CN116009602A - 级联式溶氧控制方法、装置及服务器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种级联式溶氧控制方法、装置及服务器，涉及生物反应器的技术领域，包括：利用溶氧传感器获取实时溶氧量；通过级联控制器，基于实时溶氧量和控制器预设指标，确定PID控制信号；通过PID控制器集合中各PID控制器的预设输出值计算模型，基于PID控制信号、实时溶氧量、目标溶氧量、溶氧调节信息和PID控制器预设指标，确定各PID控制器对应的气体PID输出值；通过执行器集合中各气体执行器的预设流量计算模型，基于气体执行器对应的PID控制器发送的气体PID输出值和气体执行器的预设最大流量值，确定气体执行器对应的输出值，并根据输出值进行对应气体的输出，本发明可以显著提升溶氧量控制的精确度，进而提升对生物反应器内细胞的保护。

Description

级联式溶氧控制方法、装置及服务器

技术领域

本发明涉及生物反应器的技术领域，尤其是涉及一种级联式溶氧控制方法、装置及服务器。

背景技术

在生物细胞培养或发酵过程中，环境中的溶氧量是一项非常重要的参数，最适宜的溶氧量可以使得细胞或发酵产量升高，反应器设备需要在培养或发酵的不同阶段控制其达到最适宜的溶氧水平，以满足细胞培养或发酵过程中的溶氧需求，目前，相关技术提出可以使用空气、氧气作为传氧气体，通过单一PID调节技术控制溶氧量，但该方案的调节较为混乱，容易造成资源浪费，在选择级联控制时会将级联控制关联转速，在溶氧量较低时会自动提高转速，以提高搅拌效率从而增加液体中的溶解氧传递效率，但该方案随着转速的加快，容易对细胞造成损坏，影响细胞的生长速度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种级联式溶氧控制方法、装置及服务器，可以显著提升溶氧量控制的精确度，进而提升对生物反应器内细胞的保护。

第一方面，本发明实施例提供了一种级联式溶氧控制方法，方法应用于级联式溶氧控制系统，级联式溶氧控制系统包括：溶氧传感器、级联控制器、PID控制器集合和执行器集合，PID控制器集合包括多个PID控制器，执行器集合包括多个气体执行器，PID控制器和气体执行器一一对应，方法包括：利用溶氧传感器获取实时溶氧量；通过级联控制器，基于实时溶氧量和控制器预设指标，确定PID控制信号，其中，级联控制器预设指标包括：目标溶氧量；通过PID控制器集合中各PID控制器的预设输出值计算5模型，基于PID控制信号、实时溶氧量、目标溶氧量、溶氧调节信息和PID控制器预设指标，确定各PID控制器对应的气体PID输出值；通过执行器集合中各气体执行器的预设流量计算模型，基于气体执行器对应的PID控制器发送的气体PID输出值和气体执行器的预设最大流量值，确定气体执行器对应的输出值，并根据输出值进行对应气体的输出。

0在一种实施方式中，PID控制器集合包括：表通空气PID控制器、表通氧气PID控制器、底通空气PID控制器、底通氧气PID控制器和表通氮气PID控制器，方法包括：获取生物细胞培养或发酵的溶氧需求；当溶氧需求上升时，根据预设的底层优先级，从PID控制器集合中开启气体对应

的PID控制器，进行溶氧调节，其中，底层优先级从高到低的排序为：表5通空气、表通氧气、底通空气、底通氧气，优先级越高，在进行溶氧调节

时的升氧效率越低；当溶氧需求下降时，通过表通氮气PID控制器进行溶氧调节。

在一种实施方式中，溶氧调节信息包括：溶氧上升死区值、溶氧下降死区值、溶氧上升微调值和溶氧下降微调值，级联控制器预设指标还包括：0溶氧上升微调区间、溶氧下降微调区间和死区区间值，方法包括：将目标

溶氧量与死区区间值的差，确定为溶氧上升死区值，并将溶氧上升死区值与溶氧上升微调区间的差，确定为溶氧上升微调值；将目标溶氧量与死区区间值的和，确定为溶氧下降死区值，并将溶氧下降死区值与溶氧下降微调区间的和，确定为溶氧下降微调值。

5在一种实施方式中，根据预设的底层优先级，从PID控制器集合中开启气体对应的PID控制器，进行溶氧调节的步骤，包括：当高优先级气体对应的PID控制器处于开启状态时，若PID控制器对应的气体执行器保持预设最大流量值进行输出，并且最大流量值输出状态的持续时间达到预设时间阈值，则确定该气体不满足溶氧量的控制需求，开启下一优先级的气体对应的PID控制器。

在一种实施方式中，方法还包括：当低优先级气体对应的PID控制器处于开启状态时，若PID控制器对应的气体执行器保持最小流量值输出，并且最小流量值输出状态的持续时间达到预设时间阈值时，则确定达到溶氧需求，关闭当前优先级的气体对应的PID控制器，并返回至上一优先级的气体对应的PID控制器。

在一种实施方式中，PID控制信号包括：启停指令和模式指令，模式指令包括手动模式指令和自动模式指令，方法包括：当PID控制器接收到级联控制器发送的手动模式指令时，PID控制器进入手动模式，PID控制器对应的气体执行器，停止输出值计算，保持最大输出状态输出气体；当PID控制器接收到级联控制器发送的自动模式指令时，PID控制器进入自动模式，PID控制器对应的气体执行器，保持输出值计算，并根据输出值计算结果输出气体。

在一种实施方式中，方法包括：在任一优先级气体对应的PID控制器开启时，通过自动模式指令，控制PID控制器以自动模式进行溶氧调节；在开启下一优先级的气体对应的PID控制器时，通过手动模式指令，控制PID控制器以手动模式进行溶氧调节。

第二方面，本发明实施例还提供一种级联式溶氧控制装置，装置应用于级联式溶氧控制系统，级联式溶氧控制系统包括：溶氧传感器、级联控制器、PID控制器集合和执行器集合，PID控制器集合包括多个PID控制器，执行器集合包括多个气体执行器，PID控制器和气体执行器一一对应，装置包括：溶氧量获取模块，利用溶氧传感器获取实时溶氧量；控制信号生成模块，通过级联控制器，基于实时溶氧量和控制器预设指标，确定PID控制信号，其中，级联控制器预设指标包括：目标溶氧量；PID输出值确定模块，通过PID控制器集合中各PID控制器的预设输出值计算模型，基于PID控制信号、实时溶氧量、目标溶氧量、溶氧调节信息和PID控制器预设指标，确定各PID控制器对应的气体PID输出值；气体输出模块，通过执行器集合中各气体执行器的预设流量计算模型，基于气体执行器对应的PID控制器发送的气体PID输出值和气体执行器的预设最大流量值，确定气体执行器对应的输出值，并根据输出值进行对应气体的输出。

第三方面，本发明实施例还提供一种服务器，包括处理器和存储器，存储器存储有能够被处理器执行的计算机可执行指令，处理器执行计算机可执行指令以实现第一方面提供的任一项的方法。

第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，计算机可执行指令促使处理器实现第一方面提供的任一项的方法。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供的一种级联式溶氧控制方法、装置及服务器，其中，该方法应用于级联式溶氧控制系统，级联式溶氧控制系统包括：溶氧传感器、级联控制器、PID控制器集合和执行器集合，PID控制器集合包括多个PID控制器，执行器集合包括多个气体执行器，PID控制器和气体执行器一一对应。该方法利用溶氧传感器获取实时溶氧量，并通过级联控制器，基于实时溶氧量和控制器预设指标，确定PID控制信号，通过PID控制器集合中各PID控制器的预设输出值计算模型，基于PID控制信号、实时溶氧量、目标溶氧量、溶氧调节信息和PID控制器预设指标，确定各PID控制器对应的气体PID输出值，最后通过执行器集合中各气体执行器的预设流量计算模型，基于气体执行器对应的PID控制器发送的气体PID输出值和气体执行器的预设最大流量值，确定气体执行器对应的输出值，并根据输出值进行对应气体的输出，本发明实施例可以显著提升溶氧量控制的精确度，进而提升对生物反应器内细胞的保护。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种级联式溶氧控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种级联式溶氧控制系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种级联式溶氧控制方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种级联式溶氧控制装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在生物细胞培养或发酵过程中，环境中的溶氧量是一项非常重要的参数，最适宜的溶氧量可以使得细胞或发酵产量升高，反应器设备需要在培养或发酵的不同阶段控制其达到最适宜的溶氧水平，以满足细胞培养或发酵过程中的溶氧需求，目前，市面上的生物反应器在溶氧量控制上会选择使用空气、氧气作为传氧气体，但只用单一的PID调节技术无法及时准确的控制住溶氧量，甚至会出现由于调节混乱而导致的能源浪费现象。另一方面，反应器中溶氧的级联控制会选择关联转速，在溶氧量较低时会自动提高转速，以提高搅拌效率从而增加液体中的溶解氧传递效率。但是随着转速的加快，也会造成剪切速度增大的情况，会对细胞产生较大损害，影响细胞生长速度，基于此，本发明实施提供的级联式溶氧控制方法，可以显著提升溶氧量控制的精确度，进而提升对生物反应器内细胞的保护。

参见图1所示的一种级联式溶氧控制方法的流程示意图，该方法主要包括以下步骤S102至步骤S108：

步骤S102，利用溶氧传感器获取实时溶氧量。其中，方法应用于级联式溶氧控制系统，级联式溶氧控制系统包括：溶氧传感器、级联控制器、PID控制器集合和执行器集合，PID控制器集合包括多个PID控制器，执行器集合包括多个气体执行器，PID控制器和气体执行器一一对应，溶氧传感器用于测量实时的溶氧量，溶氧传感器与级联控制器连接。

步骤S104，通过级联控制器，基于实时溶氧量和控制器预设指标，确定PID控制信号，其中，级联控制器预设指标包括：目标溶氧量，级联控制器用于接收溶氧传感器测量的实时值(PV)，并根据自身控制器上设定的溶氧目标值(SV)、溶氧上升微调区间(AU)、溶氧下降微调区间(AD)、死区区间值(DP)、各气体的切换时间(T)以及各气体级联使能情况(EB)输出PID控制器控制信号，在一种实施方式中，PID控制信号包括：启停指令和模式指令，模式指令包括手动模式指令和自动模式指令，级联控制器将启停指令、手动模式指令、自动模式指令、实时溶氧量和目标溶氧量发送至对应的PID控制器。

步骤S106，通过PID控制器集合中各PID控制器的预设输出值计算模型，基于PID控制信号、实时溶氧量、目标溶氧量、溶氧调节信息和PID控制器预设指标，确定各PID控制器对应的气体PID输出值，其中，PID控制器集合包括：表通空气PID控制器、表通氧气PID控制器、底通空气PID控制器、底通氧气PID控制器和表通氮气PID控制器，在一种实施方式中，不同PID控制器内的计算逻辑相同，但计算逻辑中包含的参数不同。

在另一种实施方式中，参见图2所示的一种级联式溶氧控制系统的结构示意图，表通空气PID控制器，用于接收溶氧传感器测量的实时值(PV)、级联控制器输出的PID控制目标值(SV)、溶氧上升死区值(UDP)、溶氧上升微调值(UAP)、启停指令(START)、模式指令(MODE)，并根据自身控制器上设定的增益(P)、积分时间(I)、微分时间(D)，周期时间(CT)、最大输出值(MAX)、最小输出值(MIN)计算表通空气PID输出值；表通氧气PID控制器，用于接收溶氧传感器测量的实时值(PV)、级联控制器输出的PID控制目标值(SV)、溶氧上升死区值(UDP)、溶氧上升微调值(UAP)、启停指令(START)、模式指令(MODE)，并根据自身控制器上设定的增益(P)、积分时间(I)、微分时间(D)，周期时间(CT)、最大输出值(MAX)、最小输出值(MIN)计算表通氧气PID输出值；底通空气PID控制器，用于接收溶氧传感器测量的实时值(PV)、级联控制器输出的PID控制目标值(SV)、溶氧上升死区值(UDP)、溶氧上升微调值(UAP)、启停指令(START)、模式指令(MODE)，并根据自身控制器上设定的增益(P)、积分时间(I)、微分时间(D)，周期时间(CT)、最大输出值(MAX)、最小输出值(MIN)计算底通空气PID输出值；底通氧气PID控制器，用于接收溶氧传感器测量的实时值(PV)、级联控制器输出的PID控制目标值(SV)、溶氧上升死区值(UDP)、溶氧上升微调值(UAP)、启停指令(START)、模式指令(MODE)，并根据自身控制器上设定的增益(P)、积分时间(I)、微分时间(D)，周期时间(CT)、最大输出值(MAX)、最小输出值(MIN)计算底通氧气PID输出值。

步骤S108，通过执行器集合中各气体执行器的预设流量计算模型，基于气体执行器对应的PID控制器发送的气体PID输出值和气体执行器的预设最大流量值，确定气体执行器对应的输出值，并根据输出值进行对应气体的输出，在一种实施方式中，气体执行器的输出值＝PID控制器的气体PID输出值*气体执行器设定的最大流量值(MAX FLOW)。

本发明实施例提供的上述级联式溶氧控制方法，可以显著提升溶氧量控制的精确度，进而提升对生物反应器内细胞的保护。

本发明实施例还提供了一种计算溶氧调节信息的实施方式，溶氧调节信息包括：溶氧上升死区值、溶氧下降死区值、溶氧上升微调值和溶氧下降微调值，级联控制器预设指标还包括：溶氧上升微调区间、溶氧下降微调区间和死区区间值，具体的参见如下(1)至(4)：

(1)将目标溶氧量与死区区间值的差，确定为溶氧上升死区值，即：

溶氧上升死区值(UDP)＝溶氧目标值(SV)-死区区间值(DP)

(2)将溶氧上升死区值与溶氧上升微调区间的差，确定为溶氧上升微调值，即：

溶氧上升微调值(UAP)＝溶氧上升死区值(UDP)-溶氧上升微调区间(AU)

(3)将目标溶氧量与死区区间值的和，确定为溶氧下降死区值，即：

溶氧下降死区值(DDP)＝溶氧目标值(SV)+死区区间值(DP)

(4)将溶氧下降死区值与溶氧下降微调区间的和，确定为溶氧下降微调值，即：

溶氧下降微调值(DAP)＝溶氧下降死区值(DDP)+溶氧下降微调区间(AD)

在一种实施方式中，各气体级联使能情况(EB)，可以屏蔽当前气体的优先级，即如果表通氧气的级联未使能，则当表通空气开启并需要进行跳转时，将会跳过表通氧气，进入底通空气的控制；如果表通氧气与底通空气级联均未使能，则当表通空气开启并需要进行跳转时，将会跳过表通氧气及底通空气，进入底通氧气的控制，在另一种实施方式中，级联控制器将只输出级联使能气体的相关控制信号。

本发明实施例还提供了一种根据气体优先级进行溶氧调节的实施方式，具体的参见如下(a)至(c)：

(a)获取生物细胞培养或发酵的溶氧需求，在一种实施方式中，各气体控制由于气体中氧含量不同、与反应器通入方式不同、气泡剪切力等因素，将设置底层优先级。溶氧需求上升阶段(即PV<UDP)：表通空气优先级>表通氧气优先级>底通空气优先级>底通氧气优先级；溶氧需求下降阶段(即PV>DDP)：表通氮气。当溶氧控制处于需求上升阶段，通过级联控制器进行逻辑判断，优先启动表通空气，满足级联跳转逻辑条件后，再开启下一优先级的表通氧气，如此按优先级进行。当溶氧控制处于需求下降阶段，则通过控制表通氮气进行调节。

(b)当溶氧需求上升时，根据预设的底层优先级，从PID控制器集合中开启气体对应的PID控制器，进行溶氧调节，其中，底层优先级从高到低的排序为：表通空气、表通氧气、底通空气、底通氧气，优先级越高，在进行溶氧调节时的升氧效率越低；在一种实施方式中，当高优先级气体对应的PID控制器处于开启状态时，若PID控制器对应的气体执行器保持预设最大流量值进行输出，并且最大流量值输出状态的持续时间达到预设时间阈值，则确定该气体不满足溶氧量的控制需求，开启下一优先级的气体对应的PID控制器。在另一种实施方式中，当低优先级气体对应的PID控制器处于开启状态时，若PID控制器对应的气体执行器保持最小流量值输出，并且最小流量值输出状态的持续时间达到预设时间阈值时，则确定达到溶氧需求，关闭当前优先级的气体对应的PID控制器，并返回至上一优先级的气体对应的PID控制器。

在一种实施方式中，气体执行器包括：表通空气执行器、表通氧气执行器、底通空气执行器、底通氧气执行器，表通空气执行器，用于接收表通空气PID输出值，并根据自身执行器上设定的最大流量值(MAX FLOW)计算执行器输出值；表通氧气执行器，用于接收表通氧气PID输出值，并根据自身执行器上设定的最大流量值(MAX FLOW)计算执行器输出值；底通空气执行器，用于接收底通空气PID输出值，并根据自身执行器上设定的最大流量值(MAXFLOW)计算执行器输出值；底通氧气执行器，用于接收底通氧气PID输出值，并根据自身执行器上设定的最大流量值(MAX FLOW)计算执行器输出值。

(c)当溶氧需求下降时，通过表通氮气PID控制器进行溶氧调节。在一种实施方式中，通过输送氮气可以降低溶氧量，表通氮气PID控制器，用于接收溶氧传感器测量的实时值(PV)、级联控制器输出的PID控制目标值(SV)、溶氧下降死区值(DDP)、溶氧下降微调值(DAP)、启停指令(START)、模式指令(MODE)，并根据自身控制器上设定的增益(P)、积分时间(I)、微分时间(D)，周期时间(CT)、最大输出值(MAX)、最小输出值(MIN)计算表通氮气PID输出值，在另一种实施方式中，当实时溶氧量(PV)处于微调区间(即UAP<＝PV<UDP)，第一优先级气体输出控制达到最大流量，且最大流量输出状态持续时间到达切换时间(T)后，判断为该气体最大输出还是无法满足溶氧量的控制需求，则进入下一优先级的气体控制，提高溶氧量的调节速度，达到准确快速的目的。反之，当低优先级气体输出达到最小流量，且最小流量输出状态持续时间到达切换时间(T)后，判断为当前溶氧量需求已经达到，可返回更高一级优先级的气体控制，减少能源的耗费，达到节能与准确调节的目的。

本发明实施例还提供了一种PID控制器切换工作模式的实施方式，当PID控制器接收到级联控制器发送的手动模式指令时，PID控制器进入手动模式，PID控制器对应的气体执行器，停止输出值计算，保持最大输出状态输出气体；当PID控制器接收到级联控制器发送的自动模式指令时，PID控制器进入自动模式，PID控制器对应的气体执行器，保持输出值计算，并根据输出值计算结果输出气体，在一种实施方式中，在任一优先级气体对应的PID控制器开启时，通过自动模式指令，控制PID控制器以自动模式进行溶氧调节；在开启下一优先级的气体对应的PID控制器时，通过手动模式指令，控制PID控制器以手动模式进行溶氧调节，在另一种实施方式中，PID控制器由级联控制器输出的MODE指令控制，当进入手动模式时，PID控制器一直保持最大输出，不再根据设定参数自动计算输出值，当进入自动模式时，PID控制根据设定参数自动计算输出；PID输出值为0～100％的百分数并受MAX和MIN限制，MIN<＝PID输出值<＝MAX，其中MAX和MIN均为0～100％之间的一个数值。

为便于对上述实施例提供的级联式溶氧控制方法进行理解，本发明实施例提供了一种级联式溶氧控制方法的应用示例，参见图3所示的另一种级联式溶氧控制方法的流程示意图，该方法主要包括以下步骤S302至步骤S308：

步骤S302，溶氧传感器测量溶氧实时值，级联控制器获取溶氧实时值，在实际应用中，溶氧传感器与级联控制器连接，将实时溶氧量信号传给级联控制器；级联控制器与各气体的PID控制器连接，将对应的控制信号传给各PID控制器；PID控制与各自对应的执行器连接，将计算完的PID输出值传给执行器；执行器则是最终的驱动器，将执行计算后的流量输出。

步骤S304，级联控制器根据设定的溶氧目标值、溶氧上升微调区间、溶氧下降微调区间、死区区间值、切换时间以及各气体级联使能情况输出PID控制器控制信号，在一种实施方式中，根据实际的溶氧值以及设定的溶氧目标值、溶氧上升微调区间、溶氧下降微调区间、死区区间值、切换时间以及各气体级联使能情况输出PID控制器需要的控制信号，所述PID控制器控制信号，包含控制器的PID控制目标值(SV)、溶氧上升死区值(UDP)、溶氧下降死区值(DDP)、溶氧上升微调值(UAP)、溶氧下降微调值(DAP)、启停指令(START)、模式指令(MODE)。

步骤S306，各PID控制器根据接收的目标值、微调值、死区值、启停指令、模式指令以及设定的增益、积分时间、微分时间、周期、最大/最小输出等参数输出，在一种实施方式中，根据上述控制信号以及设定的增益(P)、积分时间(I)、微分时间(D)，周期时间(CT)、最大输出值(MAX)、最小输出值(MIN)计算各PID输出值。

在实际应用中，当PV<UAP时，级联控制器对级联使能的气体控制中优先级最高的控制器发出启动指令并将PID控制器模式切成手动模式并保持100％输出，其余级联气体控制不予启动，诸如，当全部气体均级联使能时，级联控制器将输出表通空气PID控制器的启动指令以及MODE为手动模式，表通空气PID控制器输出最大值；在一种实施方式中，当PV上升至微调区间(即UAP<＝PV<UDP)，级联控制器将表通空气PID控制器更改为自动模式，此时表通空气PID控制器根据控制目标值(SV)、实时溶氧量(PV)，并根据自身控制器上设定的增益(P)、积分时间(I)、微分时间(D)，周期时间(CT)、最大输出值(MAX)、最小输出值(MIN)计算表通空气PID输出值；此时随着表通空气PID输出值增大并达到最大值后，开始切换时间(T)的计算，T到达后表通空气PID控制器将反馈信号给级联控制器，级联控制器将表通空气PID控制器的模式切换至手动，并保持其最大输出的状态，同时，它将给下一优先级的气体控制器表通氧气PID控制器发出START指令和自动模式指令，此时表通氧气PID控制器根据控制目标值(SV)、实时溶氧量(PV)，并根据自身控制器上设定的增益(P)、积分时间(I)、微分时间(D)，周期时间(CT)、最大输出值(MAX)、最小输出值(MIN)计算表通氧气PID输出值，如果此时PV还未达到UDP的值，再下一级优先级的切换也将用同样的逻辑进行判断。

在另一种实施方式中，当PV>＝UDP且PV<＝DDP时，意味着此时已经进入溶氧控制死区范围，此时关闭所有的气体PID控制器，停止所有气体通入生物反应器；当PV>DDP且PV<＝DAP时，意味着此时溶氧量高于设定值，开始溶氧下降需求。此时级联控制器关闭空气、氧气控制器，打开表通氮气PID控制器，并给出自动模式指令，此时表通氮气PID控制器根据控制目标值(SV)、实时溶氧量(PV)，并根据自身控制器上设定的增益(P)、积分时间(I)、微分时间(D)，周期时间(CT)、最大输出值(MAX)、最小输出值(MIN)计算表通氮气PID输出值，氮气开始通入反应器，控制溶氧量降低；当PV>DAP时，级联控制器将表通氮气PID控制器切换至手动模式，并控制其保持最大输出。

步骤S308，各执行器根据接收的PID输出值、设定的最大流量值计算并输出该气体的需求流量，在一种实施方式中，根据各PID输出值以及设定的最大流量值(MAX FLOW)计算执行器输出值。

综上所述，本发明可以显著提升溶氧量控制的精确度，进而提升对生物反应器内细胞的保护。

对于前述实施例提供的级联式溶氧控制方法，本发明实施例提供了一种级联式溶氧控制装置，该装置应用于级联式溶氧控制系统，级联式溶氧控制系统包括：溶氧传感器、级联控制器、PID控制器集合和执行器集合，PID控制器集合包括多个PID控制器，执行器集合包括多个气体执行器，PID控制器和气体执行器一一对应，参见图4所示的一种级联式溶氧控制装置的结构示意图，该装置包括以下部分：

溶氧量获取模块402，利用溶氧传感器获取实时溶氧量；

控制信号生成模块404，通过级联控制器，基于实时溶氧量和控制器预设指标，确定PID控制信号，其中，级联控制器预设指标包括：目标溶氧量；

PID输出值确定模块406，通过PID控制器集合中各PID控制器的预设输出值计算模型，基于PID控制信号、实时溶氧量、目标溶氧量、溶氧调节信息和PID控制器预设指标，确定各PID控制器对应的气体PID输出值；

气体输出模块408，通过执行器集合中各气体执行器的预设流量计算模型，基于气体执行器对应的PID控制器发送的气体PID输出值和气体执行器的预设最大流量值，确定气体执行器对应的输出值，并根据输出值进行对应气体的输出。

本申请实施例提供的上述数据处理装置，利用多气体控制的自由级联以及多气体PID运算控制，解决单一PID调节技术无法及时准确控制溶氧量的问题以及避免了提高转速导致细胞受到剪切力增大的问题。

一种实施方式中，PID控制器集合包括：表通空气PID控制器、表通氧气PID控制器、底通空气PID控制器、底通氧气PID控制器和表通氮气PID控制器，上述控制信号生成模块404还用于：获取生物细胞培养或发酵的溶氧需求；当溶氧需求上升时，根据预设的底层优先级，从PID控制器集合中开启气体对应的PID控制器，进行溶氧调节，其中，底层优先级从高到低的排序为：表通空气、表通氧气、底通空气、底通氧气，优先级越高，在进行溶氧调节时的升氧效率越低；当溶氧需求下降时，通过表通氮气PID控制器进行溶氧调节。

一种实施方式中，溶氧调节信息包括：溶氧上升死区值、溶氧下降死区值、溶氧上升微调值和溶氧下降微调值，级联控制器预设指标还包括：溶氧上升微调区间、溶氧下降微调区间和死区区间值，上述PID输出值确定模块406还用于：将目标溶氧量与死区区间值的差，确定为溶氧上升死区值，并将溶氧上升死区值与溶氧上升微调区间的差，确定为溶氧上升微调值；将目标溶氧量与死区区间值的和，确定为溶氧下降死区值，并将溶氧下降死区值与溶氧下降微调区间的和，确定为溶氧下降微调值。

一种实施方式中，在进行根据预设的底层优先级，从PID控制器集合中开启气体对应的PID控制器，进行溶氧调节的步骤时，上述控制信号生成模块404还用于：当高优先级气体对应的PID控制器处于开启状态时，若PID控制器对应的气体执行器保持预设最大流量值进行输出，并且最大流量值输出状态的持续时间达到预设时间阈值，则确定该气体不满足溶氧量的控制需求，开启下一优先级的气体对应的PID控制器。

一种实施方式中，上述控制信号生成模块404还用于：当低优先级气体对应的PID控制器处于开启状态时，若PID控制器对应的气体执行器保持最小流量值输出，并且最小流量值输出状态的持续时间达到预设时间阈值时，则确定达到溶氧需求，关闭当前优先级的气体对应的PID控制器，并返回至上一优先级的气体对应的PID控制器。

一种实施方式中，PID控制信号包括：启停指令和模式指令，模式指令包括手动模式指令和自动模式指令，上述气体输出模块408还用于：当PID控制器接收到级联控制器发送的手动模式指令时，PID控制器进入手动模式，PID控制器对应的气体执行器，停止输出值计算，保持最大输出状态输出气体；当PID控制器接收到级联控制器发送的自动模式指令时，PID控制器进入自动模式，PID控制器对应的气体执行器，保持输出值计算，并根据输出值计算结果输出气体。

一种实施方式中，上述气体输出模块408还用于：在任一优先级气体对应的PID控制器开启时，通过自动模式指令，控制PID控制器以自动模式进行溶氧调节；在开启下一优先级的气体对应的PID控制器时，通过手动模式指令，控制PID控制器以手动模式进行溶氧调节。

本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

本发明实施例提供了一种电子设备，具体的，该电子设备包括处理器和存储装置；存储装置上存储有计算机程序，计算机程序在被所述处理器运行时执行如上所述实施方式的任一项所述的方法。

图5为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图，该电子设备100包括：处理器50，存储器51，总线52和通信接口53，所述处理器50、通信接口53和存储器51通过总线52连接；处理器50用于执行存储器51中存储的可执行模块，例如计算机程序。

其中，存储器51可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口53(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。

总线52可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图5中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

其中，存储器51用于存储程序，所述处理器50在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器50中，或者由处理器50实现。

处理器50可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器50中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器50可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器51，处理器50读取存储器51中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

本发明实施例所提供的可读存储介质的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见前述方法实施例，在此不再赘述。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种级联式溶氧控制方法，其特征在于，所述方法应用于级联式溶氧控制系统，所述级联式溶氧控制系统包括：溶氧传感器、级联控制器、PID控制器集合和执行器集合，所述PID控制器集合包括多个PID控制器，所述执行器集合包括多个气体执行器，所述PID控制器和所述气体执行器一一对应，所述方法包括：

利用所述溶氧传感器获取实时溶氧量；

通过所述级联控制器，基于所述实时溶氧量和控制器预设指标，确定PID控制信号，其中，所述级联控制器预设指标包括：目标溶氧量；

通过所述PID控制器集合中各PID控制器的预设输出值计算模型，基于所述PID控制信号、所述实时溶氧量、所述目标溶氧量、溶氧调节信息和PID控制器预设指标，确定各所述PID控制器对应的气体PID输出值；

通过所述执行器集合中各气体执行器的预设流量计算模型，基于所述气体执行器对应的所述PID控制器发送的所述气体PID输出值和所述气体执行器的预设最大流量值，确定所述气体执行器对应的输出值，并根据所述输出值进行对应气体的输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述PID控制器集合包括：表通空气PID控制器、表通氧气PID控制器、底通空气PID控制器、底通氧气PID控制器和表通氮气PID控制器，所述方法包括：

获取生物细胞培养或发酵的溶氧需求；

当所述溶氧需求上升时，根据预设的底层优先级，从所述PID控制器集合中开启气体对应的PID控制器，进行溶氧调节，其中，所述底层优先级从高到低的排序为：表通空气、表通氧气、底通空气、底通氧气，优先级越高，在进行溶氧调节时的升氧效率越低；

当所述溶氧需求下降时，通过所述表通氮气PID控制器进行溶氧调节。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述溶氧调节信息包括：溶氧上升死区值、溶氧下降死区值、溶氧上升微调值和溶氧下降微调值，所述级联控制器预设指标还包括：溶氧上升微调区间、溶氧下降微调区间和死区区间值，所述方法包括：

将所述目标溶氧量与所述死区区间值的差，确定为所述溶氧上升死区值，并将所述溶氧上升死区值与所述溶氧上升微调区间的差，确定为所述溶氧上升微调值；

将所述目标溶氧量与所述死区区间值的和，确定为所述溶氧下降死区值，并将所述溶氧下降死区值与所述溶氧下降微调区间的和，确定为所述溶氧下降微调值。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据预设的底层优先级，从所述PID控制器集合中开启气体对应的PID控制器，进行溶氧调节的步骤，包括：

当高优先级气体对应的所述PID控制器处于开启状态时，若所述PID控制器对应的所述气体执行器保持所述预设最大流量值进行输出，并且最大流量值输出状态的持续时间达到预设时间阈值，则确定该气体不满足溶氧量的控制需求，开启下一优先级的气体对应的所述PID控制器。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当低优先级气体对应的所述PID控制器处于开启状态时，若所述PID控制器对应的气体执行器保持最小流量值输出，并且最小流量值输出状态的持续时间达到预设时间阈值时，则确定达到所述溶氧需求，关闭当前优先级的气体对应的所述PID控制器，并返回至上一优先级的气体对应的所述PID控制器。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述PID控制信号包括：启停指令和模式指令，所述模式指令包括手动模式指令和自动模式指令，所述方法包括：

当所述PID控制器接收到所述级联控制器发送的手动模式指令时，所述PID控制器进入手动模式，所述PID控制器对应的气体执行器，停止输出值计算，保持最大输出状态输出气体；

当所述PID控制器接收到所述级联控制器发送的自动模式指令时，所述PID控制器进入自动模式，所述PID控制器对应的气体执行器，保持输出值计算，并根据输出值计算结果输出气体。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

在任一优先级气体对应的所述PID控制器开启时，通过自动模式指令，控制所述PID控制器以自动模式进行溶氧调节；

在开启下一优先级的气体对应的所述PID控制器时，通过手动模式指令，控制所述PID控制器以手动模式进行溶氧调节。

8.一种级联式溶氧控制装置，其特征在于，所述装置应用于级联式溶氧控制系统，所述级联式溶氧控制系统包括：溶氧传感器、级联控制器、PID控制器集合和执行器集合，所述PID控制器集合包括多个PID控制器，所述执行器集合包括多个气体执行器，所述PID控制器和所述气体执行器一一对应，所述装置包括：

溶氧量获取模块，利用所述溶氧传感器获取实时溶氧量；

控制信号生成模块，通过所述级联控制器，基于所述实时溶氧量和控制器预设指标，确定PID控制信号，其中，所述级联控制器预设指标包括：目标溶氧量；

PID输出值确定模块，通过所述PID控制器集合中各PID控制器的预设输出值计算模型，基于所述PID控制信号、所述实时溶氧量、所述目标溶氧量、溶氧调节信息和PID控制器预设指标，确定各所述PID控制器对应的气体PID输出值；

气体输出模块，通过所述执行器集合中各气体执行器的预设流量计算模型，基于所述气体执行器对应的所述PID控制器发送的所述气体PID输出值和所述气体执行器的预设最大流量值，确定所述气体执行器对应的输出值，并根据所述输出值进行对应气体的输出。

9.一种服务器，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机可执行指令，所述处理器执行所述计算机可执行指令以实现权利要求1至7任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，计算机可执行指令促使处理器实现权利要求1至7任一项所述的方法。

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