SU1007092A1 - Система автоматического управлени периодическим процессом ферментации - Google Patents

Abstract

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПЕРИОда1ЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ФЕРМЕНТАЦИИ, содержаща  датчик и блок задани  оптимальной температуры , регул тор и. исполнительный механизм , последовательно соединенные дифференциатор и пороговый элемент, релейный блок, блок селектировани  сигналов, первый, второй и управл ющий входы которого соединены соответственно с выходами регул тора,, релейного блока, и порогового элемента , датчик расхода охлаждающей воды, контуры стабилизации расхода воздуха на аэрацию и давлени  в аппарате, при этом дифференциатор подключен к датчику температуры, а входы регул тора и релейного блока соединены одновременно с выходом блока рассогласовани , отличающа с  тем, что, с целью увеличени  выхода целевого продукта путем повышени  качества управлени  путем учета изменений динамических характериси1К процесса, она снабжена моделью канала управлени  без запаздывани , четырьм  сумматорами, интегратором, коммутационным элементом и переклю- чающим реле, управл ющие входы которых подключены к выходу порогового элемента, при этом первые входы их соединены соответственно с выходами датчика расхода охлаждающей воды и первого сумматора, а второй вход коммутационного элемента подключен к выходу переключающего реле, второй вход которого св зан с выходом второго сумматора, один из входов последнего соединен с выхо§ дом датчика температуры, а другой с выходом первого сумматора, первый и второй входы которого св заны соответственно с выходом и входом модели канала управлени  без запазды вани , другой вход которой через коммутационный элемент соединен с выходом датчика расхода охлаждающей воды, первый и второй входы третьего сумматора подключены соответствен но к выходам блока селектировани  сигналов и интегратора, вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, один .вход которого через коммутационный элемент подключен к выходу датчика расхода охлаждающей UD воды, а другой через коммутационный элемент - к выходу переключающего tc реле, соединенного с блоком рассогла совани . . ,

Description

Изобретение относитс  к автоматическому управлению и может быть использовано в химико-фармацевтической , микробиологической и других отрасл х промышленности. Известна система автоматического управлени  процессом культивировани микроорганизмов, снабженна  блоками определени  количества кислорода, необходимого на эндогенное дыхание, дл  роста культуры и синтеза продук та, и сумматором, при этом послед;НИИ подключен к блокам определени  количества кислорода и компаратору, вход которого соединен с блоком определени  разности между количество кислорода во вход щем воздухе и отработанных газах, а выход - одновре менно с исполнительным механизмом, установленным на линии подачи воздуха , и ис юлнительным механизмом мешалки Недостатком данной системы  вл етс  то что она сложна в 11змерении и не обеспечивает высокой точности автоматического поддержани  измер емого параметра на оптимальном уровне. Кроме того, така  система не обеспечивает условий, оптимальных дл  роста биомассы и биосинтеза целевого продукта по другим основным технологическим параметрам, например по температуре процесса ферментации 41 о в конечном итоге снижает выход целевого продукта. Наиболее близким техническим реше нием к изобретению  вл етс  система автоматического управлени  периодическим процессом ферментации, содержаща  датчик и блок задани  оптимальной температуры, регул тор и исч полнительный механизм, последователь но соединенные дифференциатор и пороговый элемент, релейный блок, блок селектировани  сигналов, первый. второй и управл ющий входы которого соединены с выходами регул тора, релейного блока и порогового элемента , датчик расхода охлаждающей воды контуры стабилизации расхода воздуха на аэрацию и в аппарате, при этом дифференциатор подключен к датчику температуры, а входы регул тора и релейного блока соединены одновременно с выходом блока рассогласовани  2 . Недостатком этой системы при реали зации оптимального значени  изменени  измер емых параметров  вл етс  недостаточно Ьысокое качество управлени  процессом, обусловленное тем, что при измен ющихс  услови х развити  культуры, привод щих к изменению динамических характеристик про|цесса , настройка регул тора остаетс  (ПОСТОЯННОЙ в течение всего времени :процесса. Поскольку оптимальна  настройка регул торов возможна только при посто нных динамических характеристиках процесса, то при изменении этих характеристик динамические свойства системы регулировани  ухудшаютс  и в некоторых случа х устойчивость системы нарушаетс , что в ксэнечном итоге отражаетс  на снижении выхода целевого продукта процесса Целью изобретени   вл етс  увеличение выхода целевого продукта за счет повышени  качества управлени  путем учета изменений динамических характеристик процесса и улучшени  динамики замкнутой системы управлени . Поставленна  цель достигаетс  тем, что система автоматического управлени  процессом ферментации, содержаща  датчик и-.блок задани  оптимальной температуры, регул тор и исполнительный механизм, последовательно соединенные дифференциатор и пороговый элемент, релейный блок, блок селектировани  сигналов, первый, второй и управл ющий входы которого соединены соответственно с выходами регул тора, релейного блока и порогового элемента, расхода охлаждающей воды, контуры стабилизации расхода воздуха на аэрацию и давлени  в аппарате, при этом дифференциатор подключен к датчику температуры , а входы регул тора и релейного блока соединены одновременно с выходом блока рассогласовани , снабжена моделью канала управлени  без запаздывани , четырьм  сумматорами , интегратором, коммутационным элементом и переключающим реле, уп равл ющие входы которых подключены к выходу порогового элемента, при этом первые входы их соединены соответственно с выходами датчика расхода охлаждающей воды и первого сумматора , а второй вход коммутационного элемента подключен к выходу переключающего реле, второй вход которого св зан с выходом второго сумматора , один из входов последнего соединен с выходом датчика температуры , а другой - с выходом первого сумматора, первый и второй входы которого св заны соответственно с выходом и входом модели канала управлени  без запаздывани , другой вход которой через коммутационный элемент соединен с выходом датчика рас,хода охлаждающей воды, первый и второй входы третьего сумматора подключены соответственно к выходам блока селектировани  сигналов и интегратора, вход которого соединен с выходом .четвертого сумматора, один вход которого через коммутационный элемент подключен к выходу датчика расхода охлаждающей воды, а другой через коммутационный элемент к выходу переключающего реле, соединенного с блоком рассогласовани . На чертеже представлена блок-схема системы автоматического управлени  периодическим процессом ферментации Система содержит контуры стабилизации температуры, расхода воздуха и давлени  в ферментере 1. Контур стабилизации температуры включает датчик 2 температуры, выход которого подключен к входу cyivwaTOра 3 и к входу дифференциатора 4, подключенного к входу порогового эле мента 5, при этом выход последнего подключен одновременно к управл ющим входам коммутационного элемента б, блока 7 селектировани  сигналов, переключающего реле 8, первый и второй входы которых подключены соответ ственно к выходам датчика 9 расхода охлаждающей воды и переключающего реле 8, регул тора 10 и релейного блока 11, первого сумматора 12 и вто рого сумматора 3, при этом к второму входу последнего подключен выход . первого сумматора 12, на один вход которого поступает выход модели 13 канала управлени  без запаздывани , а другой вход сумматора 12 соединен входом модели 13 канала управлени  без запаздывани .В зависимости от состо ни  коммутационного элемента 6 на вход модели 13 поступает сигнал либ с выхода датчика 9 расхода охлаждаю щей воды, либо с выхода сумматора 3 посредством переключающего реле 8. Причем в последнем случае основна  обратна  св зь системы оказываетс  ваченной дополнительной обратной св зью, котора  представл ет собой параллельное соединение безынерцион ного звена с единичным коэффициенто усилени  и модели 13 канала управле ни  без запаздывани , что в операто ной форме соответствует выражению - I ,   WM (Р) - условное обозначение модели 13 канала управлени  без запаздывани . Передаточна функци  контура вход сумматора 3 вход блока 14 рассогласовани  с дополнительной обратной св зью, образ ванного сумматором 3, моделью 13 и сумматором 12, при соответствующих коммутируемых св з х равна обратной модели ) канала управлени  (показано пунктиром). Один вход бло ка 14 рассогласовани  подключен к выходу переключающего реле 8, а дру гой вход - к выходу блока 15 задани оптимальной температуры в ферментере 1. Выход переключающего реле 8 выход обратной модели канала управлени  и выход датчика 9 расхода охлаждак цей воды посредством коммутационного элемента 6 подключены к входам четвертого сумматора 16, выход которого подключен к интегратору 17, выход которого подключен к одному из входов третьего сумматора 18, к другому входу которого подключен,выход блока 7 селектировани  сигналов. Выход третьего сумматора 18 соединен с исполнительным механизмом 19, установленным на линии подачи охлаждающей воды. Контур стабилизации давлени  в ферментере 1 содержит датчик 20, подключенный к входу регул тора 21, выход которого соединен с исполнитель ным механизмом 22, установленным на линии отход щих из ферментера газов. Контур стабилизации подачи воздуха на аэрацию состоит из датчика 23 расхода воздуха, подключенного к входу регул тора 24, выход которого соединен с исполнительным механизмом 25. Система автоматического управлени  процессом ферментации работает следующим образом. При температуре в ферментере 1, соответствующей оптимальной, сигнал на выходе дифференциатора 4 равен нулю. В этом случае сигнал на выхо- де порогового элемента 5 также равен нулю и командный сигнал на переключение блока 7 селектировани  сигналов , переключающего реле 8 и коммутационного элемента б не поступает. Последний в этом случае осуществл ет коммутацию выходного сигнала датчика 9 расхода охлаждающей воды на вход модели 13 канала управлени . Сигналы остальных выходов коммутационного элемента б при этом равны нулю. В установившемс  режиме работы системы, т.е. при текущем значении температуры в ферментере, равной оп гимальной , сигналы с выхода модели 13 и датчика 2 температуры равны между собой и сигнал с выхода сумматора 3 на вход переключающего реле 8 не поступает. Последнее в этом случае осуществл ет коммутацию выходного сигнала модели 13 через первый сумматор 12 на вход блока 14 рассогласовани , на другой вход которого поступает сигнал с выхода блока 15 задани  оптимальной температуры. Поскольку температура в ферментере 1 соответствует оптимальной, то сигнгш на выходе блока 14 рассогласовани  отсутствует. При этом блок 7 селекд-ировани  сигналов осуществл ет коммутацию выходного сигнала регул тора 10 через сумматор 18 на вход исполнительного механизма 19, с помощью которого устанавливаетс  тре- . буемый расход охлажданмцей воды. , По мере дальнейшего протекани  процесса возникает необходимость в реализации новых оптимальных условий ведени  процесса биосинтеза, получение которых св зано с изменением температуры, которое формируетс  с помощью блока 15 задани  оптималь ного дл  данного момента времени значени  температуры. При изменении задани  возникающий сигнал рассогла совани  о выхода блока 14 рассогласовани  поступает на входы регул то ра 10 и релейного блока 11. Блок 7 селектировани  сигналов в этом случае осуществл ет коммутацию выходного сигнала релейного блока 11 через сумматор 18 на вход исполнитель ного механизма 19, измен ющего: расход охлаждающей воды, котЙрыйиз мер етс  датчиком 9. Выходной сигнал последнего подаетс  посредством коммутационного элемента 6 на вход модели 13 канала управлени  без запаздывани , на выходе которой возни кает переходной процесс. Поскольку канал регулировани  тем пературы в ферментере 1 имеет существенное запаздывание, то при изм нении задани  отклонение температуры в ферментере 1 происходит не сра зу, а через врем  запаздывани  (.д . Поэтому сигнал на выходе дифференциатора 4 в течение времени t раве нулю. В этом случае переключающее реле 8 замыкает цепь обратной св зи системы выxoдны сигналом модели 13 канала управлени  без запаздывани  через сумматор 12, сигнал на втором входе которого в этом случае отсутствует . С использованием выходного сигнала модели 13 в качестве переменной в блоке 14 рассогласовани  вырабатываетс  соответствующее рассогласование . Соответственно величине и знаку покупающего рассогласовани  (регул тор 10 функционирует как аналоговый регул тор) релейный блок 11 продолжает формировать ре .лейное воздействие, которое посредством блока 7 селектировани  сигналов через сумматор 18 поступает на исполнительный механизм 19. По истечении.времени запаздывани  начинает про вл тьс  реакци  объекта управлени  на поданное воздействие, т.е. происходит отклонение температуры в ферментере 1. Это отклонение воспринимаетс  дифференциатором 4, выходной сигнал которого поступает . на вход порогового элемента 5. Сигнал на входе последнего, превышающий зону нечувствительности, вызывает срабатывание порогового элемента 5, выходной сигнал которого поступа ет на управлйющие входы коммутационного элемента 6, блока 7 селектировани  сигналов и переключающего реле 8. Коммутационный элемент б при этом прекращает коммутацию выходного сигнала датчика 9 на вход модели 13 и начинает осуществл ть коммута .цию выходного сигнала сумматора 3 посредством переключающего реле 8 на входы модели 13, сумматора 12 и 16, при этом на другой вход сумматора 16 с помощью коммутационного элемента 6 осуществл етс  коммутаци  выходного сигнала датчика 9 расхода охлаждающей воды. Блок 7 селектировани  сигналов при этом прекращает коммутацию выходного сигнала релейного блока 11 и осуществл ет коммутацию выходного сигнала регул тора 10 на вход сумматора 18. При этом на участке цепи обратной св зи вход сумматора 3 (выход датчика 2 температуры) - вход блока 14 рассогласовани  реализуетс  обратна  модель канала управлени  без запаздывани , выражение дл  которой имеет вид W(P)Wc(P), гдeWo(P)- условное обозначение передаточной функ ции канала управлени  процессом ферментации без запаздывани ,, поскольку обратна  модель подключена последовательно к датчику 2 температурного канала управлени . В соответствии с динамикой полученного эквивалентного объекта и величиной рассогласовани , поступающего с выхода блока 14 рассогласовани  на вход регул тора 10,.последний вырабатывает регулирующее воздействие, которое поступает через блок 7 селектировани  сигналов и сумматор 18 на исполнительный механизм 19, с помЪщью которого осуществл етс  соответствующее изменение расхода охлаждающей воды. Одновременно сигнал с выхода датчика 9 расхода охлаждающей воды через коммутационный элемент б поступает на вход сумматора, на другой вход которого посредством коммутационного элемента б поступает сигнал с выхода обратной модели канала управлени , и сравниваетс  с выходным сигналом датчика 9. Если параметЕ«л модели 13 соответствуют параметрам объекта управлени  (процесса ферментации по каналу расход охватывающей воды - температура в ферментере), сигнал на выходе сумматора 16, соответствующий результату сравнени , равен нулю и на вход сумматора 18 сигнал с выхода интегратора 17 не поступает. В этом случае с помощью основного сигнала управл ющего воздействи , выработанного регул тором 10, осуществл етс  доведение температуры 8 в ферментере 1 до заданного оптимального знaчei и . При изменившихс  параметрах объекта управлени , когда сигнал, с выхода обратной модели не равен величине входного сигнала объекта - выходному сигналу датчика 9 расхода охлаждающей воды, по вл етс  сигнал рассогласовани  невыходе сумматора 16. Сигнал с выхода сумматора 16 поступает на вход интегратора 17, который

огласно знаку и величине поступивего рассогласовани  между параметами модели 13 и параметрами канала управлени , формирует величину ополнительного сигнала к сигналу сновного регулирующего воздействи . При этом вел.ичина дополнительного сигнала управлени  с выхода интегра тора 17 поступает на вход сумматора 18. Результирующий сигнал с выхода сумматора 18. поступает на вход исполнительного механизма 19, с помощью которого осуществл етс  соответствующее измененигг расхода охлаждающей воды. Интегрирование рассогласовани , поступакндего с выхода сумматора 16, происходит до тех пор, пока действие возмущени  на входе бъекта или непредвиденные изменени  параметров объекта не будут полностью скомпенсированы выходным сигналом суиалатора 18. При этом температура в ферментере, измер ема  датчиком 2, соответствует оптимгшьному значению. Поскольку изменений температуры не происходит, то сигнал на выходе дифференциатора 4 равен нулю. В этом случае сигнал на пороговый элемент 5 не поступает, при этом последний прекращает выдачу командного сигнала на управл ющие входы коммутационного элемента 6, блока 7 селектировани  сигналов и переключающего реле 8. Коммутационный элемент 6 прекращает когчмутацию выходного сигнала сумматора 3 на вход модели 13 канала управлени  без запаздывани  и начинает вновь коммутировать сигнал с выхода датчика 9 на вход модели 13. При этом переключающее реле 8 подключает выход модели 13 на вход блока 14 рассогласовани , замыка  систему управлени  вновь сигналом модели, равным оптимальному значению задани . В результате этого сигнал рассогласовани  между температурой и заданием на выходе блока 14 рассогласовани  равен нулю. При этом выходной сигнал релейного блока 11 равен нулю , а блок 7 селектировани  сигналов осуществл ет коммутацию выходного

0 сигнала регул тора 10 на сум1матора 18, результирующий сигнал с выхода которого поступает на вход исполнительного механизма 19.

Изложенное выше показывает функ5 ционирование система в режиме управлени , т.е. при переменном задающем воздействии. Аналогично рассмотренному происходит работа системы в режиме оптимальной стабилизации температуры при возмущающих .воздейст0 ви х, т.е. при возмущении по расходу охлаждающей воды.

С помощью контуров стабилизации расхода воздуха, подаваемого на аэрацию , и давлени  в ферментере осущест5 вл етс  поддержание указанных параметров на заданном уровне с помощью исполнительных механизмов 25 и 22, установленных на линии подачи воздуха и отход щих из ферментера газов.

0

Использование данной системы автоматического управлени  периодическим процессом ферментации позволит при существенном запаздывании и измен ющихс  динамических характеристиках

5 процесса ферментации повысить, точ- -. ность регулировани  температуры и обеспечить качественное ведение процесса биосинтеза в оптимальном peжи ме, что приведет к увеличению вы0 хода целевого продукта ориентировочно На 1, 5-2%.

Возду)(

fUM

Г5

гг

23

f«

Ол/ аждаюша  Кода

-U.

1Й

ni

 

20

u

Г1

f7

w

JTtJ

If

to

ирг

15

W

I

БВЧЗт

ГЦ

±j

Г

I

Claims (1)

1. СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ФЕРМЕНТАЦИИ, содержащая датчик и блок задания оптимальной температуры, регулятор и исполнительный механизм, последовательно соединенные дифференциатор и пороговый элемент, релейный блок, блок селектирования сигналов, первый, второй и управляющий входа которого соединены соответственно с выходами регулятора,, релейного блока, и порогового элемента, датчик расхода охлаждающей воды, контуры стабилизации расхода воздуха на аэрацию и давления в аппарате, при этом дифференциатор подключен к датчику температуры, а входы регулятора и релейного блока соединены одновременно с выходом блока рассогласования, о т л и ч а ющ ая с я тем, что, с целью увеличения выхода целевого продукта путем повышения качества управления путем учета изменений динамических характеристик процесса, она снабжена моделью канала управления без запаздывания, четырьмя сумматорами, интегратором, коммутационным элементом и переключающим реле, управляющие входа которых подключены к выходу порогового элемента, при этом первые входа их соединены соответственно с выходами датчика расхода охлаждающей воды и первого сумматора, а второй вход коммутационного элемента подключен к выходу переключающего реле, второй вход которого связан с выходом второго сумматора, один из входов последнего соединен с выходом датчика температуры, а другой - £ с выходом первого сумматора, первый и второй входа которого связаны соответственно с выходом и входом модели канала управления без запаздывания, другой вход которой через коммутационный элемент соединен с выходом датчика расхода охлаждающей вода, первый и второй входы третьего сумматора подключены соответствен но к выходам блока селектирования сигналов и интегратора, вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, один .вход которого через коммутационный элемент подключен к выходу датчика расхода охлаждающей вода, а другой через коммутационный элемент - к выходу переключающего реле, соединенного с блоком рассогласования.

   SU ... 1007092