发酵pH值自动控制系统MATLAB仿真_附件.pdf

发酵pH 值自动控制系统MATLAB 仿真 1 2 孙颖 ，李婷 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 - 1 - 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