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谷氨酸发酵过程控制系统研究

作　者: 邹有锋
导　师: 强明辉
学　校: 兰州理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 生物发酵 模糊PID 软测量
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


发酵过程是借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来繁殖微生物菌体本身或制备代谢产物及次级代谢产物的过程。通过发酵过程可以产生出许多人类通过其他途径无法或者很难获得的合成物质。作为生物科技的四大技术体系之一，发酵技术是生物科技产业化的关键。发酵过程控制技术则是运用相关技术手段来控制温度、PH等相关环境参数以改善生物反应过程，它对于整个发酵过程的实验或生产至关重要。在发酵过程控制技术水平上，我国明显落后于先进国家。主要体现在发酵过程总体自动化水平不高，控制不精，甚至有些发酵车间采用传统的控制方式，操作人员仅凭着经验来实现营养物料的补加或发酵过程控制参数的调节。然而微生物发酵是生物化学反应过程，具有非线性、时变性和滞后等特点，难以建立准确的数学模型，而且受目前技术发展的制约，有些能够表征生物发酵过程的主要参数无法直接在线测量，使得控制过程更加复杂。近年来随着微电子技术、检测技术、自动控制技术和计算机技术的蓬勃发展，微生物发酵过程控制也将向自动化、数字化、智能化方面发展。基于上述背景，本文以谷氨酸发酵过程的控制为突破口，以谷氨酸发酵过程为研究对象，研究其过程工艺，运用先进的控制策略及软测量技术，研究设计出生物发酵过程控制系统。本文首先研究谷氨酸发酵过程工艺，选取相关可控参量，构建谷氨酸发酵过程控制系统。针对发酵温度对象大滞后和模型的不确定性，本文将串级控制和模糊PID控制相结合，着重研究大型发酵罐温度控制策略，并通过仿真实验验证该控制策略的可行性。针对发酵过程中重要参量菌体浓度无法直接在线检测的问题，文章采用RBF神经网络建模法，研究菌体浓度的在线软测量方法。本文最后研究设计了微生物发酵过程监控系统。

全文目录


摘要  7-8
Abstract  8-10
第1章 绪论  10-15
  1.1 课题的研究背景及意义  10-11
  1.2 研究现状及发展趋势  11-14
    1.2.1 研究现状  11-13
    1.2.2 发展趋势  13-14
  1.3 本文的研究内容  14-15
第2章 发酵过程工艺及发酵罐概述  15-19
  2.1 发酵过程工艺  15-17
    2.1.1 温度参数  15-16
    2.1.2 发酵过程PH参数  16
    2.1.3 发酵过程其他可控参数  16-17
  2.2 发酵罐概要  17-18
  2.3 本章小结  18-19
第3章 发酵过程温度对象特性及其控制研究  19-27
  3.1 发酵过程温控对象的动态特性  19-21
  3.2 大滞后过程控制方法的研究  21-26
    3.2.1 时滞特性的研究  21-22
    3.2.2 滞后现象对控制系统设计和运行的影响  22-23
    3.2.3 滞后过程的控制方法  23-26
  3.3 本章小结  26-27
第4章 基于模糊PID的发酵过程温度控制系统设计与仿真  27-42
  4.1 基于模糊PID算法的发酵温度串级控制方案设计  27-30
    4.1.1 发酵过程温度串级控制方案  27
    4.1.2 模糊控制概论  27-29
    4.1.3 模糊控制器  29-30
  4.2 模糊PID控制器  30-38
    4.2.0 模糊PID控制器概述  30
    4.2.1 模糊PID控制器的设计步骤  30-31
    4.2.2 模糊自整定PID控制器结构  31-32
    4.2.3 系统输入输出变量的确定  32-33
    4.2.4 PID参数模糊调整规则  33-38
  4.3 模型仿真实验  38-41
  4.4 本章小结  41-42
第5章 发酵过程菌体浓度软测量研究  42-51
  5.1 软测量技术概要  42-43
  5.2 人工神经网络概要  43-44
    5.2.1 人工神经网络的基本功能及其应用领域  43-44
    5.2.2 神经网络的分类  44
  5.3 RBF神经网络  44-47
    5.3.1 RBF神经网络概要  44-45
    5.3.2 RBF网络的训练  45-47
  5.4 菌体细胞浓度软测量建模  47-49
  5.5 仿真实验  49-50
  5.6 本章小结  50-51
第6章 谷氨酸发酵过程控制系统的设计  51-58
  6.1 发酵过程其他参量的控制方案设计  51-54
    6.1.1 发酵过程PH的控制  51-52
    6.1.2 发酵罐压力常规控制及风量控制  52-53
    6.1.3 生物发酵过程中的消泡控制  53-54
  6.2 谷氨酸发酵过程控制系统的设计  54
  6.3 系统的硬件方案设计  54-57
  6.4 本章小结  57-58
第7章 发酵过程控制上位监控系统的设计  58-65
  7.1 上位软件设计方案  58-59
  7.2 系统开始界面  59
  7.3 系统主监控界面  59-61
  7.4 系统趋势曲线  61-62
  7.5 数据报表  62-63
  7.6 系统报警  63-64
  7.7 本章小结  64-65
结论与展望  65-66
参考文献  66-69
致谢  69-70
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文  70

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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