RU2074259C1

RU2074259C1 - System for automatically controlling periodic process of cultivating microorganisms

Info

Publication number: RU2074259C1
Application number: RU94019568A
Authority: RU
Inventors: В.В. Ануфриев; Н.В. Суханова
Original assignee: Воронежский технологический институт
Priority date: 1994-05-26
Filing date: 1994-05-26
Publication date: 1997-02-27

Abstract

FIELD: biotechnological industry. SUBSTANCE: invention is intended for use in conventional automatic control system comprising circuit for stabilizing culture medium temperature, circuit for stabilizing culture medium pH value, and circuit for stabilizing air flow for aeration. Each of said circuits comprises sensor, set-point device for parameter being controlled, regulator including comparator elements and control unit, and executive mechanisms arranged at cooling water supply line, ammonia water supply line and air supply line for aeration. Inventive novelty resides in that each stabilization circuit comprises, in-series connected, differentiator with memory unit and feedback unit comprising logic element, relay and operation delay relay, output of which is connected to corresponding control unit of regulator. Input of memory unit is connected to corresponding comparator elements of regulators. Incorporation of said inventive features into system makes it possible to monitor any changes in process, to weaken oscillatory nature of transitory processes under constant monitoring, to shorten transitory operating modes, thereby providing high control quality. EFFECT: effective control of microorganisms cultivating processes. 1 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к биотехнологической промышленности, а именно к системам автоматического управления периодическим процессом культивирования микроорганизмов. The invention relates to the biotechnology industry, and in particular to automatic control systems for the periodic process of cultivation of microorganisms.

Известна система автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов, содержащая контуры стабилизации температуры и рН культуральной среды, расхода воздуха на аэрацию, состоящая из датчиков и задатчиков регулируемых параметров, регуляторов, содержащих элементы сравнений и управляющие блоки, и исполнительных механизмов, расположенных на линиях подачи охлаждающей, аммиачной воды и воздуха на аэрацию [1, 2]
Недостатками известной системы автоматического управления являются низкая точность управления, так как в аппарате в течение одного цикла меняются условия для развития культуры; накапливаются продукты обмена, тормозящие дальнейшее развитие культуры; уменьшается количество питательных веществ; изменяется кислотность среды и т.д.A known system for automatic control of the process of cultivation of microorganisms, containing the contours of stabilization of temperature and pH of the culture medium, air flow for aeration, consisting of sensors and controllers of adjustable parameters, regulators containing comparison elements and control units, and actuators located on the cooling, ammonia supply lines air and water for aeration [1, 2]
The disadvantages of the known automatic control system are the low accuracy of control, since in the apparatus during one cycle the conditions for the development of culture change; exchange products are accumulated, inhibiting the further development of culture; the amount of nutrients is reduced; the acidity of the medium changes, etc.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой системе является система стабилизации основных режимных параметров процесса, описанная в книге [3] Серьезной причиной низкой точности управления такой системы является тот факт, что задания на регулируемые параметры (температуру, рН культуральной среды и расход воздуха на аэрацию) в течение одного цикла меняются в соответствии с технологическим регламентом, как, например, представленные в табл. 1 [4] что требует от системы управления стабилизации нового заданного значения параметра, что происходит достаточно медленно из-за длительности переходных процессов, и при этом наблюдается высокая колебательность переходных процессов (по замечанию В.В. Бирюкова длительность переходных процессов является ахиллесовой пятой систем управления периодических процессов [5] О длительности переходных процессов указывается и в источниках [3, 6]
Как видно из табл. 1, в течение одного цикла культивирования хлебопекарных дрожжей задание на температуру культуральной среды необходимо менять 5 раз; на кислотность среды 7 раз; на расход воздуха на аэрацию 4 раза при длительности цикла 18 часов.Closest to the technical nature of the proposed system is the stabilization system of the main operating parameters of the process described in the book [3]. A serious reason for the low accuracy of control of such a system is the fact that the tasks for adjustable parameters (temperature, pH of the culture medium and air flow for aeration) during one cycle they change in accordance with the technological regulations, as, for example, presented in table. 1 [4] which requires the stabilization control system to have a new preset parameter value, which occurs rather slowly due to the duration of transients, and at the same time there is a high oscillation of transients (according to V.V. Biryukov, the duration of transients is the Achilles heel of the control periodic processes [5] The duration of transient processes is indicated in the sources [3, 6]
As can be seen from the table. 1, during one cycle of cultivation of baking yeast, the task for the temperature of the culture medium must be changed 5 times; on the acidity of the medium 7 times; air consumption for aeration 4 times with a cycle time of 18 hours.

Задача изобретения повышение точности управления. Результат достигается тем, что система автоматического управления периодическим процессом культивирования микроорганизмов, содержащая контуры стабилизации температуры и рН культуральной среды, расхода воздуха на аэрацию, состоящая из датчиков и задатчиков регулируемых параметров, регуляторов, содержащих элементы сравнения и управляющие блоки, и исполнительных механизмов, расположенных на линиях подачи охлаждающей, аммиачной воды и воздуха на аэрацию, снабжена последовательно соединенными дискретными дифференциаторами с запоминанием, входы которых соединены с соответствующими элементами сравнения регуляторов, и блоками обратной связи, содержащими логические элементы, реле и реле с замедлением на срабатывание, выходы которых соединены с соответствующими управляющими блоками регуляторов. The objective of the invention is improving the accuracy of control. The result is achieved by the fact that the automatic control system of the periodic process of cultivation of microorganisms, containing the contours of stabilization of temperature and pH of the culture medium, air flow for aeration, consisting of sensors and adjusters of adjustable parameters, regulators containing comparison elements and control units, and actuators located on lines for supplying cooling, ammonia water and air to aeration, equipped with sequentially connected discrete differentiators with memory iem whose inputs are connected to the respective regulators comparing elements and feedback blocks containing logical elements, relays and a slowdown in operation, the outputs of which are connected to respective control valves regulators.

В результате проведенного поиска установлено, что в существующих технических решениях автоматического управления периодическим процессом культивирования микроорганизмов не использовались дискретные дифференциаторы с запоминанием, соединенные с блоками обратной связи, содержащими логические элементы, реле и реле с замедлением на срабатывание в предложенной совокупности с ранее известными блоками, что дает новый положительный эффект, а именно, повышает точность управления. As a result of the search, it was found that in the existing technical solutions for the automatic control of the periodic process of cultivation of microorganisms, discrete memory differentiators connected to feedback blocks containing logic elements, relays, and relays with a delay in operation in the proposed combination with previously known blocks were not used, which gives a new positive effect, namely, improves control accuracy.

На чертеже представлена структурная схема предложенной системы автоматического управления периодическим процессом культивирования микроорганизмов. The drawing shows a structural diagram of the proposed system for automatic control of the periodic process of cultivation of microorganisms.

Система содержит: объект управления дрожжерастильный аппарат 1; датчики: соответственно температуры культуральной среды 2, рН культуральной жидкости 3; расхода воздуха на аэрацию 4; задатчики: соответственно - температуры культуральной среды 5, рН культуральной среды 6, расхода воздуха на аэрацию 7; регуляторы: соответственно температуры культуральной среды 8, рН культуральной жидкости 9, расхода воздуха 10, содержащие элементы сравнения 11, 12, 13 и управляющие блоки 14, 15, 16; дискретные дифференциаторы с запоминанием 17, 18, 19; блоки обратной связи 20, 21, 22, содержащие логические элементы 23, 24, 25, реле 26, 27, 28, реле с замедлением на срабатывание 29, 30, 31; исполнительные механизмы 32, 33, 34, установленные соответственно на линиях подачи охлаждающей и аммиачной воды и подачи воздуха на аэрацию. The system comprises: a control object yeast apparatus 1; sensors: respectively, the temperature of the culture medium 2, the pH of the culture fluid 3; air consumption for aeration 4; adjusters: respectively, the temperature of the culture medium 5, the pH of the culture medium 6, the air flow for aeration 7; regulators: respectively, the temperature of the culture medium 8, the pH of the culture fluid 9, air flow 10, containing elements of comparison 11, 12, 13 and control units 14, 15, 16; discrete differentiators with memory 17, 18, 19; feedback blocks 20, 21, 22, containing logic elements 23, 24, 25, relays 26, 27, 28, relays with a delay in operation 29, 30, 31; actuators 32, 33, 34 mounted respectively on the supply lines of cooling and ammonia water and air supply for aeration.

Система работает следующим образом. Рассмотрим на примере стабилизации температуры культуральной среды. Стабилизация рН культуральной среды и расхода воздуха на аэрацию осуществляется аналогично. The system operates as follows. Consider the stabilization of the temperature of the culture medium as an example. The stabilization of the pH of the culture medium and air flow for aeration is carried out similarly.

Сигналы с датчика температуры 2, пропорциональный текущему значению температуры культуральной жидкости, и задатчика 5, пропорциональный заданному в данный момент времени значению температуры культуральной жидкости, поступают на элемент сравнения 11 регулятора температуры культуральной жидкости 8, где эти два значения сравниваются и определяется их разность, т.е. The signals from the temperature sensor 2, proportional to the current value of the temperature of the culture fluid, and the setter 5, proportional to the currently set temperature of the culture fluid, are sent to the comparison element 11 of the temperature of the culture fluid 8, where these two values are compared and their difference is determined, t .e.

ε(t)=X(t)-X_o, (1)
где Х(t) текущее значение температуры, снимаемое с датчика регулируемого параметра 2;
Х_о сигнал задающего воздействия, снимаемый с задатчика величины регулируемого параметра 5;
ε(t) сигнал рассогласования.ε (t) = X (t) -X _o , (1)
where X (t) is the current temperature value taken from the sensor of adjustable parameter 2;
X _{about the} signal of the reference action, removed from the setpoint value of the adjustable parameter 5;
ε (t) mismatch signal.

Полученный на элементе сравнения 11 регулятора 8 сигнал рассогласования ε(t) поступает на вход управляющего блока 14 регулятора 8, где в соответствии с выбранным алгоритмом управления (пропорциональным, пропорционально-интегральным или пропорционально-интегрально-дифференциальным) вырабатывается управляющий сигнал Z, поступающий на исполнительный механизм с регулирующим органом 32, расположенным на линии подачи охлаждающей воды в рубашку аппарата 1, изменяя подачу охлаждающей воды так, чтобы уменьшить величину рассогласования ε(t). Так работает система, принятая в качестве прототипа. В течение одного цикла культивирования микроорганизмов, задающее воздействие Х_o меняется несколько раз, в связи с чем резко изменяется величина ε(t), увеличивается колебательность и длительность переходного процесса.The mismatch signal ε (t) obtained on the comparison element 11 of the controller 8 is fed to the input of the control unit 14 of the controller 8, where, in accordance with the selected control algorithm (proportional, proportional-integral or proportional-integral-differential), a control signal Z is generated, which is fed to the executive a mechanism with a regulator 32 located on the supply line of cooling water to the jacket of apparatus 1, changing the supply of cooling water so as to reduce the amount of mismatch ε (t). This is how the system adopted as a prototype works. During one cycle of cultivation of microorganisms, the defining effect X _o changes several times, and therefore ε (t) sharply changes, the oscillation and the duration of the transition process increase.

Предлагаемая система работает следующим образом. Сигнал рассогласования ε(t) с элемента сравнения 11 регулятора 8 поступает одновременно и на дискретный дифференциатор с запоминанием 17, в котором сравнивается с величиной рассогласования ε(t-T), запомненной дискретным дифференциатором в предыдущий момент срабатывания регулятора, где Т период повторения импульсного управляющего сигнала Z регулятора 8. Одновременно в ячейки памяти дискретного дифференциатора с запоминанием 17 вместо значения ε(t-T) запоминается новое значение рассогласования ε(t). The proposed system works as follows. The mismatch signal ε (t) from the comparison element 11 of the controller 8 is fed simultaneously to the discrete differentiator with memory 17, which compares with the mismatch ε (tT) stored by the discrete differentiator at the previous controller response time, where T is the repetition period of the pulse control signal Z controller 8. At the same time, a new mismatch value ε (t) is stored instead of ε (tT) in the memory cells of the discrete differentiator with memory 17.

В дискретном дифференциаторе с запоминанием 17 формируется вспомогательный управляющий сигнал
Z₁(t)=ε(t)-ε(t-T)+ε(t). (2)
Рассмотрим подробнее выражение 2. Первые два члена правой части выражения 2 являются приближенным сигналом производной сигнала ε(t), а третий член
сигнал модуля рассогласования ε(t).In the discrete differentiator with memory 17, an auxiliary control signal is generated
Z ₁ (t) = ε (t) -ε (tT) + ε (t). (2)
Let us consider expression 2 in more detail. The first two members of the right-hand side of expression 2 are an approximate signal of the derivative of the signal ε (t), and the third term
mismatch modulus signal ε (t).

Выходной сигнал блока 17 состоит из суммы приближенного значения производной сигнала рассогласования ε(t) и модуля значения рассогласования ε(t). The output signal of block 17 consists of the sum of the approximate value of the derivative of the mismatch signal ε (t) and the modulus of the mismatch value ε (t).

Сигнал Z₁(t) с дискретного дифференциатора с запоминанием 17 поступает на логический элемент 23 блока обратной связи 20. В зависимости от знака Z₁(t), логический элемент 23 блока обратной связи 20 переключает параметры блока 20 в состояние форсированного или умеренного управления, в соответствии с которым последний выдает сигнал обратной связи Z_об(t) той или иной интенсивности на управляющий блок 14 регулятора 8.The signal Z ₁ (t) from the discrete differentiator with memory 17 is fed to the logic element 23 of the feedback block 20. Depending on the sign of Z ₁ (t), the logic element 23 of the feedback block 20 switches the parameters of the block 20 to the state of forced or moderate control, in accordance with which the latter gives a feedback signal Z _about (t) of one or another intensity to the control unit 14 of the controller 8.

Рассмотрим более подробно работу блока обратной связи 20. Перепишем выражение 2 в следующем виде

где

приближенное значение производной сигнала ε(t). На логический элемент 23 величина Z₁(t) может поступить с дискретного дифференциатора с запоминанием 17 в четырех видах:
производная возрастает, модуль возрастает;
производная убывает, модуль возрастает;
производная убывает, модуль убывает;
производная возрастает, модуль убывает.Let us consider in more detail the operation of the feedback unit 20. We rewrite expression 2 in the following form

Where

the approximate value of the derivative of the signal ε (t). On the logic element 23, the value Z ₁ (t) can come from a discrete differentiator with memorization 17 in four forms:
the derivative increases, the modulus increases;
the derivative decreases, the modulus increases;
the derivative decreases, the module decreases;
the derivative increases, the module decreases.

Логический элемент 23 блока обратной связи 20 в первых двух случаях направит сигнал Z₁(t) на реле 26; в третьем и четвертом случаях на реле с замедлением на срабатывание 29. Таким образом с блока обратной связи 20 дополнительный управляющий сигнал Z_об(t) поступит на управляющий блок 14 регулятора 8, где окажет свое корректирующее дополнительное воздействие на величину ε(t), поступившую с элемента сравнения 11 на управляющий блок 14 регулятора 8, в зависимости от величины и знака производной

и модуля величины ε(t).The logic element 23 of the feedback block 20 in the first two cases will send a signal Z ₁ (t) to the relay 26; in the third and fourth cases, on a relay with a deceleration by actuation 29. Thus, from the feedback unit 20, an additional control signal Z _о (t) will be sent to the control unit 14 of controller 8, where it will have its own corrective additional effect on the quantity ε (t) received from the comparison element 11 to the control unit 14 of the controller 8, depending on the size and sign of the derivative

and the modulus of ε (t).

Если задание X_o регулируемого параметра в интервале времени между импульсами Т не изменяется, или очень мало изменяется, то величина разности ε(t) и ε(t-T) будет бесконечно мала, и величина дополнительного сигнала, поступающего из блока обратной связи 20 на управляющий блок регулятора 8, будет также мала, т.е. практически можно считать, что ε(t)=ε(t-T). Такое значение рассогласований появляется в момент установившегося значения регулируемой величины, равной заданному значению регулируемой величины.If the task X _{o of the} adjustable parameter in the time interval between pulses T does not change, or changes very little, then the difference between ε (t) and ε (tT) will be infinitely small, and the value of the additional signal coming from feedback block 20 to the control unit knob 8, will also be small, i.e. in practice, we can assume that ε (t) = ε (tT). This value of the mismatch appears at the moment of steady-state value of the controlled variable equal to the specified value of the controlled variable.

Если до окончания переходного процесса в момент времени между импульсами Т разность между ε(t) и ε(t-T) будет отличаться от нуля, то в блоке обратной связи 20 с помощью реле 26 образуется форсирующий дополнительный сигнал Z_об(t), поступающий на вход управляющего блока 14 регулятора 8, что уменьшает время переходного процесса и сглаживает колебания регулируемой величины.If before the end of the transition process at the time between pulses T, the difference between ε (t) and ε (tT) will be different from zero, then in feedback block 20, using relay 26, an additional signal Z _ob (t) is fed to the input the control unit 14 of the controller 8, which reduces the time of the transition process and smooths the fluctuations of the adjustable value.

Если же в момент времени между импульсами Т произойдет изменение заданного значения регулируемой величины, то разность между ε(t) и ε(t-T) будет значительна, и роль блока обратной связи еще больше возрастает для ускорения переходного процесса и выхода регулируемой величин на новое заданное значение. If, at the time between the pulses T, the set value of the controlled variable changes, then the difference between ε (t) and ε (tT) will be significant, and the role of the feedback unit increases even more to accelerate the transition process and the controlled variable reaches the new set value .

Умеренное управление, т.е. включение логическим элементом 23 блока обратной связи 20 реле с замедлением на срабатывание 29 будет в том случае, если производная убывает или возрастает, а модуль рассогласования убывает, и реле с замедлением на срабатывание позволяет избежать колебательности дополнительного сигнала обратной связи Z_об(t) на управляющий блок 14 регулятора 8. Такой режим работы системы наблюдается в конце переходного процесса.Moderate management, i.e. the inclusion by the logic element 23 of the feedback block 20 of the relay with a deceleration to actuation 29 will be if the derivative decreases or increases, and the mismatch module decreases, and the relay with a deceleration to actuation avoids the oscillation of the additional feedback signal Z _about (t) to the control block 14 of the controller 8. This mode of operation of the system is observed at the end of the transition process.

Введение в систему управления дискретного дифференциатора с запоминанием и блока обратной связи, содержащих логический элемент, реле и реле с замедлением на срабатывание, позволяет следить за изменением задания, уменьшить колебательность переходных процессов в режиме слежения за изменением задающего воздействия, сократить длительность переходных режимов и тем самым обеспечить высокое качество управления. The introduction into the control system of a discrete differentiator with memory and a feedback block containing a logic element, a relay and a relay with a delayed response, allows you to monitor the change in the task, reduce the oscillation of transients in the tracking mode, change the setpoint, reduce the duration of the transition modes and thereby provide high quality management.

Аналогично описанному выше работают систем стабилизации рН культуральной среды и расхода воздуха на аэрацию при периодическом процессе культивирования микроорганизмов. The stabilization systems of the pH of the culture medium and air flow for aeration during the periodic process of cultivation of microorganisms work similarly to those described above.

Экспериментальная проверка предлагаемой системы проводилась на Воронежском дрожжевом заводе, при выращивании хлебопекарных дрожжей в производственных аппаратах типа ВДА-100 на товарной стадии выращивания В. Усредненные значения экспериментальных данных приведены в табл. 2. An experimental verification of the proposed system was carried out at the Voronezh yeast plant, when baking yeast was grown in production apparatus such as VDA-100 at the commodity stage of growing B. The average values of the experimental data are given in table. 2.

В качестве логического элемента использовались электронные триггеры, реле электронные реле, дискретные дифференциаторы с запоминанием делитель напряжения Шмидта. As a logical element, electronic triggers, relays, electronic relays, discrete differentiators with memory Schmidt voltage divider were used.

Электронные регуляторы типа РПI-VII, задатчики программные задатчики типа ПД-44УМ, датчик температуры термометр сопротивления ТСМ-ХI, датчик рН - проточный датчик ДПр-5315 с высокоомным преобразователем ПВУ-5253, датчик расхода воздуха диафрагма ДКН, дифманометр ДМ-6; пневмоэлектропреобразователь ЭПП-63. RPI-VII type electronic regulators, PD-44UM type programmable switches, TSM-XI resistance thermometer temperature sensor, pH sensor - DPr-5315 flow sensor with high-resistance PVU-5253 converter, air flow sensor, DKN diaphragm, DM-6 differential pressure gauge; pneumatic electroconverter EPP-63.

Как видно из табл. 2, предлагаемая система обеспечивает значительное улучшение характеристик переходного процесса и обеспечивает повышение выхода дрожжей как в накопительный период, так и в период с отборами. As can be seen from the table. 2, the proposed system provides a significant improvement in the characteristics of the transition process and provides an increase in the yield of yeast both in the cumulative period and during the selection.

Claims

The automatic control system for the periodic process of microorganism cultivation, containing the contours of stabilization of temperature and pH of the culture medium, air flow for aeration, consisting of sensors and adjusters of adjustable parameters, regulators containing comparison elements and control units, and actuators located on the cooling, ammonia supply lines water and air for aeration, characterized in that it is equipped with series-connected differentiators with memory, inputs of which connected to the respective regulators comparing elements and feedback blocks containing logical elements, relays and a slowdown in operation, the outputs of which are connected to respective control valves regulators.