WO2013060027A1

WO2013060027A1 - 生产过程的监控系统及其控制方法

Info

Publication number: WO2013060027A1
Application number: PCT/CN2011/081523
Authority: WO
Inventors: 范顺杰; 孟显涛
Original assignee: 西门子公司
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2013-05-02
Also published as: EP2772529A1; CN103649299A; US20140330398A1; EP2772529A4; CN103649299B; US9798304B2

Abstract

本发明提供了一种生产过程的监控系统，包括第一传感器（12）、复数个第二传感器（16）、一个基准控制单元（14）和至少一个分布控制器（22）。基准控制单元可向基准反应器（110）输出可控制基准反应器中的第一参数的第一控制量（C₁）。分布控制器可向分布反应器（120）输出分布控制量（C_D）。本发明还涉及监控系统的控制方法。生产过程的监控系统及其控制方法，避免在整个监控系统的每个反应器上都安装同样的传感器，由此极大地降低了生产过程的监控系统的资金投入，且由于减少了使用传感器的数量，还降低了整个系统的维护和运行成本。本发明还提供了该监控系统的控制方法。

Description

生产过程的监控系统及其控制方法技术领域

本发明涉及一种监测和控制系统，尤其涉及一种针对多个并行运作的生产单元内生产参数（process parameter) 的监测和控制系统，例如监测和控制大规模藻类培养的多个封闭式光生物反应器内的生产参数，如 pH值、溶氧量和生物质浓度等的系统。本发明还涉及所述监测和控制系统的控制方法，且所述控制方法还可应用于其他基于生产参数的大规模工业生产的监测和控制。背景技术

单细胞的微藻类生物利用光合作用能够将阳光、水和二氧化碳转换为藻类生物质（后简称 "藻类")，收集和加工处理这些藻类可以得到生物燃料等可资利用的产物，因此，藻类的规模化培养和加工被认为是解决全球环境和能源问题的有效措施之一。

微藻类可以在开放的池塘中培养，具有操作简单、生产成本低等优点，但藻类的产率低，池塘中的水分易蒸发，且微藻类的培养环境易被污染。微藻类也可以在平板状、管状或柱状等封闭式光生物反应器（photobioreactor, 后简称 "反应器"）中培养，藻类的产率得以提高，且培养环境不易被污染。由于藻类生长需要满足采光和气体的要求，单个反应器的容量有限，一个反应器的面积很难超过几百平方米，这就意味着，至少要建造几千个并行生产的反应器，才能形成规模化的微藻类培养生产过程。反应器的建设、运营和维护需要投入巨大的资金。

为了提高藻类生物质的产率，要对每个反应器进行有效的监控。通过监测反应器藻类的生长环境参数，调整反应器的运行参数，为藻类的生长提供最佳的培养条件，保证藻类的生长及产率。由于藻类光合作用的过程复杂，需分别监控反应器内的温度、 pH值、溶氧量和生物量浓度等。因此，在反应器的成本中，监控设备占了相当部分。目前，由于每个反应器需要独立安装测量仪器，整个藻类的生产过程需要使用大量的 pH值、溶氧量和生物量浓度等传感器。例如，若在一个藻类培养系统中包括 4000个反应器（每个反应器的占地面积为 500 - 1000 m²)，即使每个反应器仅设置一个 pH值传感器、一个溶氧量传感器和一个生物量浓度传感器，整个培养系统就需要安装 12000个传感器。其中， pH值和溶氧量传感器费用较高，且需要时常校准和维护。但如果为了减少传感器的成本，将这些反应器置于一个无监测的开环控制模式，则会降低整个培养系统藻类的产率，这同样会间接造成藻类生产成本的增加。

为了减少培养系统中使用的传感器的数量，一些文献公开了用于反应器的监测和控制模型，例如，《生物化学工程期刊（Biochemical Engineering Journal))) 2003年第 14卷： ρ51-65 , " Online estimation of stirred-tank microalgal photobioreactor cultures based on dissolved oxygen measurement", 其中使用了基于模型的观测器和基于模型的控制系统。基于模型的观测器也被称为软传感器（soft-sensor), 这些方法减少了传感器的使用，但软传感器的开发和维护都很复杂，并且其可靠性和有效性会随着使用逐渐降低。发明内容本发明的目的是提供一种用于生产过程的监控系统，以降低整个监控系统使用的传感器数量。

本发明的另一个目的是提供一种生产过程的监控系统的控制方法。

本发明提供了一种生产过程的监控系统，它用于监控并行生产运作的多数个生产单元生产过程的生产参数，生产参数至少包括第一参数和第二参数，生产单元中包括一个基准生产单元和至少一个分布生产单元。一种生产过程的监控系统，用于监控并行生产运作的复数个生产单元生产过程的生产参数，所述生产单元中包括至少一个基准生产单元和至少一个分布生产单元，其中：所述基准生产单元至少设置有：第一传感器和第二传感器，其中所述第一传感器用于监测所述基准生产单元中的生产参数中的第一参数并可输出对应于所述基准生产单元的所述第一参数的第一信号，所述第二传感器用于监测所述基准生产单元中的第二参数并可输出对应于所述基准生产单元的所述第二参数的第二参数基准信号；一个基准控制单元，其可输入一个设定值和所述第一信号，并可根据所述设定值和其接收到的所述第一信号，向所述基准生产单元输出可控制所述基准生产单元中的所述第一参数的第一控制量；而所述分布生产单元设置有：第二传感器，用于监测所述分布生产单元中的所述第二参数并可输出对应于所述分布生产单元的所述第二参数的第二参数分布信号；和分布控制器，其可接收包括所述第一控制量、所述第二参数基准信号和所述第二参数分布信号的输入信号，并向所述分布生产单元输出分布控制量，且所述分布控制器可控制所述分布控制量与所述第一控制量之比，使之参照所述第二参数分布信号与所述第二参数基准信号之比变化。

生产过程的监控系统避免了整个监控系统中每一个分布生产单元上都安装第一参数传感器，由此极大地降低了生产过程的监控系统的资金投入，且由于减少了使用传感器的数量，还降低了整个系统的维护和运行成本。

在生产过程的监控系统的再一种示意性的实施方式中，生产单元中还包括一个设有第一传感器和第二传感器的修正生产单元。第一传感器可监测修正生产单元内的第一参数，并输出对应于第一参数的第三信号，第二传感器可监测修正生产单元内的第二参数，并输出对应于第二参数的第二参数修正信号。监控系统还包括一个修正单元和一个修正控制器。修正单元可根据接收到的第三信号和设定值输出一个修正信号。修正控制器可根据接收到的修正信号、第一控制量、第二参数基准信号和第二参数修正信号，向修正生产单元输出一个修正控制量，且修正控制器可控制修正控制量与第一控制量之比，使之参照于第二参数修正信号与第二参数基准信号之比变化。

在生产过程的监控系统的另一种示意性的实施方式中，修正控制量的计算公式为：

C_c - (K_m X S_2C I S_2S ) x C_}

分布控制量的计算公式为：

通过设置修正生产单元，以及与之匹配的修正单元和修正控制器，可以在每一个控制循环中通过修正信号提高修正生产单元和分布生产单元中第一参数的控制精度。

在生产过程的监控系统的又一种示意性的实施方式中，基准控制单元包括一个基准比较器和一个基准控制器。基准比较器可输出设定值与接收的第一信号之差的第一差值信号。基准控制器根据第一差值信号确定第一控制量。

在生产过程的监控系统的又一种示意 "的实施方式中，修正信号的计算公式为： ^Km = ^Km-l + ^Kc ((^e _m - ^en,-l ) +—^e

式中下标 m代表监控系统所处的第 m个控制循环， At代表控制周期， e为设定值与第三信号之差（S_1S- S₃)。 _ε和是修正生产单元的设定参数。

在生产过程的监控系统的又一种示意性的实施方式中，修正单元包括一个修正比较器和一个修正器。修正比较器可输入设定值与接收的第三信号之差的第三差值信号。修正器根据第三差值信号确定修正控制量。

在生产过程的监控系统的又一种示意性的实施方式中，生产过程为藻类的培养，生产单元为光生物反应器。

在生产过程的监控系统的又一种示意性的实施方式中，第一参数为光生物反应器内藻类培养液的 pH值，第二参数为光生物反应器内藻类培养液的生物量浓度，第一控制量和分布控制量为通入藻类培养液的二氧化碳量，且藻类培养液的 pH值由通入其中的二氧化碳量控制。

在生产过程的监控系统的又一种示意性的实施方式中，第一控制量、分布控制量和修正控制量为通入藻类培养液的二氧化碳量，且藻类培养液的 pH值由通入其中的二氧化碳量控制。

在生产过程的监控系统的又一种示意性的实施方式中，第一参数为光生物反应器内藻类培养液的溶氧度，第二参数为光生物反应器内藻类培养液的生物量浓度，第一控制量和分布控制量为通入藻类培养液的空气量，且藻类培养液的溶氧度由通入其中的空气量控制。

在生产过程的监控系统的又一种示意性的实施方式中，第一控制量、分布控制量和修正控制量为通入藻类培养液的空气量，且藻类培养液的溶氧度由通入其中的空气量控制。

在生产过程的监控系统的又一种示意性的实施方式中，测量生物量浓度的传感器为近红外光传感器。

本发明还提供了一种上述监控系统的控制方法，包括：

I、设置设定值、控制周期，以及生产过程的生产周期；

II、基准生产单元的第一传感器和第二传感器，以及分布生产单元的第二传感器采样，基准生产单元的第一传感器输出的第一信号至基准控制单元，基准生产单元的第二传感器输出的第二基准信号至分布控制器，分布生产单元的第二传感器输出的第二参数分布信号至分布控制器；

III、基准控制单元依据设定值和第一信号计算得到第一控制量至基准生产单元和分布控制器，分布控制器依据第一控制量、第二参数分布信号和第二基准信号计算得到分布控制量至分布生产单元中；

IV、基准生产单元通过第一控制量控制其中的第一参数，分布生产单元通过分布控制量控制其中的第一参数；

V、判断是否到达生产过程的生产周期，如果到达则整个监控流程结束，否则进入步骤 VI；和

VI、判断是否到达控制周期，如果是则返回步骤 II，否则返回步骤 IV。

本发明还提供了另一种上述监控系统的控制方法，包括：

ι、设置设定值、控制周期，以及生产: t程的生产周期； II、基准生产单元的第一传感器和第二传感器，修正生产单元的第一传感器和第二传感器，以及分布生产单元的第二传感器采样，基准生产单元的第一传感器输出的第一信号至基准控制单元，基准生产单元的第二传感器输出的第二基准信号至修正控制器和分布控制器，修正生产单元的第一传感器输出的第三信号至修正单元，修正生产单元的第二传感器输出的第二参数修正信号至修正控制器，分布生产单元的第二传感器输出的第二参数分布信号至分布控制器；

III、基准控制单元依据设定值和第一信号计算得到第一控制量至基准生产单元、修正控制器和分布控制器，修正器依据设定值和第三信号计算得到修正信号至修正控制器和分布控制器；

IV、修正控制器依据修正信号、第一控制量、第二基准信号和第二参数修正信号计算得到修正控制量至修正生产单元，分布控制器依据第一控制量、修正信号、第二参数分布信号和第二基准信号计算出分布控制量至分布生产单元中；

V、基准生产单元通过第一控制量控制其中的第一参数，分布生产单元通过分布控制量控制其中的第一参数，修正生产单元通过修正控制量控制其中的第一参数；

VI、判断是否到达生产过程的生产周期，如果到达则整个监控流程结束，否则进入步骤 VII；和

VII、判断是否到达控制周期，如果是则返回步骤 II，否则返回步骤 V。

上述监控系统的控制方法在一种示意性实施方式中，控制周期的范围为一秒钟到一小时。附图说明

以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

图 1结合藻类培养的监控系统说明生产过程的监控系统的一种示意性实施方式。图 2结合藻类培养的监控系统说明生产过程的监控系统的另一种示意性实施方式。图 3a和图 3b显示了藻类培养的监控系统的运行效果仿真曲线图。

图 4用于说明图 1所示监控系统的控制流程图。

图 5用于说明图 2所示监控系统的控制流程图。

标号说明

110 基准反应器

120 分布反应器

130 修正反应器

12 第一传感器

14 基准控制单元

15 基准比较器

16 第二传感器

17 基准控制器

22 分布控制器

32 修正控制器

34 修正单元

35 修正比较器 Si 第一信号

S₃ 第三信号

s_ls 第一参数设定值

s_2S 第二参数基准信号

s_2D 第二参数分布信号

s_2C 第二参数修正信号

Ci 第一控制量

C_c 修正控制量

C_D 分布控制量

K_m 修正信号

At 控制周期

T 生产周期

T_m 当前生产时间

m 控制循环次数

下文将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施例，对生产过程的监控系统及其控制方法的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。具体实施方式

为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同或结构相似但功能相同的部分。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，为使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。

图 1结合一种藻类培养的监控系统用于说明本发明的生产过程的监控系统。在藻类培养的生产过程中，藻类培养的生产单元为光生物反应器（以下简称 "反应器")。大规模藻类培养过程通常包括很多个反应器（例如， 4000个），周边环境近似的多个反应器（例如， 100个）可归为一个区域，在一个区域中采用本文提出的监控系统。而整个的培养过程可包括多个此类区域，在每个区域中安装一套根据本发明的监控系统。任选藻类培养的监控系统中的一个反应器作为基准生产单元 110，即基准光生物反应器（以下简称 "基准反应器 110");再选同区域中另一个光生物反应器作为分布生产单元 120，即分布光生物反应器 (以下简称 "分布反应器 120")。应当注意的是，在本发明的其它实施例中，基准生产单元 110和分布生产单元 120的数量均可以选择为至少一个。影响藻类培养生产过程的生产参数很多，此处仅以其中的藻类培养液 pH值（以下简称" pH值")、培养液生物量浓度（以下简称 "生物量浓度"）和培养液溶氧量（以下简称 "溶氧量"）为例说明，其中定义 pH 值或溶氧量为第一参数，生物量浓度为第二参数；第一传感器 12为 pH值传感器（在本发明的其它实施例中，第一传感器 12 也可以采用监测其它生产参数的传感器，例如溶氧量传感器），第二传感器 16为生物量浓度传感器（如第一传感器 12，在其它实施例中，第二传感器 16也可采用其它生产参数的传感器）。在藻类培养的生产过程中，生物量浓度基准信号 S_2S对应于反应器中藻类生物的数量， '比信号值越大，则需要通入的二氧化碳量越大，以保证藻类生物的光合作用；而第一信号 Si反映出反应器内培养溶液的 pH值，而此 pH值受到通入的二氧化碳量的影响，通入的二氧化碳量越多，则反应器内培养溶液的 pH值越高。其中，选取反应器内培养溶液的 pH值来控制二氧化碳量为藻类培养中的常用手段。

如图 1所示，藻类培养的监控系统包括一个 pH值传感器 12、两个生物量浓度传感器 16、一个基准控制单元 14和一个分布控制器 22，图中仅显示了一个基准反应器与一个分布反应器，在一个藻类培育的区域中采用的监控系统可以包括若干个基准反应器与分布反应器。其中，基准反应器 110和分布反应器 120同时并行地进行藻类的培养。监控系统可监测基准反应器 110中的 pH值和生物量浓度，分布反应器 120中藻类培养液的生物量浓度，并控制基准反应器 110和分布反应器 120中 pH值的大小。

其中，如图 1所示，基准控制单元 14包括一个基准比较器 15和一个基准控制器 17。基准比较器 15可输入第一信号 Si和设定值 S_1S，并输出第一信号 Si和设定值 S_1S之差 S_1S - Si至基准控制器 17，基准控制器 17依据第一信号 Si和设定值 S_1S之差 S_1S - Si控制第一控制量 d的大小，其中第一控制量表示通入基准反应器 110的藻类培养液中的二氧化碳气体的量。

进一步地，在本实施例中，基准反应器 110中安装有一个 pH值传感器 12、一个生物量浓度传感器 16和一个基准控制单元 14。 pH值传感器 12可监测基准反应器 110中藻类培养液的 pH值，并输出代表 pH值大小的第一信号 Si至基准控制单元 14的基准比较器 15。生物量浓度传感器 16可监测基准反应器 110中藻类培养液的生物量浓度，并输出代表生物量浓度大小的生物量浓度基准信号 S_2S到分布控制器 22。基准控制单元 14中预设有一个设定值 S_1S，它代表藻类培养液中优化的 pH值。基准控制单元 14可输出第一控制量 d 至基准反应器 110，在藻类培养的实施例中，第一控制量为通入藻类培养液中的二氧化碳气体的量，通过调整充入基准反应器 110的藻类培养液中的二氧化碳气体的量、即第一控制量 d，可以调整基准反应器 110中的藻类培养液的 pH值、即 pH值信号 Si以及生物量浓度基准信号 S_2S。基准控制单元 14通过对比第一信号 Si与设定值 S_1S的偏差，从而控制通入藻类培养液中的二氧化碳气体的量，进而减少第一信号 Si与设定值 S_1S的偏差，例如基准控制单元 14可通过 PID (比例积分微分）调节的方式调控减少第一信号 Si与设定值 S_1S的偏差。

分布反应器 120中安装有一个生物量浓度传感器 16和一个分布控制器 22。生物量浓度传感器 16可监测分布反应器 120中藻类培养液的生物量浓度，并输出代表生物量浓度大小的生物量浓度分布信号 S_2D至分布控制器 22。分布控制器 22还可接收基准控制单元 14输出的第一控制量 Ci和基准反应器 110中的生物量浓度传感器 16输出的生物量浓度基准信号 S_2S，并输出一个分布控制量 C_D至分布生产单元 120中，在藻类培养的实施例中，分布控制量 C_D为通入藻类培养液中的二氧化碳气体的量，通过调整通入培养液中的二氧化碳气体的量来调整藻类培养液的 pH值。基准反应器 110和分布反应器 120中培养液的生物量浓度代表其中藻类细胞的数量，藻类生物数量的不同造成对二氧化碳气体的需求量不同，基准反应器 110中通入的二氧化碳气体量由 pH值传感器 12监测并与基准控制单元 14一起构成闭环控制，保证基准反应器 110中通入的二氧化碳气体量满足所述数量藻类生物的需求，由此以第一控制量基准，按照基准反应器 110和分布反应器 120中生物量浓度的比例，对分布控制量 C_D调控，使得分^控制量 C_D与第一控制量之比 C_D/ d，与生物量浓度分布信号 s_2D与生物量浓度基准信号 S_2S的之比 S_2D/ S_2S成正比，即按照公式：

C_D - (K X S_2D I S_2S)x C_}

来计算分布控制量 C_D的大小，其中 K为比例系数，通常取值为 1，也可以通过手动微调 K 值的大小调整分布控制量 C_D的大小。

藻类培养的监控系统可以进一步添加多个分布反应器，所有这些分布反应器的监测和控制与上述描述类似，在此不再赘述。另外，藻类培养的监控系统还可包括多个基准反应器，这些基准反应器根据其藻类培养液的 pH值分别得到对应于不同基准反应器的第一控制量 d，同时安装在这些基准反应器上的生物量浓度传感器分别输出对应于各个基准反应容器中生物量浓度 S_2S，分布控制器 22可接收各个基准反应器中的基准控制单元输出的各个第一控制量 d和各个生物量浓度 S_2S，并将这些第一控制量 d和这些生物量浓度 S_2S取平均数后作为分布控制量 C_D的控制依据。

藻类培养的监控系统，尤其对于所述监控系统包括大量反应器的情形，一个区域中的多个反应器可当作一个虚拟的反应器进行监控。只需要选择其中一个光生物反应器作为基准反应器，其他作为分布反应器，且只需要监测基准反应器的 pH值和生物量浓度，而每一个分布反应器只需要监控生物量浓度即可完成对藻类培养液 pH值的控制，避免整个监控系统中每一个分布反应器上都安装昂贵的 pH值传感器，由此极大地降低了藻类培养的监控系统的资金投入，且由于减少了使用传感器的数量，还降低了整个系统的维护和运行成本。

同时分布反应器中 pH值的控制是一种具有自适应能力的比值控制（ratio control) , 可以通过调整分布控制量 C_D与第一控制量之间的比例来调整分布反应器中的 pH值，简单易操作，避免了使用复杂的微藻数学模型来模拟光生物反应器。分布控制量的控制方式并非局限于上述比例控制，还可以采用其他控制算法。

上述实施方式虽然以光生物反应器中藻类培养的监控系统为例，但也可以应用于多个并行的开放池藻类培养。本监控系统还可以应用于其他包括多个并行运行的生产单元内生产参数的控制，例如化工、石化、食品和半导体产业等。

图 4用于说明图 1所示监控系统的控制流程图。如图 4所示，藻类培养的监控系统的控制流程开始于步骤 S 10。

在步骤 S 12中，设置设定值 S_1S、控制周期 At、以及整个生产过程的周期 T。在藻类培养一种示意性实施方式中，设定值 S_1S取 7.0，控制周期取一分钟，生产周期 Τ取 200 小时，而后进入步骤 S 14。

步骤 S 14中，基准反应器 110的 pH值传感器 12和生物量浓度传感器 16，以及分布反应器 120的生物量浓度传感器 16采样，基准反应器 110的 pH值传感器 12输出与基准反应器 110中的 pH值相对应的第一信号 Si至基准控制单元 14，基准反应器 110的生物量浓度传感器 16输出与基准反应器 110中的生物量浓度基准信号 S_2S至分布控制器 22，分布反应器 120的生物量浓度传感器 16输出分布反应器 120中的生物量浓度分布信号 S_2D至分布控制器 22，而后进入步骤 S 16。

步骤 S 16中，基准控制单元 14依据设定值 S_{1 S}和第一信号 Si计算得到第一控制量 d，并将该第一控制量传输至基准反应器 110和分布控制器 22，分布控制器 22依据第一控制量 d、第二参数分布信号 S_2D和第二基准信号 S_2S计算得到分布控制量 C_D，并将该分布控制量 C_D传输至分布反应器 120中，而后 ¾入步骤 S 18。步骤 S18中，基准反应器 110通过第一控制量控制其中的第一参数，分布反应器 120通过分布控制量 C_D控制其中的第一参数。进入步骤 S20。

步骤 S20中，系统判断是否到达生产过程的生产周期 T，如果到达则进入步骤 S24，整个监控流程结束，否则进入步骤 S22。

步骤 S22中，判断是否到达控制周期 At，如果是则返回步骤 S14，否则返回步骤 S18。图 2用于说明藻类培养的监控系统另一种示意性实施方式的原理示意图，图 2中与图 1 相同的结构不再赘述，在本实施方式中，监控系统还包括一个修正生产单元 130，其选自与基准反应器 110 和分布反应器 120 为同区域另一个反应器，以下简称 "修正反应器 130")。修正反应器 130上同样安装有一个 pH值传感器 12和一个生物量浓度传感器 16。监控系统还包括一个修正控制器 32和一个修正单元 34。其中更具体地，如图 2所示，修正单元 34包括一个修正比较器 35和一个修正器 37，修正比较器 35可输入第三信号 S₃和设定值 S_1S，并输出设定值 S_1S和第三信号 S₃之差 S_1S- S₃至所述修正器 37，修正器 37依据设定值 S_1S和第三信号 S₃之差 S_1S - S₃产生 K_m。

藻类培养的监控系统中，可以将基准反应器、修正反应器和分布反应器中的 pH值传感器替换为溶氧量传感器，通过控制通入基准反应器、修正反应器和分布反应器中的空气的量来控制基准反应器、修正反应器和分布反应器中溶氧量的数值，且通入的空气的量越大，溶氧量越大。基准反应器、修正反应器和分布反应器中通入的空气量的控制可参考基准反应器、修正反应器和分布反应器中二氧化碳通入量的控制方法（即藻类培养液 pH值的控制），在此不再赘述。另外，藻类培养的监控系统的基准反应器、修正反应器和分布反应器中还可以同时设置 pH值传感器和溶氧量传感器，以同时控制基准反应器、修正反应器和分布反应器中的溶氧量和 pH值。

在藻类培养的监控系统一种示意性实施方式中，生物量浓度传感器为近红外光传感器。

pH值传感器 12可检测修正反应器 130内培养液 pH值的大小，并输出与 pH值相对应的第三信号 S₃至修正单元 34。生物量浓度传感器 16可检测修正反应器 130内的培养液的生物量浓度，并输出生物量浓度修正信号 S_2C至修正控制器 32。修正单元 34根据输入的第三信号 S₃和设定值 S_1S， 35和 37的工作，计算输出一个修正信号K_m到修正控制器 32，其中！^^的计算公式为：

— ^e

式中下标 m代表所述监测系统所处的第 m个控制循环，其中 m大于 1；

At代表控制周期；

e为设定值与第三信号之差（S_1S- S₃ );

和是所述修正反应器的设定参数，在实际操作中，可以通过现场调试确定 _£和的取值。 1¾„是修正单元在每一个控制周期内计算得到的数值，即前面所述比例系数 K的自适应调节， K=K_m。

修正控制器 32可根据输入的修正信号 K_m、第一控制量 d、生物量浓度修正信号 S_2C 和生物量浓度基准信号 S_2S计算输出一个修正控制量 C_c至修正反应器 130，以控制通入修正反应器 130中二氧化碳的量，其中修正控制量 Cc的计算公式为：修正单元 34输出的修正信号 K_m还输入分布反应器 120的分布控制器 22中，分布控制器 22依据修正信号 K_m、第一控制量 d、生物量浓度基准信号 S_2S和生物量浓度分布信号 S_2D计算输出分布控制量 C_D，其中分布控制量 C_D的计算公式为：

C_D - (K_m X S_2D I D x c_x 通过设置一个修正反应器以及其上安装的一个 pH值传感器和一个生物量浓度传感器，以及一个与修正反应器配套使用的一个修正控制器和一个修正单元，可以在每一个控制循环中调整修正信号 K_m，提高修正反应器中二氧化碳通入量的控制效果，即藻类培养液 pH 值的控制精度。修正单元可以采用比例积分的方式来调整修正控制量 C_c。同时，分布控制器 22中输入修正信号 K_m，分布控制器依据该修正信号 K_m运算得到分布控制量 C_D，本领域技术人员可以理解第一控制量 d相当于分布控制量 C_D的一次近似，而修正控制量 Cc 相当于分布控制量 C_D的二次修正，相比于图 1 实施方式，可以进一步提高分布反应器中 pH值的控制效果。分布控制量和修正控制量的控制方式并非局限于上述比例控制，还可以采用其他控制算法。

图 3a和图 3b显示了藻类培养的监控系统的运行效果仿真曲线图，其中图 3a为使用现有技术的藻类生长的数学模型控制藻类培养液 pH值得到的藻类生物量，而图 3b为使用如图 2所示的藻类培养监控系统控制藻类培养液 pH值得到的藻类生物量。这两个图中的横坐标为培养时间，纵坐标为生物量浓度。各图中每一条曲线分别代表一个反应器中的培养过程，由图 3a和图 3b对比可以看出，图 3a中不同曲线的斜率差别较大，表明不同反应器中藻类生物量差别较大（从 2. 1克 /升到 4.7克 /升），说明对不同反应器中 pH值的控制差别较大，部分反应器无法满足藻类优化生长的需要；图 3b 中不同曲线的斜率差别较小，不同反应器中藻类生物量都较高（从 4.0克 /升到 4.7克 /升），说明对不同反应器中 pH值的控制较好，能满足所有反应器中藻类优化生长的需要。

藻类培养的监控系统中还可以增加修正反应器的数量，每一个修正反应器可输出一个修正信号，分布反应器的分布控制器可分别输入这些修正信号，并将这些修正信号取平均值后作为分布控制器输出分布控制量的依据。

图 5用于说明图 2所示监控系统的控制流程图。如图所示，藻类培养的监控系统的控制流程开始于步骤 S30。

步骤 S32中，设置设定值 S_1S、控制周期 At、以及生产过程的生产周期 T。在藻类培养一种示意性实施方式中，设定值 S_1S取 7.0，控制周期 At取一分钟，生产周期 T取 200 小时，而后进入步骤 S34。

步骤 S34中，基准反应器 110的 pH值传感器 12和生物量浓度传感器 16，修正反应器 130的 pH值传感器 12和生物量浓度传感器 16，以及分布反应器 120的生物量浓度传感器 16进行数据采样，然后基准反应器 110的 pH值传感器 12输出第一信号 Si至基准控制单元 14，基准反应器 110的生物量浓度传感器 16输出生物量浓度基准信号 S_2S至修正控制器 32和分布控制器 22，修正反应器 130的 pH值传感器 12输出第三信号 S₃至修正单元 34，所述修正反应器 130的生物量浓度传感。器 16输出生物量浓度修正信号 S_2C至修正控制器 32，分布反应器 120的生物量浓度传感器 16输出生物量浓度分布信号 S_2D至分布控制器 22，而后进入步骤 S36。

步骤 S36中，基准控制单元 14依据设定值 S_1S和第一信号 Si计算得到第一控制量 d 并输出至基准反应器 110、修正控制器 32和分布控制器 22，修正单元 34依据设定值 S_1S和第三信号 S₃计算得到修正信号 K_m并输出至修正控制器 32和分布控制器 22，而后进入步骤 S38。

步骤 S38中，修正控制器 32依据所述修正信号 K_m、第一控制量 d、生物量浓度基准信号 S_2S和第二参数修正信号 S_2C计算得到修正控制量 C_c并输出至修正反应器 130，分布控制器 22依据第一控制量 d、修正信号 K_m、生物量浓度分布信号 S_2D和生物量浓度基准信号 S_2S输出分布控制量 C_D至分布反应器 120中，而后进入步骤 S40。

步骤 S40中，基准反应器 110通过第一控制量以控制其中的第一参数以及第二参数 (在本实施例中第一参数为 pH值，而第二参数为生物量浓度），修正反应器 130通过修正控制量 Cc 以控制其中的第一参数，分布反应器 120通过分布控制量 C_D以控制其中的第一参数，而后进入步骤 S42。

步骤 S42中，判断是否到达生产过程的生产周期 T，如果到达则进入步骤 S46，整个监控流程结束，否则进入步骤 S44。

步骤 S44中，系统判断是否到达控制周期 At，如果是则返回步骤 S34，否则返回步骤

S40。

上述的各控制单元、比较器、控制器可以是独立的控制装置，也可以是位于同一个控制装置上的不同模块。该控制装置可以是可编程逻辑控制器（PLC)、集散控制系统（DCS)、工控机等。

在本文中， "第一"、 "第二"、 "第三"等仅用于区别不同的传动器、信号等，不应理解为其表示它们之间的先后顺序和 /或重要程度。 "示意性"表示 "充当实例、例子或说明 "，不应将在本文中被描述为 "示意性" 的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1. 一种生产过程的监控系统，用于监控并行生产运作的复数个生产单元生产过程的生产参数，所述生产单元中包括至少一个基准生产单元（110)和至少一个分布生产单元（120)，其中：

所述基准生产单元（110) 至少设置有：

第一传感器（12) 和第二传感器（16)，其中所述第一传感器（12) 用于监测所述基准生产单元（110) 中的生产参数中的第一参数并可输出对应于所述基准生产单元 ( 110) 的所述第一参数的第一信号（S , 所述第二传感器（16)用于监测所述基准生产单元（110) 中的第二参数并可输出对应于所述基准生产单元（110) 的所述第二参数的第二参数基准信号（s_2S);

一个基准控制单元（14)，其可输入一个设定值（S_1S) 和所述第一信号（S ，并可根据所述设定值（s_ls)和其接收到的所述第一信号（s , 向所述基准生产单元（110) 输出可控制所述基准生产单元（110) 中的所述第一参数的第一控制量（d ); 而所述分布生产单元（120) 设置有：

第二传感器（16)，用于监测所述分布生产单元（120) 中的所述第二参数并可输出对应于所述分布生产单元（120) 的所述第二参数的第二参数分布信号（S_2D); 和分布控制器（22)，其可接收包括所述第一控制量（d )、所述第二参数基准信号（S_2S) 和所述第二参数分布信号（S_2D) 的输入信号，并向所述分布生产单元（120)输出分布控制量（C_D)，且所述分布控制器（22) 可控制所述分布控制量与所述第一控制量之比（C_D/ d ),使之参照所述第二参数分布信号（S_2D)与所述第二参数基准信号（S_2S) 之比 ( S_2D/ S_2S) 变化。

2. 如权利要求 1 所述的监控系统，其中所述生产单元中还包括至少一个修正生产单元 ( 130)，所述修正生产单元（130)至少设置有一个所述第一传感器（12)和一个所述第二传感器（16)，

所述第一传感器（12)可监测所述修正生产单元（130) 内的第一参数，并输出对应于所述第一参数的第三信号（S₃)，所述第二传感器（16) 可监测所述修正生产单元（130) 内的第二参数，并输出对应于所述第二参数的第二参数修正信号（S_2C);

所述的监控系统还包括：

一个修正单元（34)，其可根据接收到的所述第三信号（S₃)和所述设定值（S_1S)输出一个修正信号（K_m);

一个修正控制器（32)，其可根据接收到的所述修正信号（K_m)、所述第一控制量（d )、所述第二参数基准信号（S_2S) 和所述第二参数修正信号（S_2C)，向所述修正生产单元（130) 输出一个修正控制量（C_c)，且所述修正控制器（32)可控制所述修正控制量与所述第一控制量之比（C_c/ d )，使之参照所述第二参数修正信号与所述第二参数基准信号之比（S_2C/ S_2S) 变化。

3. 如权利要求 2所述的监控系统，其中

所述修正控制量（C_c) 的计算公式为：

c ― K^ _m x S I S ·) x C-^；曰.

所述分布控制量（C_D) 的计算公式为：

C_D - (K_m X S_2D I S_2S ) x c 。

4. 如权利要求 1所述的监控系统，中所述基准控制单元（14) 包括：一个基准比较器（15 )，其可输出所述设定值与接收的所述第一信号之差的第一差值信号 ( Sis- Si ) ; 和

一个基准控制器（17)，其根据所述第一差值信号（S - S 确定所述第一控制量（d )。

5. 如权利要求 3所述的监控系统，其中所述修正单元（34 ) 包括：

一个修正比较器（35 )，其可输出所述设定值与接收的所述第三信号之差的第三差值信号 ( Sis- S₃ ) ; 和

一个修正器（37)，其根据所述第三差值信号（S_1S- S₃ ) 确定所述修正控制量（K_m)。

6. 如权利要求 3所述的监控系统，其中所述修正信号（K_m) 的计算公式为：

式中下标 m代表所述监控系统所处的第 m个控制循环， At代表控制周期， e为所述设定值与所述第三信号之差（S_1S- S₃)， _e和是取决于所述修正生产单元的设定常数。

7. 如权利要求 1 所述的监控系统，其中所述生产过程为藻类的培养，所述生产单元为光生物反应器。

8. 如权利要求 7所述的监控系统，其中：

所述第一参数为所述光生物反应器内藻类培养液的 pH值，

所述第二参数为所述光生物反应器内所述藻类培养液的生物量浓度，

所述第一控制量（d ) 和所述分布控制量（C_D) 为通入所述藻类培养液的二氧化碳量，且所述藻类培养液的 pH值由通入其中的所述二氧化碳量控制。

9. 如权利要求 2所述的监控系统，其中所述生产过程为藻类的培养，所述生产单元为光生物反应器，其中：

所述第一参数为所述光生物反应器内藻类培养液的 pH值，

所述第一控制量（d )、所述分布控制量（C_D) 和所述修正控制量（C_c ) 为通入所述藻类培养液的二氧化碳量，且所述藻类培养液的 pH值由通入其中的所述二氧化碳量控制。

10. 如权利要求 7所述的监控系统，其中：

所述第一参数为所述光生物反应器内藻类培养液的溶氧度，

所述第二参数为所述光生物反应器内藻类培养液的生物量浓度，

所述第一控制量（d ) 和所述分布控制量（C_D) 为通入所述藻类培养液的空气量，且所述藻类培养液的溶氧度由通入其中的所述空气量控制。

11. 如权利要求 2所述的监控系统，其中所述生产过程为藻类的培养，所述生产单元为光生物反应器，其中：

所述第一参数为所述光生物反应器内藻类培养液的溶氧度，

所述第一控制量（d )、所述分布控制量（C_D) 和所述修正控制量（C_c ) 为通入所述藻类培养液的空气量，且所述藻类培养液的溶氧度由通入其中的所述空气量控制。

12. 如权利要求 8至 11之一所述的监控系统，其中测量所述生物量浓度的传感器为近红外光传感器。

13. 如权利要求 1所述的监控系统的控制方法，包括： I、设置所述设定值（S_1S)、控制周期（Δ ，以及所述生产过程的生产周期（T);

II、所述基准生产单元（110) 的所述第一传感器（12)和所述第二传感器（16)，以及所述分布生产单元（120) 的第二传感器（16) 采样，所述基准生产单元（110) 的所述第一传感器（12) 输出所述第一信号（S 至所述基准控制单元（14)，所述基准生产单元（110) 的所述第二传感器（16) 输出所述第二基准信号（S_2S) 至所述分布控制器（22)，所述分布生产单元（120) 的第二传感器（16) 输出所述第二参数分布信号（S_2D) 至所述分布控制器

(22)；

III、所述基准控制单元（14) 依据所述设定值（S_1S) 和所述第一信号（S 计算得到所述第一控制量 (d) 至所述基准生产单元（110)和所述分布控制器（22)，所述分布控制器（22) 依据所述第一控制量 (d)、所述第二参数分布信号（S_2D) 和所述第二基准信号（S_2S) 计算得到所述分布控制量（C_D) 至所述分布生产单元（120) 中；

IV、所述基准生产单元（110)通过所述第一控制量（d )控制其中的所述第一参数，所述分布生产单元（120) 通过所述分布控制量（C_D) 控制其中的所述第一参数；

V、判断是否到达所述生产过程的生产周期（T)，如果到达则整个监控流程结束，否则进入步骤 VI；和

VI、判断是否到达所述控制周期（Δθ，如果是则返回步骤 II，否则返回步骤 IV。

14. 如权利要求 13所述的监控系统的控制方法，包括：

I、设置所述设定值（S_1S)、控制周期（Δθ，以及生产过程的生产周期（T);

II、所述基准生产单元（110) 的所述第一传感器和所述第二传感器，所述修正生产单元 ( 130) 的所述第一传感器和所述第二传感器，以及所述分布生产单元（120) 的第二传感器采样，所述基准生产单元（110) 的所述第一传感器输出的所述第一信号（S 至所述基准控制单元（14)，所述基准生产单元（110) 的所述第二传感器输出的所述第二基准信号（S_2S) 至所述修正控制器（32) 和所述分布控制器（22)，所述修正生产单元（130) 的第一传感器输出的所述第三信号（S₃) 至所述修正单元（34)，所述修正生产单元（130) 的第二传感器输出的所述第二参数修正信号（S_2C) 至所述修正控制器（32)，所述分布生产单元（120) 的第二传感器输出的所述第二参数分布信号（S_2D) 至所述分布控制器（22);

III、所述基准控制单元（14) 依据所述设定值（S_1S) 和所述第一信号（S 计算得到所述第一控制量 (CO 至所述基准生产单元（110)、所述修正控制器（32)和所述分布控制器（22)，所述修正器（22)依据所述设定值（S_1S)和所述第三信号（S₃)计算得到所述修正信号（K_m) 至所述修正控制器（32) 和所述分布控制器（22);

IV、所述修正控制器依据所述修正信号（K_m)、所述第一控制量（d )、所述第二基准信号（S_2S)和所述第二参数修正信号（S_2C)计算得到所述修正控制量 (C_c)至所述修正生产单元

( 130)，所述分布控制器依据所述第一控制量 (d)、所述修正信号（K_m)、所述第二参数分布信号（S_2D) 和所述第二基准信号（S_2S) 计算出所述分布控制量（C_D) 至所述分布生产单元 ( 120)；

V、所述基准生产单元（110)通过所述第一控制量 (CO 以控制其中的所述第一参数，所述分布生产单元（120)通过所述分布控制量（C_D) 以控制其中的所述第一参数，所述修正生产单元（130) 通过所述修正控制量 (C_c)以控制其中的所述第一参数；

VI、判断是否到达所述生产过程的生产周期（T)，如果到达则整个监控流程结束，否则进入步骤 VII；和 VII、判断是否到达所述控制周期（Δθ，如果是则返回步骤 II，否则返回步骤 V。 15. 如权利要求 13或 14所述的控制方法，其中所述控制周期（ At )的范围为一秒钟到小时。