CN109991843B - 一种生物反应器的温度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生物反应器的温度控制方法，利用PID算法对温度的一阶导数进行控制，而非对温度值本身进行控制。通过计算获得当前温度的测量导数值f′(t1)PV，并采用模型拟合的方式获得当前温度对应的目标导数值f′(t1)SV，将上述两个导数值作为输入代入带积分限幅控制的PID算法，以PID算法的输出值作为加热效应器的控制值。此方法可获得低超调，低震荡的控制结果。此控制方法可以克服传统PID算法的超调和震荡对温度敏感的细胞的不利影响，极大地提高生物反应器应用场合细胞和活力。
Description
技术领域
本发明属于生物反应器领域，具体涉及一种对生物反应器的温度控制方法，其具有超低的超调量，高度的预判能力的特点。
背景技术
生物反应器是生物工程生产中的关键技术设备，是疫苗生产、生物药制造、医学细胞治疗的核心设备，关系着人们生活医疗的安全和质量。生物反应器的温度控制对生产以及设备工作具有重要的关系，温度是需要严格控制的重要参数，其控制的精度对器内培养体系中的菌种活力至关重要，直接对疫苗生产、生物药制造、医学细胞治疗的质量及效率产生重要的影响。
一般生物反应器在温度控制时，均使用传统或优化的PID算法用于控制反应器内培养体系的温度，理想的PID控制曲线如图1所示。而传统或优化的PID算法无可避免地存在调控初期的超调和震荡现象，这些超调和震荡对于一个普通的工业系统可能不影响其稳定运行，但是在生物反应器这一场合，超调和震荡往往是致命的。生物细胞，特别是恒温动物细胞对温度的变化非常敏感，如人的二倍体细胞，其最佳培养温度为37摄氏度，但用传统PID算法控制温度，其超调温度很容易达到38摄氏度或以上，这等同于用于生产的细胞经历了一次高烧，将严重影响细胞的活力。
尽管多年来，工业控制上使用了很多的方法用于减少PID算法的缺陷，提高温度控制的精度例如：控制积分饱和，优化PID参数等，但是这些方法都不能完全消除PID算法的缺点，均无可避免地存在调控初期的超调和震荡现象，影响生物反应器的温度准确性。
发明内容
针对以上PID算法弊端造成的生物反应器温度调节滞后的现象，本发明提出一种生物反应器的温度控制方法。通过对温度控制算法进行优化，旨在消除传统PID算法造成的超调和震荡，在对生物反应器进行温度控制时，可获得一个低超调，低震荡的温度控制结果，保证生物反应器具有精准的温度，极大地提高生物反应器应用场合细胞和活力。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种生物反应器的温度控制方法，包括加热效应器，控制单元，以及温度传感器，所述温度传感器置于所述加热效应器内，并与控制单元连接，控制单元通过PID算法对加热效应器进行温度控制，其特征在于，PID算法通过计算获得当前温度的测量导数值f′(t1)PV，并采用模型拟合的方式获得当前温度对应的目标导数值f′(t1)SV，将上述两个导数值作为输入代入带积分限幅控制的PID算法中，以所述PID算法的输出值作为加热效应器的控制值，即可获得一个低超调，低震荡的温度控制结果。
优选的，PID算法具有Kp和Ki，Kd调节参数，其中，Kp为比例常数，Ki为积分时间常数，Kd为微分时间常数。
优选的，通过计算获得当前温度的测量导数值f′(t1)PV，并采用模型拟合的方式获得当前温度对应的目标导数值f′(t1)SV，其具体步骤为：
步骤(1)，设连续两次取样t1，t2时间，测出t1时刻的温度值为T1，t2时刻的温度值为T2，通过公式1计算出当前位置的测量导数值：
步骤(2)，设定一个温度升温模型，该模型中t1时刻目标温度为T1SV，当前温度为T1PV，温度误差值E1，模型参数为Km，其中1≥Km≥0，通过公式2计算出当前的目标导数值f′(t1)SV:
E1＝T1SV-T1PV
优选的，带积分限幅控制的PID算法可以是带积分限幅控制的增量式算法、位置式算法或者微分先行算法。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明提供的一种生物反应器的温度控制方法，利用PID算法对温度的一阶导数进行控制，而非对温度值本身进行控制。通过计算获得当前温度的测量导数值f′(t1)PV，并采用模型拟合的方式获得当前温度对应的目标导数值f′(t1)SV，将上述两个导数值作为输入代入带积分限幅控制的优化PID算法，以PID算法的输出值作为加热效应器的控制值。此方法可获得低超调，低震荡的控制结果。此控制方法可以克服传统PID算法的超调和震荡对温度敏感的细胞的不利影响，极大地提高生物反应器应用场合细胞和活力。
附图说明
图1为理想的PID控制曲线图；
图2为本发明控制方法中温度误差E1与目标导数值f′(t1)SV的其中一种关系模型；
图3为本发明实施例中的具体升温曲线(箭头所示曲线)。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
将一种生物反应器的温度控制方法应用于一个7L细胞生物反应器培养系统中，7L细胞生物反应器培养系统包括7L的加热效应器，控制单元，以及温度传感器，所述温度传感器置于7L的加热效应器内，并与控制单元连接，控制单元通过PID算法对加热效应器进行温度控制，7L的加热效应器中装载4LDMEM细胞培养基，处于室温25℃的环境中开始升温，目标温度设定为37℃，PID算法中的涉及的参数Km设定为0.005，参数Kp设定为10，参数Ki设定为10，参数Kd设定为0，温度电极采用PT100温度电极，采用16次采样平均滤波，每3秒进行一次计算和输出调整。
通过计算获得当前温度的测量导数值f′(t1)PV，并采用模型拟合的方式获得当前温度对应的目标导数值f′(t1)SV，具体步骤为：
步骤(1)，设连续两次取样t1,t2时间，测出t1时刻的温度值为T1，t2时刻的温度值为T2，通过公式1计算出当前位置的测量导数值：
步骤(2)，设定一个温度升温模型，该模型中t1时刻目标温度为T1SV，当前温度为T1PV，温度误差值E1，模型参数为Km，其中1≥Km≥0，通过公式2计算出当前的目标导数值f′(t1)SV:
E1＝T1SV-T1PV
将上述两个导数值作为输入代入带积分限幅控制的PID算法中，以所述PID算法的输出值作为加热效应器的控制值，获得的控制结果：整个升温过程平稳，升温过程中出现一段笔直的提升直线。当实际温度接近目标温度时，升温速度开始降低，温度逐渐接近目标温度，最终稳定在目标温度±0.1℃内，整个升温过程最大超调温度为0.2℃，未出现可见的温度震荡，控制效果良好。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明专利保护范围内。
Claims (3)
1.一种生物反应器的温度控制方法，所述生物反应器包括加热效应器，控制单元，以及温度传感器，所述温度传感器置于所述加热效应器内，并与控制单元连接，控制单元通过PID算法对加热效应器进行温度控制，其特征在于，PID算法通过计算获得当前温度的测量导数值f′(t1)PV，并采用模型拟合的方式获得当前温度对应的目标导数值f′(t1)SV，将上述两个导数值作为输入代入带积分限幅控制的PID算法中，以所述PID算法的输出值作为加热效应器的控制值；
通过计算获得当前温度的测量导数值f′(t1)PV，并采用模型拟合的方式获得当前温度对应的目标导数值f′(t1)SV，具体步骤为：
步骤(1)，设连续两次取样t1，t2时间，测出t1时刻的温度值为T1，t2时刻的温度值为T2，通过公式1计算出当前位置的测量导数值：
步骤(2)，设定一个温度升温模型，该模型中t1时刻目标温度为T1SV，当前温度为T1PV，温度误差值E1，模型参数为Km，其中1≥Km≥0，通过公式2计算出当前的目标导数值f′(t1)SV：
E1＝T1SV-T1PV
2.根据权利要求1所述的生物反应器的温度控制方法，其特征在于，所述PID算法具有Kp和Ki，Kd调节参数，其中，Kp为比例常数，Ki为积分时间常数，Kd为微分时间常数。
3.根据权利要求1-2中任一所述的生物反应器的温度控制方法，其特征在于，所述PID算法可以是带积分限幅控制的增量式算法、位置式算法或者微分先行算法。
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