21世紀(jì)是科技的時(shí)代，隨著微生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，與微生物技術(shù)相關(guān)的設(shè)備制造技術(shù)、微生物反應(yīng)過(guò)程控制技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。用于微生物反應(yīng)過(guò)程的發(fā)酵罐，在生物、制藥及食品等方面都有著廣泛的應(yīng)用。但目前我國(guó)發(fā)酵工業(yè)的控制技術(shù)還比較落后，工業(yè)生產(chǎn)中仍以人工控制為主，遠(yuǎn)不能適應(yīng)發(fā)酵工程趨向設(shè)備大型化、高效化和自動(dòng)化的需求。嵌入式系統(tǒng)是21世紀(jì)的科技新貴，被廣泛應(yīng)用到工業(yè)控制系統(tǒng)、信息家電、通信設(shè)備、醫(yī)療儀器、軍事設(shè)備等眾多領(lǐng)域中，尤其是工業(yè)控制領(lǐng)域?；谶@種背景，本研究著力與基于嵌入式系統(tǒng)的微生物發(fā)酵罐控制系統(tǒng)研究，旨在改變我國(guó)發(fā)酵工業(yè)的控制技術(shù)落后的局面，提高其技術(shù)水平。
本文首先在微生物發(fā)酵原理、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)原理研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)發(fā)酵罐控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題、微生物生長(zhǎng)影響因素等，提出了微生物發(fā)酵過(guò)程中溫度控制環(huán)的仿人模糊自適應(yīng)PID控制方法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制器。然后對(duì)微生物發(fā)酵過(guò)程DO控制環(huán)進(jìn)行了分析，根據(jù)DO對(duì)微生物生長(zhǎng)過(guò)程的影響以及微生物生長(zhǎng)特點(diǎn)，提出了三步法DO控制理論，即將整個(gè)發(fā)酵過(guò)程分為三個(gè)階段，第一階段采用改變壓縮空氣流量來(lái)控制DO，第二階段采用改變轉(zhuǎn)速來(lái)控制DO，第三階段采用O2和N2控制DO。在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了由溫度模塊、轉(zhuǎn)速模塊、PH模塊和DO模塊等構(gòu)成的微生物發(fā)酵控制硬件系統(tǒng)方案；分別用Z-world公司的Dynamic C、EB500軟件和組態(tài)王軟件編制了由下位機(jī)、人機(jī)交互界面和上位機(jī)界面構(gòu)成的發(fā)酵控制軟件系統(tǒng)。使用MATLAB工具對(duì)發(fā)酵過(guò)程的溫度控制環(huán)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模、仿真和分析。
理論分析和仿真模擬的結(jié)果表明，與傳統(tǒng)PID控制相比較，在同樣控制對(duì)象、同等控制條件下，采用本論文設(shè)計(jì)的仿人模糊自適應(yīng)PID控制器進(jìn)行控制，上升階段系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度快了23%，下降階段調(diào)節(jié)速度快了50%，具有響應(yīng)速度快、無(wú)超調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制。將DO控制三步法理論應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，收集了相應(yīng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并使用MATLAB工具進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明，在發(fā)酵初期，采用DO控制三步法來(lái)控制DO，可以使DO量從很高逐步平滑趨向設(shè)定值；在發(fā)酵中期的DO控制過(guò)程中，僅僅靠傳統(tǒng)的改變轉(zhuǎn)速的方法對(duì)DO進(jìn)行控制，其偏差在4%～35%之間波動(dòng)；而采用DO控制三步法來(lái)控制DO，其偏差僅在0～5%之間；可以看出，這對(duì)微生物培養(yǎng)十分有效，并且可以有效防止培養(yǎng)初期的“氧中毒”，同時(shí)也節(jié)約了能源，是一種具有推廣前景的控制方法。
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