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21. 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+.11.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算法按偏差的比例(P-Proportional)、积分(I-Integral)和微分(D-Derivative)线性组合进行控制的方式，就是著名的PID 控制。

PID 控制早在30年代末期就已经出现，经过六十多年来不断的更新换代，由模拟PID 控制器发展到数字PID 控制器，己被广泛应用于工业过程控制[12]。

一个典型pH 值控制系统如图5所示，其中r 为给定信号，PID 表示控制器，P 为被控对象模型，d 为干扰量，e(k)为系统误差，u(k)为控制量，pH(k)为被控过程输出量。

图5 一个传统pH 控制系统常规的位置式数字PID 控制器的控制规律用式1，2表示0(){()()[()(1)]}k dp i j T T u k K e k e j e k e k T T==++−−∑ （1）()()()[()(1)]kp idj u k K e k K e j K e k e k ==++−−∑ （2）其中，()u k ：PID 调节器的离散化输出量；()e k ：PID 调节器的离散化输入量；p K ：比例系数；i T ：积分时间常数；d T ：微分时间常数；i K ：积分系数， i pi T K K T =；d K ：微分系数， dd p T K K T=。

常规的PID 控制特点如下：(1) 比例控制的作用是：误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，被控制朝着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数Kp 。

但因为在中和过程中，中和点附近存在高增益的现象，比例系数Kp 势必不能太大，否则闭环系统不稳定。

另外，对于具有自平衡性(即系统阶跃响应终值为一有限值)的被控对象存在误差。

加大Kp 可减小静差，但Kp 过大时，会导致动态性能变坏，甚至使闭环系统不稳定。

(2) 积分控制的作用是：使系统消除稳态误差，提高无差度。

因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。

积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti ，Ti 越小，积分作用就越强。

反之Ti 大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。

积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI 调节器或PID 调节器。

(3) 微分控制的作用是：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。

因此，可以改善系统的动态性能。

在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。

微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。

此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。

微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD 或PID 控制器。

由于常规PID 控制算法中的积分系数Ki 是常数，所以在整个控制过程中，积分增量不变，使得PID 参数整定不良，性能欠佳，很难适应发酵酸碱中和过程中被控对象非线性的特点。

通常在发酵工业pH 控制中一般不使用常规的PID 控制方法，而是采用对其进行改进的先进PID 控制算法。

2.3.2 pH 自动控制系统变速积分PID 算法在常规的PID 控制算法中，由于积分系数Ki 是常数，所以在整个pH 控制过程中，积分增量不变。

而pH 自动控制系统对积分项的要求是，系统偏差大时积分作用减弱甚至全无，而在偏差小时则应加强。

积分系数取大了会产生超调，甚至出现积分饱和，取小了又迟迟不能消除静差。

因此，如何根据系统偏差大小改变积分的速度，对于提高pH 自动控制系统品质是很重要的，变速积分PID 可较好的解决这一个问题。

变速积分PID 的基本思想是，设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相适应，偏差越大，积分越慢；反之则越快。

为此，设置系数f[e(k)]，它是e(k)的函数，当|e(k)|增大时，f 减小，反之增大。

变速积分的PID 积分项表达式为3：10(){()(())()}k i i j u k k e j f e k e k −==+∑ （3）系数f 与偏差当前值|e(k)|的关系设为线性的，如式4：1|()||()|[()]|()|0|()|e k BA e kB e k B e k A B A e k A B≤⎧⎪−+⎪=<≤+⎨⎪>+⎪⎩ （4） f 值在[0,1]区间内变化，当偏差|e(k)|大于所给分离区间A+B 后，f=0，不再对当前值e(k)进行继续累加；当偏差|e(k)|小于B 时，假如当前值e(k)，即积分项变为0()()ki ij u k k e j ==∑，与一般PID 积分项相同，积分动作达到最高速；而当偏差|e(k)|在B 与A+B 之间时，则累加计入的是部分当前值，其值在0~|e(k)|，因此，其积分速度在10()k i j k e j −=∑和0()kij k e j =∑之间，其变速积分PID 算法为式5：1()(){()[()]()}[()(1)]k p i dj u k k e k k e j f e k e k k e k e k −==+++−−∑ （5）这种算法对A 、B 两参数的要求不精确，参数整定较容易。