发酵pH值自动控制系统MATLAB仿真

发酵pH值自动控制系统MATLAB仿真

孙颖1，李婷2

1. 东北大学人工智能所，沈阳（110004）

2. 沈阳药科大学药物制剂教研室，沈阳（110004）

E-mail：sunjunying@

摘要：本文首先在查阅大量发酵相关文献的基础上，简述了发酵过程的相关概念及目前发酵过程的监控方法和自动控制现状；深入分析了发酵实验工艺流程及重要参数的监测与控制情况；完成了发酵实验装置和监控系统的设计和实现；同时建立了上位机监控软件RSView32与下位机RSLogix5000之间的连接。针对发酵pH对象的复杂性，原控制算法过于简单、控制精度不高的问题，本文提出了积分分离PID算法应用于发酵pH控制，取得了比较理想的效果，并用仿真实验验证了该方法的有效性。

关键词：发酵pH，罗克韦尔PLC，变速积分PID，matlab仿真

中图分类号：TP273+.1

1.引言

近年来计算机在发酵过程的应用已大幅增加，各有关实验室和工厂普遍采用发酵过程计算机监控系统[1,2]。从发酵监控系统的监控方法来看，目前用于发酵过程的实时控制和数据处理系统主要有单片计算机系统、工控机、PLC、集散控制系统(DCS)和现场总线系统(FCS)等，发酵生产的规模和应用场合不同要求不同的计算机监控系统配置[3]。

与其它行业相比较，计算机控制发酵系统还不很成熟，一些技术问题还有待于解决，如控制发酵系统结构尚不完善，其功能稳定性有待提高[4]。大多发酵均是间歇反应过程，这就要求开关量和模拟量控制的要求同样严格，而且对开关量和模拟量的控制速度要求也不同，这就决定了单一继电控制、回路调节器和DCS均不能满足发酵的间歇生产过程或控制效果不好[5,6]。Frank J.Romeu[7]对发酵过程、发酵监控系统及参数检测设备进行了分析，从方法论的角度研究基于DCS发酵过程监控系统的构建方法。与工控机相比，DCS具有更高的可靠性，但控制系统的价格会大幅度提高，不适合中小型系统，此外，DCS还存在控制集中、系统封闭等弊端，正逐渐被现场总线控制系统所取代[8]。PLC作为现代工业现场控制器，其体积小、通信能力强、使用方便，有开关量和模拟量控制功能，在工业过程控制中得到了广泛应用[9]。由此，可以看出构建基于PLC的发酵监控系统将是发酵过程控制的发展方向之一。

天津科技大学王秀清[10]等人基于西门子S7-200系列PLC构建了实验研究用发酵监控系统。监控系统分为检测部分和控制部分。系统通过EM235模拟量输入模块对发酵的温度、pH值、溶解氧进行了检测；控制部分实现了温度控制，pH值控制，流加控制和转速控制。

南忠良、严新忠[11]采用PLC和监控计算机的方式对14L发酵罐控制系统进行了改造，完成了对温度、pH值、压力、溶氧等参数的在线检测和控制，并根据发酵过程的特点，建立生物参量与pH值、溶解氧浓度DO的数学关系，实现对生物参量的在线软测量。实验表明监控系统是有效的，软测量模型是可靠的。

本文以东北大学发酵实验室发酵罐pH为研究对象，采用罗克韦尔PLC监控系统，根据发酵过程的实际情况，利用下位机编程软件RSLogix5000编写发酵过程pH值控制梯形图，利用上位机监控软件RSView32开发相应的监控界面，通过PLC的通讯软件RSLinx来进行上位机与PLC之间的通讯，采用带模糊控制的变速积分PID算法对发酵过程的pH值进行

较精确的控制。

2.控制系统

2.1发酵实验装置与监控系统的设计与实现

实验室生物发酵装置系统由发酵主反应器(图1)及其附属装置以及外围设备组成(图2)。

(1) 发酵主反应器及其附属装置

实验室的发酵主反应器在第二章中有所介绍，它是由100L的发酵罐、10L的种子罐以及10L的补料罐组成，反应器采用的是江苏省镇江东方生物工程设备技术有限公司的无级变频调速机械搅拌发酵罐，与其相连的附属设备包括空气发生系统（空气压缩机及干燥机）、蒸汽处理系统（蒸汽发生器及过滤器）、水温加热系统（热水器）、电气控制系统（接线控制柜）、阀门管路及尾气检测设备（尾气分析仪）组成。

图1 发酵实验主反应器示意图

(2) 发酵外围设备

发酵外围设备包括高压蒸汽锅、离心机、冰箱、pH检测仪、显微镜、天平等。各设备的作用为：高压蒸汽锅主要是对发酵过程中用于消泡的豆油、调节pH值的酸碱液及其插入针管进行提前灭菌消毒，保证其无菌；离心机和天平是用于发酵过程中对样品测量菌体浓度的（操作步骤见第二章菌体浓度的检测）；冰箱的作用是存储离心后的上清液，等待之后的糖、氮含量检测；pH检测仪用于检测样品的pH值；显微镜的作用主要用于对样品的菌丝生长情况进行检查，以确定发酵进展情况和有无染菌。

图2 发酵主反应器及其附属设备关系图

发酵实验室监控系统硬件部分包括西门子工控机、罗克韦尔自动化公司的Logix5550处理器、ControlNet网络模块以及1756I/O模块构成的PLC控制柜、一台打印机；软件部分采用罗克韦尔公司的下位机编程软件RSLogix5000、上位机监控软件RSView32和上位机与PLC通讯的软件RSLinx组成。系统总体结构如图3所示。

图3 监控系统总体结构

2.2发酵pH实验装置与监控系统的设计

pH实验装置依据蠕动泵调节酸或碱的流量，因此蠕动泵是直接的控制装置；发酵罐的pH值须要反馈给PLC，进一步反馈给上位机，以便与pH的设定值进行对比，形成偏差，从而调节pH值；上位机监控软件通过PLC模块实现对蠕动泵、pH测定仪的控制。选用罗克韦尔Logix5550控制器的1756－IB16D数字输入模块、1756－OB16D数字输出模块和1756－OF8模拟输出模块。根据以上的设计思路，pH实验装置的硬件设计图如图4。

图4 pH实验装置的硬件设计结构图

蠕动泵的各部分功能如下：

(1)背面的红色按钮：弹出时为手动状态；按下时为外控状态。

(2) 外控状态接线：

黑线： GND（地线）；

红线： 4-20mA；

黄线： CW/CW（TTL电平，高电平正转，低电平反转）本实验采用直接与地连接，低电平反转；

白线 STOP（TTL电平，高电平停止，低电平运行）。

pH实验装置采用罗克韦尔PLC监控系统，根据发酵过程的实际情况，利用下位机编程软件RSLogix5000编写发酵过程pH值控制梯形图，利用上位机监控软件RSView32开发相应的监控界面，通过PLC的通讯软件RSLinx来进行上位机与PLC之间的通讯。

2.3发酵pH自动控制系统的算法设计

2.3.1 pH自动控制系统常规PID算法