k1n, k2= k2n，k3= k3n,作為模糊控制器的新參數(shù)進(jìn)行控制運(yùn)算。

在PH控制中，所使用的閥門(mén)常采用開(kāi)關(guān)電磁閥，所以相應(yīng)的控制方式采用時(shí)鐘脈沖的控制方式即開(kāi)關(guān)的模擬調(diào)節(jié)來(lái)進(jìn)行，時(shí)鐘脈沖的周期T是根據(jù)系統(tǒng)的滯后時(shí)間長(zhǎng)短面設(shè)定的。輸出脈沖寬度是根據(jù)模糊控制算法得出的輸出控制信號(hào)按比例確定。通過(guò)改變開(kāi)并閥的開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)氨水的加入量，使PH值逐步逼近設(shè)定值，從而克服了PH的非線性和滯后特性對(duì)控制的影響。

發(fā)酵過(guò)程中采用常規(guī)PID控制PH的控制誤差，通常為±0.1PH,在L-谷氨酰胺、L-蛋氨酸、多粘菌素等發(fā)酵過(guò)程控制中采用PH參數(shù)自高速模糊控制方法，PH的調(diào)節(jié)迅速，控制誤差在±0.05PH以內(nèi)，控制精度提高100%。

4.4 溶氧變區(qū)域?qū)＜?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)

發(fā)酵過(guò)程的溶解氧是一個(gè)綜合參數(shù)，影響因素多，除了攪拌轉(zhuǎn)速、空氣流量、罐壓和罐溫等可檢測(cè)參數(shù)的影響外，基質(zhì)濃度、菌體濃度、產(chǎn)物濃度等不可檢測(cè)參數(shù)對(duì)其也有影響。而且生產(chǎn)原料、菌種的不同，都對(duì)溶解氧有不同的要求。

在高發(fā)酵單位的生產(chǎn)中，供氧的制約因素主要有兩個(gè)：攪拌速率和空氣流量。目前，中小型發(fā)酵罐的攪拌轉(zhuǎn)速可采用變頻調(diào)速，因些可采用以進(jìn)氣量調(diào)節(jié)為主、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為輔的方法控制溶解氧濃度，控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。