发酵过程现代自动化控制技术

发酵过程现代自动化控制技术第1页，课件共117页，创作于2023年2月什么是发酵过程自动化控制？所谓发酵过程自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使发酵过程过程自动地按照预定的规律运行。生产过程自动控制（简称过程控制）是自动控制技术在石油、化工、电力、冶金、机械、轻工、纺织等生产过程的具体应用，是自动化技术的重要组成部分。第2页，课件共117页，创作于2023年2月内容一、绪论二、发酵过程的参数检测

1、物理参数检测

2、化学参数检测

3、间接参数检测三、发酵过程的自动化控制技术

1、基本的自动控制系统

2、发酵自动控制系统的硬件组成第3页，课件共117页，创作于2023年2月一、绪论1.生物过程控制的重要性2.传统过程和生物过程控制和优化理论的区别3.生物过程控制与优化的目的及研究内容4.发酵过程控制概论第4页，课件共117页，创作于2023年2月1.生物过程控制的重要性生物（酶）过程的优点与不足：优点：高效、高选择性、反应条件温和不足：体积反应速率慢，产物浓度和生产强度向目的产物转化率也比较低！解决途径：菌种改良；过程控制与优化。第5页，课件共117页，创作于2023年2月2.传统过程和生物过程控制和优化理论的区别传统过程控制与优化：基于过程动力学模型基础，可用过程的状态变量对时间的微分方程式表示；多可以用线性微分方程形式表示。生物过程的特征：复杂；动力学模型高度非线性；时变性强甚至难以定量描述；状态变量在线测量难度大；反应过程响应速率慢、在线测量时间滞后大。第6页，课件共117页，创作于2023年2月2.传统过程和生物过程控制和优化理论的区别PID等传统控制理论和基于线性动力学模型基础上的过程优化理论可以满足化工、机械、电子等领域的过程的控制与优化要求。生物过程控制与优化特点：控制精度不需太高（T、pH感受性强的生物过程除外）；间接；经验和知识影响大（人为影响）第7页，课件共117页，创作于2023年2月3.生物过程控制与优化的目的及研究内容目的：以生物反应工程、发酵工程、生物化学、微生物学等学科的原理和知识为基础，以自动控制理论、过程控制和优化理论、工程数学以及人工智能技术为手段，将目的生物过程控制在最优的操作环境之下，以提高生物过程生产水平。目标函数：浓度；生产效率或强度；转化率第8页，课件共117页，创作于2023年2月3.生物过程控制与优化的目的及研究内容研究内容：目标函数确定；状态变量、操作变量、和可测量变量确定；过程动力学数学模型（定性模型）建立；优化算法的确定。第9页，课件共117页，创作于2023年2月过程控制和优化的目标函数是？有没有能够描述过程动力特征的数学模型可以利用？如何建立？为实现优化目标，需要掌握什么样的情报?需要计测哪些状态变量？用来实现优化与控制的操作变量是？可以在线计量的状态变量是？据此推定的不可测状态变量、过程特性或模型参数和环境条件？第10页，课件共117页，创作于2023年2月可能的过程外部干扰？对控制与优化的影响？实现控制与优化的有效算法是？如何利用算法求解最优控制条件？控制与优化算法能否及时解决由于环境因子或细胞生理状态的变化而造成的最优控制条件的偏移，实现过程的在线最优化？第11页，课件共117页，创作于2023年2月4.发酵过程控制概论定义：把发酵过程的某些状态变量控制在某一期望的恒定水平上或时间轨道上。分为离线控制和在线控制离线控制：典型的开回路-前馈控制方式，利用已知非构造式动力学模型或其他已知方式计算和确定控制变量。在线控制：典型的闭回路-反馈方式，至少有一个状态必须可在线测量。第12页，课件共117页，创作于2023年2月反馈控制器根据测量值与被测量值的偏差自动对操作变量进行调整与修改，将测量值迅速和稳定的控制在设定值附近。反馈控制器的建立与调整离不开有效的数学模型。第13页，课件共117页，创作于2023年2月控制系统按数学模型分类PID控制系统：非构造式动力学模型在线自适应控制系统：基于状态变量和操作变量时间序列数据的黑箱性质模型；模糊逻辑控制：经验型的、以语言为中心的定性模型。第14页，课件共117页，创作于2023年2月5.发酵过程的状态变量、操作变量和可测量变量状态变量（Statevariables）：显示过程状态及其特征的参数，生物浓度、活性及反应速率；菌体浓度、DO、μ等操作变量（Inputvariables）：环境因子或操作条件，其改变导致状态变量改变；温度、压力、pH等测量变量（Measurementvariables）：可测量的状态变量。包括直接测量（一级）变量和间接测量（二级）变量。后者可根据前者利用公式计算得到第15页，课件共117页，创作于2023年2月6.用于发酵过程控制和优化的各类数学模型合适的数学模型是实现过程控制与优化的基础；能够直接反映操作参数和过程状态参数间的关系、将复杂反应体系的限速步骤单独提取出来加以模型化的、低元次的统合性质的模型第16页，课件共117页，创作于2023年2月包含代谢网络模型在内，考虑到细胞内构成成分变化。最真实可靠，难建模，不能直接应用；1.构造性模型：第17页，课件共117页，创作于2023年2月2.黑箱性质模型：完全基于生物过程状态变量和操作变量时间序列数据。含

1）回归模型：用于构建在线自适应控制系统和在线最优化控制系统；

2）人工神经网络：用于过程状态预测、模式识别、过程输入和输出变量的非线性回归。第18页，课件共117页，创作于2023年2月3.非构造式数学模型把生物过程的理论定量与经验公式相结合的统合形式的模型；建模相对简单，为基于Pontryagin最大原理、格林定理、动态规划法和遗传算法的最优化控制与计算的基础第19页，课件共117页，创作于2023年2月二、发酵过程的参数检测技术方法：发酵过程的参数检测，获得给定发酵过程及菌体的重要参数的数据，定性、定量描述，实现过程的优化、模型化和自动化控制。第20页，课件共117页，创作于2023年2月第21页，课件共117页，创作于2023年2月测参数的测量形式分为：就地信号系统，在线测量系统和离线测量。特点：需要检测的参数种类多测量难度：传感器须耐高温；固形物附着传感器；气泡干扰；产生灭菌死角；成分分析难以转化为电信号。第22页，课件共117页，创作于2023年2月微生物的生长代谢过程是动态变化过程，属于开放系统。

根据参数的性质特点可分为：物理参数、化学参数、间接参数三类。第23页，课件共117页，创作于2023年2月需要测定的微生物反应工程参数物理参数：温度、压力、搅拌器转速、动力消耗、通气量、流加物料量、料液总质量、料液体积、发酵液黏度、流动特性、放热量、添加物质的累积量化学参数：氧化还原电位、DO、DCO2浓度、尾气氧分压和PCO2分压、Kla、菌体浓度、细胞内物质组成、碳源、氮源、金属离子、诱导物质、目的代谢产物、副产物等的浓度、酶的比活力、各种比速率、呼吸商第24页，课件共117页，创作于2023年2月参数传感器参数传感器温度热电偶、热敏电阻、铂电阻温度计DCO2CO2电极、膜管传感器罐内压力隔膜式压力表醇类物质浓度生物传感器、膜管传感器气体流量转子流量计、热质量流量计、孔板流量计各种培养基组分、代谢产物浓度生物传感器搅拌转速转速传感器NH4+氨离子电极、生物传感器、氨电极搅拌功率应变计料液量测力传感器金属离子浓度离子选择性电极气泡接触电极尾气中的PO2热磁氧分析仪、氧化镐陶磁氧分析仪流加物料流量转速传感器pH复合玻璃电极氧化还原电位复合铂电极尾气中的PCO2红外气体分析仪DO复膜氧电极、膜管传感器培养液浊度或菌体浓度光导纤维法、等效电容法第25页，课件共117页，创作于2023年2月1、物理参数检测1）温度测量感温元件：铂电阻（精、稳但贵）；铜电阻（便宜、但需长、大，易氧化）；半导体（精、小、简、耐腐蚀但非线形）。二次仪表：温度，0—150℃，与热电阻型号匹配。第26页，课件共117页，创作于2023年2月1、物理参数检测2）热量测量（属“微热量”）①利用热交换原理，测量一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度（影响因素较多Q散Q显Q搅，只能定性和估计）②利用温度变化率S（℃/h）：先使罐温恒定，再关闭自控装置，测量S；③热力学方法：

根据盖斯定律：“在恒压和恒容条件下，一个反应不论是一步完成或几步完成，其反应热是相同的”。这实际上是热力学第一定律的必然推论，因为焓（H）是状态函数，过程的焓变与途径无关，只决定于过程的始态和终态。发酵热可根据标准燃烧热或标准生成热来计算。第27页，课件共117页，创作于2023年2月1、物理参数检测3）搅拌转速和搅拌功率的测量搅拌转速：磁感应式，光感应式，测速电机；搅拌功率：（影响因素：菌丝浓度、黏度、泡沫）方法：功率表，测定力矩求功率法。第28页，课件共117页，创作于2023年2月1、物理参数检测4）空气流量测定体积流量型：会引起流体能量损失，受温度和压力变化的影响；①同心孔板压差式流量计；②转子流量计。质量流量型：根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能）设计的流量计。第29页，课件共117页，创作于2023年2月1、物理参数检测5）罐压测量就地指示；转变为电信号（远传）。选测、控点时，要避免死角，防止染菌。

第30页，课件共117页，创作于2023年2月1、物理参数检测6）料液计量与液位控制压差法：H=（△P2/△P1）·△H

直接重量测量法：直接称重体积计量法：计算进出料液流量计量法：计算流量和时间液位探针第31页，课件共117页，创作于2023年2月1、物理参数检测7）发酵液粘度测定

毛细管粘度计回转式粘度计涡轮旋转粘度计第32页，课件共117页，创作于2023年2月8）Kla测定亚硫酸盐氧化法溶氧电极法物料衡算法动态测定法取样极谱法复膜电极法第33页，课件共117页，创作于2023年2月2、化学参数检测1）pH测量复合pH电极

（灭菌、稳定、流通、耐压）

pH测量仪器第34页，课件共117页，创作于2023年2月2、化学参数检测2）溶解氧的测量溶氧电极法：这是一种参量变换器：把溶氧浓度变成一个与之呈线性关系的电流量，进行测量，这种溶氧电极能耐蒸汽杀菌时的高温，可以固定装在发酵罐上，连续地测量培养液中溶氧浓度。亚硫酸盐氧化法取样极普法排气法第35页，课件共117页，创作于2023年2月采用耐高温消毒的带金属护套的玻璃极谱电极用复合膜使电极与被测溶液分开原理：氧分子在阴极上还原，而产生电流，电流和被还原的氧量成正比，测出此电流值就可以确定发酵液的溶氧浓度。第36页，课件共117页，创作于2023年2月第37页，课件共117页，创作于2023年2月瑞士HAMILTON溶氧电极第38页，课件共117页，创作于2023年2月2、化学参数检测3）溶解二氧化碳测量复膜式电极法渗透膜—碳酸氢钠法4）发酵尾气的在线分析

CO2分析氧浓度测量（如质谱分析仪）第39页，课件共117页，创作于2023年2月3．溶解CO2浓度的检测CO2通过特殊选择特性的微孔膜进入饱和碳酸氢钠缓冲溶液中，平衡后显示的pH与溶解的CO2浓度成正比。测定范围是1.5~150g/m3

第40页，课件共117页，创作于2023年2月2、化学参数检测5）菌浓度的测量浊度法荧光测量排气分析法粘度测定法热量恒算法酶电极法恒电位电极法LabScan型实时在线浊度计

第41页，课件共117页，创作于2023年2月5）细胞浓度的测定分全细胞浓度：湿重法、干重法、浊度法、湿细胞体积法等，在线检测用流通式浊度计活细胞浓度：利用活生物细胞催化的反应或活细胞本身特有的物质而使用生物发光或化学发光法进行测定。荧光法测定ATP、NADH第42页，课件共117页，创作于2023年2月3、间接参数检测1）数据处理2）间接数据的获得质量传递速率:OTR≈OUR(氧吸收率)=QO2X

组分比率

（呼吸商RQ：形成的CO2与耗O2之比）质量传递系数：如氧：W=OTR=KLα（C*-CL）热传递系数：QC=Fin

△H0in-Fout△H0out

其他间接参数:如搅拌功率、叶尖速度、发酵液体积等。第43页，课件共117页，创作于2023年2月在线分析仪器设备高压液相分析系统（HPLC）流动注射式（FlowInjectionAnalyser）分析系统映像在线监控系统第44页，课件共117页，创作于2023年2月4．高压液相分析系统（HPLC）发酵液过滤后进入过滤取样模件FAM，由HPLC系统分析。第45页，课件共117页，创作于2023年2月高压液相分析系统第46页，课件共117页，创作于2023年2月实质是将样品送至检测装置的一种手段，可以直接将样品送至检测装置，也可与载气、反应剂混合送至检测系统4．流动注射式（FlowInjectionAnalyser）分析系统第47页，课件共117页，创作于2023年2月FIAlabInstruments流动注射式分析系统

第48页，课件共117页，创作于2023年2月4．映像在线监控系统即直接将光学显微镜安装在反应器中，可以观察到细胞的数目，单个细胞的尺寸和形态，还可利用荧光显微镜同时估计细胞代谢过程。第49页，课件共117页，创作于2023年2月生物传感器在发酵过程检测中的应用定义：利用生物催化剂和适当的转换元件制成的传感器。生物材料：固定化酶、微生物、抗原抗体、生物组织等；转换元件：电化学电极、热敏电阻等第50页，课件共117页，创作于2023年2月

酶电极微生物电极免疫电极第51页，课件共117页，创作于2023年2月（二）在线发酵仪器的研究进展1．红外光谱技术：新型红外探头2．荧光检测技术：分为酶键合标记法、直接荧光测量法、荧光试剂测量法3．离子敏场效应晶体管传感技术：利用离子敏感薄膜或生物活性功能膜代替金属构成的新型有源半导体化学敏感器件第52页，课件共117页，创作于2023年2月间接测量：软测量技术以目前可有效获取的测量信息为基础，通过计算机实现重要过程变量的估计，其软件可根据被测对象的变化进行改造。在发酵过程中，由易测量的过程变量（如O2和CO2），借助于“软测量”模型，通过各种计算和估计，实现对待测过程变量（如生物量、产物浓度）的软测量第53页，课件共117页，创作于2023年2月二、发酵过程的自动控制

变量测量和变化规律的认识→控制器(自动化仪表、计算机组成)→控制关键变量→控制发酵过程1、基本的自动控制系统①前馈控制②反馈控制③自适应控制2、发酵自动控制系统的硬件组成第54页，课件共117页，创作于2023年2月过程控制系统的发展状况及特点生产过程自动控制自动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着十分重要的作用，自动控制水平的高低也是衡量一个国家科学技术先进与否的重要标志之一。随着国民经济和国防建设的发展，自动控制技术的应用日益广泛，其重要作用也越来越显著。第55页，课件共117页，创作于2023年2月20世纪40年代手工操作状态，只有少量的检测仪表用于生产过程。20世纪40年代末～50年代过程控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统自动化仪表：采用的是基地式仪表和部分单元组合仪表（气动Ⅰ型和电动Ⅰ型）；控制理论：以反馈为中心的经典控制理论过程控制系统发展状况第56页，课件共117页，创作于2023年2月20世纪60年代：过程控制系统：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。自动化仪表：单元组合仪表（气动Ⅱ型和电动Ⅱ型）成为主流产品。60年代后期，出现了专门用于过程控制的小型计算机，直接数字控制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域。控制理论：出现了以状态空间方法为基础，以极小值原理和动态规划等最优控制理论为基本特征的现代控制理论,传统的单输入单输出系统发展到多输入多输出系统领域。第57页，课件共117页，创作于2023年2月控制理论：形成了大系统理论和智能控制理论。模糊控制、专家系统控制、模式识别技术20世纪70～80年代过程控制系统：最优控制、非线性分布式参数控制、解耦控制、模糊控制自动化仪表：气动Ⅲ型和电动Ⅲ型，以微处理器为主要构成单元的智能控制装置。集散控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器(PLC)、工业PC机、和数字控制器等，已成为控制装置的主流。第58页，课件共117页，创作于2023年2月控制理论：人工智能、神经网络控制20世纪90年代至今：信息技术飞速发展过程控制系统：管控一体化现场，综合自动化是当今生产过程控制的发展方向。自动化仪表：总线控制系统的出现，引起过程控制系统体系结构和功能结构上的重大变革。现场仪表的数字化和智能化，形成了真正意义上的全数字过程控制系统。各种智能仪表、变送器、无纸纪录仪第59页，课件共117页，创作于2023年2月过程控制系统特点生产过程的连续性在过程控制系统中，大多数被控过程都是以长期的或间歇形式运行，在密闭的设备中被控变量不断的受到各种扰动的影响。被控过程的复杂性

过程控制涉及范围广，被控对象较复杂

控制方案的多样性

过程控制系统的控制方案非常丰富第60页，课件共117页，创作于2023年2月过程控制的主要内容自动检测系统利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录自动信号和联锁保护系统 自动信号系统：当工艺参数超出要求范围，自动发出声光信号 联锁保护系统：达到危险状态，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车第61页，课件共117页，创作于2023年2月自动操纵及自动开停车系统 自动操纵系统：根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作 自动开停车系统：按预先规定好的步骤将生产过程自动的投入运行或自动停车自动控制系统：利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制，使他们在受到外界扰动的影响而偏离正常状态时，能自动的回到规定范围。第62页，课件共117页，创作于2023年2月过程控制系统的组成

过程控制系统检测元件（装置）控制器执行器（装置）检测被控制的物理量将设定值与测量信号进行比较，求出它们之间的偏差,然后按照预先选定的控制规律进行计算并将计算结果作为控制信号送给执行装置作用是接受控制器的控制信号，直接推动被控对象，使被控变量发生变化第63页，课件共117页，创作于2023年2月过程控制系统的两种表示形式方框图方框、信号线、比较点、引出点组成控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示带有输入输出信号的方框比较点分支点

第64页，课件共117页，创作于2023年2月绘制方框图注意事项过程控制系统的两种表示形式通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的输入端反馈负反馈正反馈发酵罐第65页，课件共117页，创作于2023年2月过程控制系统的两种表示形式

连接线通用的仪表信号线和能源线的符号是细实线。连接线表示相连及交叉时，可采用图（a）（b）形式。在复杂系统中，当有必要表明信息流动方向时，应在信号线符号上加箭头,如图(c)所示。

(a)(b)(c)第66页，课件共117页，创作于2023年2月过程控制系统的主要类型闭环控制系统指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的控制系统。

闭环控制系统的优点：

不管任何扰动引起被控变量偏离设定值，都会产生控制作用去克服被控变量与设定值的偏差。

闭环控制系统的缺点：

由于闭环控制系统的控制作用只有在偏差出现后才产生，当系统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对扰动的克服不及时，从而使其控制质量大大降低。第67页，课件共117页，创作于2023年2月过程控制系统的主要类型

闭环控制系统分类根据设定值分为定值控制系统，随动控制系统和程序控制系统。定值控制系统特点：设定值是固定不变的闭环控制系统称为定值控制系统。

作用：克服扰动的影响，使被控变量保持在工艺要求的数值上第68页，课件共117页，创作于2023年2月过程控制系统的主要类型随动控制系统特点：设定值是一个未知的变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。放大器被测电压ut可逆电机指示记录仪滑线电阻Eup

作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化自动平衡电位差计的方框图第69页，课件共117页，创作于2023年2月过程控制系统的主要类型程序控制系统特点：设定值是变化的，且按一定时间程序变化的时间函数程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情况，其分析研究方法与随动控制系统相同。

作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化第70页，课件共117页，创作于2023年2月过程控制系统的性能指标及要求常见典型信号

阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。

阶跃信号A

0t≥0

t<0数学表达式为：当A=1时称为单位阶跃信号。特点易产生对系统输出影响大便于分析和计算第71页，课件共117页，创作于2023年2月在阶跃信号作用下，被控变量随时间的变化有以下几种形式ytt①y

t②yt③y

t④y

t⑤1.发散振荡过程——曲线①所示5.非振荡发散过程——曲线⑤所示3.等幅振荡过程——曲线③所示4.衰减振荡过程——曲线④所示2.非振荡衰减过程——曲线②所示过程控制系统的性能指标及要求第72页，课件共117页，创作于2023年2月自动化技术的应用范畴宇航方面：同步卫星（随动控制系统）卫星的发射与回收（神州5号飞船，航天飞机）自动关机、点火系统军事方面：火炮自动点火、巡航导弹其他方面：农业（病虫害防治、专家系统） 社会科学（计划生育，人口增长模型）现代管理：办公自动化工业生产：自动车床、加热炉、发酵罐第73页，课件共117页，创作于2023年2月1.计算机控制系统及其组成图示计算机控制系统就是利用计算机(通常称为工业控制计算机,简称工控机)来实现生产过程自动控制的系统。偏差控制量一计算机控制系统概论第74页，课件共117页，创作于2023年2月2计算机控制系统的工作原理（1）实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入；（2）实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。（3）实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。第75页，课件共117页，创作于2023年2月计算机控制系统的典型形式（5种）（1）操作指导控制系统该系统属于开环控制结构。计算机根据一定的控制算法，依赖测量元件测得的信号数据，计算出供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。操作人员根据计算机输出的信息去改变调节器的给定值或直接操作执行机构。

第76页，课件共117页，创作于2023年2月（2）直接数字控制系统（DirectDigitalControl）

DDC系统属于计算机闭环控制系统。计算机首先通过模拟量输入通道（AI）和开关量输入通道（DI）实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通道（AO）和开关量输出通道（DO）直接控制生产过程。第77页，课件共117页，创作于2023年2月（3）监督控制系统（SupervisoryComputerControl)监督控制中，计算机根据原始工艺信息和其他的参数，按照描述生产过程的数学模型或其他方法，自动地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况（如保持高质量、高效率、低消耗、低成本等等）。从这个角度上说，它的作用始改变设定值，又称为设定值控制SPC(SetPointControl).第78页，课件共117页，创作于2023年2月（3）监督控制系统（SupervisoryComputerControl)监督控制中，计算机根据原始工艺信息和其他的参数，按照描述生产过程的数学模型或其他方法，自动地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况（如保持高质量、高效率、低消耗、低成本等等）。从这个角度上说，它的作用始改变设定值，又称为设定值控制SPC(SetPointControl).第79页，课件共117页，创作于2023年2月（4）分散型控制系统（DistributedControlSystem-DCS)

DCS采用分散控制，集中操作，分级管理，分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上到下分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制。通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范化、调试方便、运行安全可靠等。第80页，课件共117页，创作于2023年2月由管理操作应用工作站、现场控制站和通信网络组成管理操作应用工作站：工程师站、操作员站、历史数据站等各种功能服务站现场控制站用于现场信号的采集处理，控制策略的实现，并具有可靠的冗余保证、网络通信功能通信网络连接分散控制系统的各个分布部分，完成数据、指令及其它信息的传递。第81页，课件共117页，创作于2023年2月第82页，课件共117页，创作于2023年2月SunyPCC800集成控制器第83页，课件共117页，创作于2023年2月（5）现场总线控制系统（FieldbusControlSystem-FCS)FCS是新一代分布式控制结构与DCS不同，它的结构模式为“工作站－现场总线仪表”二层结构，完成了DCS三层结构的功能，降低了成本，提高了可靠性，国际标准统一后，可实现真正的开放式互连系统结构。现场总线在东北制药总厂VC车间二级种子罐控制系统中的应用第84页，课件共117页，创作于2023年2月1、基本的自动控制系统①前馈控制：通过动态反应快的变量测量来预测反应慢、易干扰的被控对象的变化，并提前实施控制。如：通过冷却水压力（控制阀）控制温度变化。第85页，课件共117页，创作于2023年2月1、基本的自动控制系统②反馈控制反馈控制是自动控制的主要方式控制器被控对象传感器第86页，课件共117页，创作于2023年2月1、基本的自动控制系统②反馈控制溶解氧的串联反馈控制第87页，课件共117页，创作于2023年2月1、基本的自动控制系统②反馈控制开关控制：控制阀门的全开全关；

PID控制：采用比例、积分、微分控制算法；串联反馈控制：两个以上控制器对一变量实施联合控制；前馈/反馈控制：前馈控制与反馈控制相结合。第88页，课件共117页，创作于2023年2月1、基本的自动控制系统③自适应控制：提取有关输入、输出信息，对模型和参数不断进行辩识，使模型逐渐完善；同时自动修改控制器的动作，适应实际过程。——自适应控制系统。第89页，课件共117页，创作于2023年2月2、发酵自动控制系统的硬件组成传感器变送器执行机构电磁阀、气动控制阀、电动调节阀、变速电机、正位移泵、蠕动泵。转换器过程接口监控计算机第90页，课件共117页，创作于2023年2月第91页，课件共117页，创作于2023年2月一、生物过程的控制能自我调节，时间常数长（一）温度的控制微生物生长和代谢需要合适的温度。影响生化反应温度的主要因素有微生物发酵热、电极搅拌热、冷却水本身的温度以及周围环境温度的改变等第92页，课件共117页，创作于2023年2月降温：用冷却水带走生化反应热。方式有两种，小型的采用夹套冷却形式，而大型的生化反应器通常采用在反应器内装盘管冷却器的形式第93页，课件共117页，创作于2023年2月（二）pH的控制pH是发酵过程中代谢平衡的反映pH上升主要是碳代谢不足，应增加培养基中糖浓度；pH下降主要是由于碳源过量或氮源不足，应降低培养基中的糖浓度或增加容易利用的氮源的浓度pH的控制：基础培养基中生理酸、碱物质的平衡；维持生理酸、碱性物质在补料中的平衡pH波动大时，加入酸碱调节第94页，课件共117页，创作于2023年2月pH控制系统由pH测量电极和变送器、pH控制器、空气开关和气动开关阀组成。第95页，课件共117页，创作于2023年2月（三）溶氧控制耗氧方面：在以糖为生长限制基质的情况下，当溶氧浓度偏低时，可减少补糖率以降低菌体生长速率；反之，增加补糖率来提高菌体生长速率。传氧方面：一般通过加大搅拌转速、通气量或罐顶压力的方法，提高氧传递速率。第96页，课件共117页，创作于2023年2月溶解氧的控制系统由溶解氧电极和变送器、溶解氧多路控制器、压力控制系统和空气流量控制系统组成。通过调节发酵罐压力和空气流量的方法进行控制。第97页，课件共117页，创作于2023年2月（四）补料控制可分为连续流加和变速流加；每次流加又可分为快速流加、恒速流加、指数速率流加按补加的培养基成分分为单一组分补料和多组分补料等等。补料必须充分了解微生物在发酵过程中的代谢规律及对环境条件的要求。第98页，课件共117页，创作于2023年2月补料控制实际上是流量控制，整个控制系统由流量测量环节、流量控制器和调节阀组成。其中流量测量环节可用电磁流量计或带远传转子流量计来测量。第99页，课件共117页，创作于2023年2月二、先进控制理论在反应器控制中的应用先进控制理论模糊逻辑控制生化过程知识库系统基于专家系统的人工神经网络第100页，课件共117页，创作于2023年2月上海联环生物工程设备有限公司SHLH－2005发酵控制系统

第101页，课件共117页，创作于2023年2月英国MI公司TANDAMGASANALYZER

尾气分析仪(左)和美国YSI

葡萄糖生化分析仪（右）第102页，课件共117页，创作于2023年2月瑞士HAMILTON公司电极

英国ABER公司原位活细胞在线检测仪，原理为双电极检测极化细胞电容法第103页，课件共117页，创作于2023年2月德国OPTEK发酵(BIOMASS)生物量密度分析仪第104页，课件共117页，创作于2023年2月美国NovaBasic,100+,300,