發(fā)酵罐溫度串級控制系統(tǒng)概述

中北大學課程設(shè)計說明書中北大學課程設(shè)計說明書#一、被控對象工作原理及結(jié)構(gòu)特點等發(fā)酵工程是應(yīng)用生物（主要是微生物）為工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)服務(wù)的一門工程技術(shù)，也稱微生物工程。發(fā)酵工程是包括微生物學、化學工程、基因工程、細胞工程、機械工程和計算機軟硬件工程的一個多學科工程?，F(xiàn)代發(fā)酵工程不但應(yīng)用于生產(chǎn)酒精類飲料、醋酸和面包，而且還可以生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物，天然殺蟲劑、細菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料，在化學工業(yè)上生產(chǎn)氨基酸、香料、生物高分子、酶以及維生素和單細胞蛋白等。發(fā)酵反應(yīng)器（發(fā)酵罐）是發(fā)酵企業(yè)中最重要的設(shè)備。發(fā)酵罐式必須具有適宜于微生物生長和形成產(chǎn)物的各種條件，促進微生物的新陳代謝，使之能在低消耗下獲得較高產(chǎn)量。例如，發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡單，便于滅菌和清洗；循環(huán)冷卻裝置維持適宜的培養(yǎng)溫度；由于發(fā)酵時采用的菌種不同、產(chǎn)物不同或發(fā)酵類型不同，培養(yǎng)或發(fā)酵條件又各有不同，還要根據(jù)發(fā)酵工程的特點和要求來設(shè)計和選擇發(fā)酵罐的類型和結(jié)構(gòu)。通風發(fā)酵設(shè)備要將空氣不斷通入發(fā)酵液中，供給微生物所需的氧，氣泡越小，氣泡的表面積越大，氧的溶解速率越快，氧的利用率也越高，產(chǎn)品的產(chǎn)率就越高。通風發(fā)酵罐有鼓泡式、氣升式、機械攪拌式、溢流噴射自吸式等多種類型。機械攪拌通風發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠常用的類型之一，它是利用機械攪拌器的作用，使空氣和慝液充分混合促使氧在慝液中溶解，以保證供給微生物生長繁殖、發(fā)酵所需要的氧氣，同時強化熱量傳遞。無論是微生物發(fā)酵、酶催化或動物植物細胞培養(yǎng)的微生物工程工廠都應(yīng)用此類設(shè)備，占目前發(fā)酵罐總數(shù)的70%?80%,常用語抗生素、氨基酸、有機酸和酶的發(fā)酵生產(chǎn)。機械攪拌通風發(fā)酵罐是屬于一種攪拌釜式反應(yīng)器，除用作化學反應(yīng)和生物反應(yīng)器外攪拌反應(yīng)器還大量用于混合、分散、溶解、結(jié)晶、萃取、吸收或解吸傳熱等操作。攪拌反應(yīng)器由攪拌容器和攪拌機兩大部分組成。加班容器包括筒體、換熱原件及內(nèi)構(gòu)件、攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動裝置等統(tǒng)稱為攪拌機。溫度對發(fā)酵的影響微生物藥品發(fā)酵所用的菌體絕大多數(shù)十中溫菌，如絲狀真菌、放線菌和一般細菌。它們的最適生長溫度一般在20?40攝氏度。在發(fā)酵過程中，應(yīng)維持適當溫度，以使微生物生長代謝順利進行。由于微生物的種類不同，所具有的酶系及其性質(zhì)也不同，因此所要求的溫度也不同，如細菌的生長溫度大多比霉菌高。有些微生物在生長、繁殖和合成代謝產(chǎn)物等各個階段的最適溫度是不同的。因此，要想獲得最高的發(fā)酵單位，在發(fā)酵的各個階段要調(diào)整發(fā)酵溫度。處于遲緩期的菌體對溫度十分敏感，因此，最好在其最適生長溫度范圍內(nèi)對其進行培養(yǎng)，這樣可以縮短延滯期和包子萌發(fā)時間。通常情況下，在最適溫度范圍內(nèi)提高對數(shù)生長期的溫度，有利于菌體的生長。例如，提高枯草桿菌前期的最適溫度，對該菌的生長產(chǎn)生了明顯的促進作用。溫度變化對發(fā)酵過程可產(chǎn)生兩方面的影響：一方面是影響各種酶反應(yīng)的速率和蛋白質(zhì)的性質(zhì)；另一方面是影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)。溫度對化學反應(yīng)速度的影響常用溫度系數(shù)（Q）10（每增加10攝氏度，化學反應(yīng)速度增加的倍數(shù)）來表示，在不同溫度范圍內(nèi)，Q的數(shù)值是不10同的，一般是2?3,而酶反應(yīng)速度與溫度變化的關(guān)系也完全符合此規(guī)律，也就是說，在一定范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，酶反應(yīng)速率也增加，但有一個最適溫度，超過這個溫度，酶的催化活力就下降。溫度對菌體生長的酶反應(yīng)和代謝產(chǎn)物合成的酶反應(yīng)的影響往往是不同的。發(fā)酵熱的產(chǎn)生發(fā)酵熱的產(chǎn)生是產(chǎn)生熱能的散失熱能的綜合結(jié)果，是引起發(fā)酵溫度變化的原因。發(fā)酵過程中產(chǎn)生的凈熱量稱為發(fā)酵熱。發(fā)酵過程中的菌體對培養(yǎng)基德利用，氧化分解有機物質(zhì)，機械攪拌，發(fā)酵罐壁向外散熱，水分蒸發(fā)等都會產(chǎn)生熱量交換，綜合起來就是發(fā)酵熱?，F(xiàn)將這些產(chǎn)熱和放熱的因素分述如下。.生物熱產(chǎn)生菌在生長繁殖過程中產(chǎn)生的熱量，稱為生物熱。這些產(chǎn)生的生物熱一部分用來合成高能化合物，供微生物合成和代謝活動需要，一部分用來合成代謝產(chǎn)物，其余部分已熱量形式，散發(fā)出來。生物熱的大小隨培養(yǎng)基成分和菌種的變化而變化；隨培養(yǎng)時間的不同而不同；與菌體的呼吸強度有對應(yīng)關(guān)系，呼吸強度越大產(chǎn)生的生物熱越大。.攪拌熱攪拌器轉(zhuǎn)動鎖引起的液體之間、液體與設(shè)備之間的摩擦所產(chǎn)生的熱量，即攪拌熱。.蒸發(fā)熱空氣進入發(fā)酵罐與發(fā)酵液廣泛接觸后，引起水分蒸發(fā)所需的熱能，稱為蒸發(fā)熱。這部分熱量在發(fā)酵過程中先以蒸汽形式散發(fā)到發(fā)酵罐液面，再由排氣管帶走。.輻射熱由于管外壁和大氣間的溫度差異而使發(fā)酵液中的部分熱能通過罐體向大氣輻射的能量，即輻射熱。輻射熱的大小取決于罐內(nèi)外溫度差。發(fā)酵熱在整個發(fā)酵過程中隨時間而變化，引起發(fā)酵溫度發(fā)生波動，為了使發(fā)酵能在一定溫度下進行，一定要控制發(fā)酵溫度。1.3發(fā)酵罐的動態(tài)數(shù)學模型機械攪拌通風發(fā)酵罐的動態(tài)數(shù)學模型與基本的化學反應(yīng)器的動態(tài)數(shù)學模型基本一樣，所以在此將以如圖1所示的非絕熱連續(xù)攪拌釜式液相反應(yīng)器為例，來說明反應(yīng)器激勵模型的建模思路。反應(yīng)物 冷卻劑圖1反應(yīng)物 冷卻劑圖1發(fā)酵罐反應(yīng)器oo反應(yīng)產(chǎn)物（1）基本動態(tài)方程式（1）基本假設(shè)①兩側(cè)流體均呈活塞流狀流動，無軸向混合；②徑向熱傳導可用集中參數(shù)表示，即同一截面上各點溫度相同;③傳熱系數(shù)U和比熱Ca、Cb恒定不變；④管壁熱容忽略不計；⑤外部絕熱良好，即不考慮熱損失。（2）系統(tǒng)基本方程式的建立對內(nèi)管流體A列寫微元dT的熱量衡算式：at(t①MCdt八')=UAdt[T(t,t)-T(t,t)]+①CT(t,t)aa ^t B A aaA「 at(t.t)―I-3CT(t,t)+J')dtaaAV' dT

式中：aT(t,t) A St=a[T(式中：aT(t,t) A St1B AUAa= 1 3CaaTTm+TL^22 TTm+TL^22 at Sta[T(t,t)-T(t,t)]2A B式中：UAa= 2 3CbbTA式中：UAa= 2 3CbbTA(T,S)t『tai(s)TA(T,S)T=1=TA0(S)tJTB1(S)t=JTB0(S)MT= b2 3b(2)偏微分方程的求解：在化工過程中，有很多典型操作單元如套管式和列管式換熱器、填充式精餾塔和吸收塔、管式和固定床式反應(yīng)器等都屬于分布參數(shù)對象，它們的動態(tài)方程為偏微分方程。偏微分方程的求解方法主要有傳遞函數(shù)法、分段集總化處理方法、正交配置法和數(shù)值解法。對于較簡單的(自變量不大于兩個，線性定常)偏微分方程，一般可以通過傳遞函數(shù)法求解。①首先進行由時間域t到復(fù)域S的拉氏變換，在TA、TB取增量形式時，初始條件為0,由式可得：TST(t,S)+巴(T'5)=a[T(t,S)-T(t,S)]A dT ib ATST(t,S)+dT(t,5)=a[T(t,S)-T(t,S)]B dT 2A B②進行由距離域T到復(fù)域P的拉氏變換，邊界條件如下:TST(P,S)+PT(P,S)-T(S)=a[T(P,S)-T(P,S)]1A A A1 1B ATST(P,S)+PT(P,S)-T(S)=a[T(P,S)-T(P,S)]2B B B1 2A B

令A(yù)P=（①1-①2）2+4a1a2，則式（4.42）右端分母可寫為:P2+P(①+①)+①①一aa1 2 1 2 12①+① ①2+①2+2①① ①2+①2—2①①+4aa=P2+2X_1 2P+_1 2 1_2——1 2 1_2 2 4 4T(S)A0T(T(S)A0T(S)B0e—(①1+①2)2\'"pcoshX_P-+

2(①-①)sinh''AP 2asinh\"?2i2 1 2網(wǎng)I”sinh^A~coshW_P-+(①-①)sinh

P 2( 1 2#S)B1.非線性模型的線性化有此整理得被控對象傳函為：GP1(GP1(s)=Ke。p—P1 Ts+1P1 ；GD2(s)=K D2—Ts+1D2二、控制方案設(shè)計被控變量和控制變量的選擇1.被控變量的選擇如前面所說，溫度對化學反應(yīng)速度的影響常用溫度系數(shù)（Q10）（每增加10攝氏度，化學反應(yīng)速度增加的倍數(shù)）來表示，在不同溫度范圍內(nèi)，Q的數(shù)值是不同的，一般是2?3,而酶10反應(yīng)速度與溫度變化的關(guān)系也完全符合此規(guī)律。而機械攪拌通風發(fā)酵罐是一種通用化學反應(yīng)器，所以把化學反應(yīng)器的普遍特性來代表發(fā)酵罐的特性?；瘜W反應(yīng)器的控制指標主要是反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)量、收率、主要產(chǎn)品的含量和產(chǎn)物分布等，用這些變量直接作為被控變量，反應(yīng)要求就能夠直接得到保證。但是，這些指標大多數(shù)是綜合性指標，還是無法測量。有些是成分指標，也缺少測量手段，或者測量滯后大、精度差，不宜作為被控變量。目前，化學反應(yīng)器的過程控制中，由于溫度和上述指標關(guān)系密切，又容易測量，所以大多用溫度作為反應(yīng)器控制中的被控變量。2.操縱變量的選擇溫度作為反應(yīng)質(zhì)量的控制指標是有一定條件的，只有在其他許多參數(shù)不變的條件下，才能正確地反映反應(yīng)情況。因此，在溫度作為反應(yīng)器控制指標時，要盡可能保證物料量、進料濃度等其他參數(shù)的恒定。所以選擇冷卻劑流量為操縱變量?？刂品桨冈诒ＷC物料量、進料濃度等其他參數(shù)一定的條件下，發(fā)酵罐內(nèi)溫度作為主被控變量，發(fā)酵罐的夾套溫度為副被控變量，冷卻劑流量為操縱變量，組建一控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)流程圖如下。進料口攪抖器出洞口泠內(nèi)I水出口進料口攪抖器出洞口泠內(nèi)I水出口「巖卻水進口圖2系統(tǒng)控制流程圖現(xiàn)場儀表選型.測溫元件及變送器被控溫度在100℃以下，選用代號為WZC,分度號為Cu100銅電阻溫度計，量程為-50?150℃,并配用DDZ—III型熱電阻溫度變送器，信號為DC4?20mA或DC1?5丫，溫度測量環(huán)節(jié)可用以下的一階環(huán)節(jié)來近似G(s)=F二，(慣性環(huán)節(jié))T1s+11式中，K與測量儀表的量程有關(guān)；測量環(huán)節(jié)的時間常數(shù)1=1min,儀表經(jīng)輸出歸一后均為0?TM 1Q—Q100%,。因而有K=去max—M,min=1%/C,式中，Q和Q 分別為測量儀表輸出信TQ—Q M,max M,minmaxmin號的上下限；QWQ分別為測量儀表量程的上下限。maxmin.執(zhí)行器根據(jù)工藝要求安全考慮，執(zhí)行器選DDZ—I型電動調(diào)節(jié)閥，假設(shè)調(diào)節(jié)閥為近似線性閥，

. .f(s)其動態(tài)滯后忽略不計，而且，G(s)=-V==K，式中，,十為調(diào)節(jié)閥的流通面積，?”通常V u(s) V在一定范圍內(nèi)變，這里假設(shè)工；?二(0.5?1.0)%/%(即控制器的輸出變化1%,調(diào)節(jié)閥的相對流通面積變化0.5%?1.0%)。三、系統(tǒng)仿真及參數(shù)整定控制系統(tǒng)方框圖圖3圖3控制系統(tǒng)方框圖圖中，Tsp為溫度給定值，TC為溫度控制器，F(xiàn)C為流量控制器，GV為調(diào)節(jié)閥傳遞函數(shù)，GP2為流量對象傳遞函數(shù)，Gp1為溫度對象傳遞函數(shù)，Gqm為流量計傳遞函數(shù)，GTM為溫度檢測環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，Gd2為副回路干擾傳遞函數(shù)，Gd1為主回路干擾傳遞函數(shù)。分析被控對象特性及選擇控制算法.被控對象特性根據(jù)動態(tài)模型公式(12)可知，假設(shè)除T和F之外，其他參數(shù)穩(wěn)定，公式(12)簡化為cdTdtKA e-VdTdtKA e-VpcpKA, e Vpccpc)+-ci——coF,

Vcc依照此式可看出，控制通道動態(tài)特性為KeKe-Tdt

Ts+1dKe-TtG=「―，同理，可得擾動通道動態(tài)特性GpTs+1 dp.選擇控制算法根據(jù)被控對象的特性和控制的需要，選擇PID算法。3.3系統(tǒng)參數(shù)整定和仿真

圖4發(fā)酵罐溫度串級控制系統(tǒng)SIMULINK模型串級系統(tǒng)PID參數(shù)整定過程為：先進行副控制器的參數(shù)整定，再在副回路閉合的前提下，K進行主控制器的參數(shù)整定。（k為比例系數(shù)；K為積分系數(shù)；K為微分系數(shù)；T=一為積分時間P i d iKiK常數(shù)；T=—為微分時間常數(shù)；）dKp對副回路控制器FC，采用經(jīng)驗整定方法。步驟一 首先設(shè)定控制器PID參數(shù)的初始值為K=1,K=1.5,K=0

pi d圖5參數(shù)設(shè)定值仿真圖

步驟二 再根據(jù)設(shè)定值跟蹤速度的快慢，調(diào)整控制器增益K直至滿意為止p圖6副回路整定圖最后選取的流量的控制器的參數(shù)為K=2.75,K=2.2,T=1.2sp ii再在副回路閉合的情況下整定主回路PID控制器的參數(shù)，整定方法為臨界比力度法。最后得到整定好的主回路的PID控制器參數(shù)為K=2.75,K=0.8,T=3.4375s得到的曲線如圖所p ii示。圖7調(diào)整參數(shù)后系統(tǒng)仿真圖3.4結(jié)論兩周的過程檢測與儀表課程設(shè)計，加強了我們動手、思考和解決問題的能力。在此期間我們熱情高漲，也曾一度失落過。從開始時滿腹激情到最后疲憊不堪的復(fù)雜心情，點點滴滴無不令我回味無長。在設(shè)計過程中遇到的問題，可以說是有一定難度的，一開始大家都很有耐心地查找資料，可到后面建立被控對象數(shù)學模型的時候，很多同學都不懂怎么進行下去。不過我想這畢竟是第一次接觸，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中也發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。另外，在仿真過程確實也有些辛苦，事先要定參數(shù)，考慮整個控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，而其中的參數(shù)整定很有技巧。大家都想精益求情，整定的結(jié)果雖然已經(jīng)很符合要求，但是依然不滿足，朝著快、準、穩(wěn)三個方面的更高層次進軍。在用SIMULINK做仿真時，在電腦前一坐就是半天，人累的有些是腰酸背痛，但苦中也有樂，在如今單一的理論學習中，很少有機會能有實踐的機會。這次設(shè)計也是一個團隊的任務(wù)，一起學習可以讓我們有說有笑，相互幫助，更考驗了我們團隊間的默契，多少人間