基于FPC2000 DCS的發(fā)酵過(guò)程智能控制系統

其控制過(guò)程是：在過(guò)渡過(guò)程中，因系統的誤差和誤差變化率較大，復合模糊控制器主要是模糊控制的作用；當系統接近穩態(tài)時(shí)，系統的誤差變化率較小，如果誤差較大，則復合模糊控制器切換到PI控制；如果穩態(tài)誤差在允許的精度內，則人用模糊控制；當系統受到擾動(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態(tài)誤差。

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

4.3 PH參數自調整模糊控制系統

PH是微生物生長(cháng)的另一個(gè)重要環(huán)境參數，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)酵前期可適當補加基質(zhì)來(lái)調整，一般不采用加酸的控制手段。因此，在PH值控制中，必須嚴格控制好氨水的加入量，絕對不能過(guò)量。PH對象特性具有嚴重的非線(xiàn)性、不確定性和較大的時(shí)滯現象，采用常規PID控制精度較低。

因此PH控制采用參數自調整模糊控制，結構分別如圖和圖6所示。在PH參數自調整模糊控制中，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，轉換成模糊變量值，根據相應的模糊規則和模糊關(guān)系，做出模糊判斷，求出加入的酸量。為提高控制精度應用Fuzzy修改表對量化因子參數k1 、k2 、k3進(jìn)行自調整。自調整的原則是，當誤差e或誤差率ē較大時(shí)，進(jìn)行“粗調”控制，這時(shí)可以降低對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e或ē較小時(shí)，也就是系統已接近穩態(tài)，就實(shí)行“細調”控制，這是要提高對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?。┑谋稊蹬ck3縮?。ɑ蚍糯螅┑谋稊祅相同。

參數自調整的做法按照模糊控制的方式進(jìn)行。在進(jìn)行參數自調整時(shí)，先以原來(lái)的k1和k2對e和ē進(jìn)行量化得到E和？，然后查模糊表得參數應放大（或縮?。┑谋稊祅，再計算出k1= k1n, k2= k2n，k3= k3n,作為模糊控制器的新參數進(jìn)行控制運算。

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)的模擬調節來(lái)進(jìn)行，時(shí)鐘脈沖的周期T是根據系統的滯后時(shí)間長(cháng)短面設定的。輸出脈沖寬度是根據模糊控制算法得出的輸出控制信號按比例確定。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)調節氨水的加入量，使PH值逐步逼近設定值，從而克服了PH的非線(xiàn)性和滯后特性對控制的影響。

發(fā)酵過(guò)程中采用常規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參數自高速模糊控制方法，PH的調節迅速，控制誤差在±0.05PH以?xún)?，控制精度提?00%。

4.4 溶氧變區域專(zhuān)家控制系統

發(fā)酵過(guò)程的溶解氧是一個(gè)綜合參數，影響因素多，除了攪拌轉速、空氣流量、罐壓和罐溫等可檢測參數的影響外，基質(zhì)濃度、菌體濃度、產(chǎn)物濃度等不可檢測參數對其也有影響。而且生產(chǎn)原料、菌種的不同，都對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)酵罐的攪拌轉速可采用變頻調速，因些可采用以進(jìn)氣量調節為主、轉速調節為輔的方法控制溶解氧濃度，控制結構如圖7所示。