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學(xué)院：藥學(xué)系 班級(jí)：09級(jí)臨床藥學(xué)班 姓名：張德群 學(xué)號(hào)：6303009023 生化工程參數(shù)檢測(cè)與控制系統(tǒng) 一、簡(jiǎn)介 1、作用和意義： 1) 最基本的第一手資料； 2) 過程穩(wěn)定地、可控制地進(jìn)行； 3) 生化工程優(yōu)化與放大的基礎(chǔ)； 4) 反映分子水平、細(xì)胞水平和工程水平問題——參數(shù)的相關(guān)分析，多尺度問題； 5) 對(duì)象特性的研究——模塊化、模型化、代謝流分析等； 計(jì)算機(jī)在發(fā)酵工程中的應(yīng)用與推廣起步較晚，這主要有以下幾個(gè)原因： 1) 生化反應(yīng)過程的內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜，很難采用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制技術(shù)對(duì)過程進(jìn)行有效的仿真和控制。 2) 缺乏在線測(cè)量發(fā)酵過程關(guān)鍵參數(shù)手段，如菌體濃度、基質(zhì)和產(chǎn)物濃度、以及反映菌體生理生化特性的在線檢測(cè)技術(shù)。 3) 由于微生物反應(yīng)過程的復(fù)雜性，以及菌體細(xì)胞對(duì)環(huán)境因子的高度敏感性，很難用合適的數(shù)學(xué)模型對(duì)生化過程進(jìn)行描述。 4) 由此而產(chǎn)生的發(fā)酵過程控制理論和方法的不完善，影響了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的推廣應(yīng)用。 5) 發(fā)酵過程生產(chǎn)一般規(guī)模較小（與石油化工及大化工生產(chǎn)相比），計(jì)算機(jī)投資費(fèi)用比例較高，不得不保守考慮。 2、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本組成： 1) 參數(shù)檢測(cè)儀表 2) 計(jì)算機(jī)硬件及其外圍系統(tǒng) 3) 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和控制軟件包 3、一些需要注意的問題 1) 在生物反應(yīng)器多尺度系統(tǒng)中，以參數(shù)相關(guān)為主要內(nèi)容的跨尺度觀察和操作是過程優(yōu)化的關(guān)鍵步驟，這種相關(guān)主要是在多參數(shù)時(shí)間趨勢(shì)曲線之間的關(guān)系中表現(xiàn)出來。由這些趨勢(shì)曲線可以看出檢測(cè)參數(shù)的多樣性、時(shí)變性、相關(guān)耦合性和不確定性，因而在傳感器系統(tǒng)配置、精度與漂移要求、以及應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)上都應(yīng)注意協(xié)調(diào)性和整體目標(biāo)性。 2) 以信息流、物質(zhì)流、能量流或者代謝流為核心的研究與觀察是發(fā)酵過程優(yōu)化的基本出發(fā)點(diǎn)，必需通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定資料才能有效分析，但是由于測(cè)定技術(shù)的局限性，造成研究數(shù)據(jù)的匱乏。因此，除不斷探索新的測(cè)量原理的傳感技術(shù)應(yīng)用外，也注意到在現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)上加強(qiáng)軟測(cè)量技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。此外，除了一些常規(guī)的離線實(shí)驗(yàn)室手工測(cè)定參數(shù)以外，細(xì)胞形態(tài)特性、胞內(nèi)代謝途徑中的酶活測(cè)定、基因表達(dá)的活性調(diào)控蛋白的測(cè)定以及RNA、DNA物質(zhì)測(cè)定，應(yīng)作為離線數(shù)據(jù)的重要內(nèi)容通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)分析。 3) 在軟測(cè)量技術(shù)中，除了一些代表菌體細(xì)胞生理活性或反應(yīng)器工程特性的間接參數(shù)以外，采用代謝流分配的化學(xué)計(jì)量法，在現(xiàn)有的在線測(cè)量數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室離線測(cè)量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)跨尺度的元素平衡算是重要的內(nèi)容。因此對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的參數(shù)傳感技術(shù)、實(shí)驗(yàn)室手工測(cè)定項(xiàng)目以及軟件設(shè)計(jì)具有嚴(yán)密性和接近實(shí)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)序連貫性，既可用于定性觀察，也可進(jìn)一步用于定量分析。 4) 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中還必需注意不同尺度范圍內(nèi)響應(yīng)的時(shí)尺度問題，例如把生物過程中“典型的時(shí)間常數(shù)”常被錯(cuò)誤地預(yù)期為等同于培養(yǎng)的整個(gè)持續(xù)時(shí)間，由此而造成錯(cuò)誤的研究結(jié)果。因此，必需對(duì)生物過程的不同的時(shí)尺度進(jìn)行分祈，根據(jù)不同要求配置測(cè)量系統(tǒng)的硬計(jì)和軟件。 二、生化工程參數(shù)的分類 1、物理參數(shù)： 例如：溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、流量、液位 2、化學(xué)參數(shù) 例如：pH、DO、EO2、ECO2、代謝物濃度 3、間接參數(shù) 例如：OUR、CER、RQ、KLa 三、生化工程參數(shù)檢測(cè)傳感器分類 1、非電量信號(hào)： 有源傳感器：按照能量變換原理，將各種非電量能源轉(zhuǎn)換為電能。 2、電量信號(hào)： 無源傳感器：按能量控制（或調(diào)節(jié)）原理，通過各種非電量來控制、調(diào)節(jié)電能。 表1 生化工程參數(shù)檢測(cè)傳感器分類 四、檢測(cè)儀表的品質(zhì)指標(biāo) 變送器——將非標(biāo)準(zhǔn)的電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 1、精度=(測(cè)量值-標(biāo)準(zhǔn)值)/儀表量程*100% 2、重現(xiàn)性、變差=最大絕對(duì)差值/儀表量程*100% 3、靈敏度=儀表輸出變化/引起變化的被測(cè)參數(shù)變化 4、長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性=穩(wěn)定性=絕對(duì)漂移/儀表量程*100% 5、響應(yīng)時(shí)間=儀表達(dá)到參數(shù)變化值63.2%所需的時(shí)間T 6、堅(jiān)固性=在各種惡劣環(huán)境下使用，上述品質(zhì)指標(biāo)的變化 五、控制基本原理 1、生化過程中兩種常用的控制系統(tǒng)： A 開環(huán)控制系統(tǒng) 補(bǔ)料 B 閉環(huán)控制系統(tǒng) 反饋表現(xiàn)為過程的輸出又反過來影響過程 溫度、pH 執(zhí)行器 控制器 調(diào)節(jié)對(duì)象 - 檢測(cè)元件 控制輸出 調(diào)節(jié)作用 被控變量 圖2 閉環(huán)控制系統(tǒng) 設(shè)定值 + 偏差 2、調(diào)節(jié)對(duì)象特性 放大系數(shù)： K=輸出量的變化/輸入量（控制機(jī)構(gòu)）的變化 時(shí)間常數(shù)T： 對(duì)象受到擾動(dòng)后，達(dá)到新的穩(wěn)定值所需時(shí)間。 滯后時(shí)間τ： 被控參數(shù)的變化落后于干擾 純滯后（傳遞滯后）、容量滯后、容量系數(shù)、自衡對(duì)象與無自衡對(duì)象 3、常用控制規(guī)律 二位式控制： 例如小型發(fā)酵罐溫度、pH控制、等幅震蕩、簡(jiǎn)單、控制品質(zhì)差 帶死區(qū)——降低開關(guān)頻率——可調(diào)節(jié)占空比的二位式控制 t占=p*e PID控制： 例如大型發(fā)酵罐溫度、pH、罐壓控制 P——比例控制 I——積分控制 D——微分控制 串級(jí)控制： DO-轉(zhuǎn)速串級(jí)控制 圖3 串級(jí)控制系統(tǒng) 4、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)用 a 數(shù)據(jù)采集： 改善數(shù)據(jù)測(cè)量的精度和可靠性 數(shù)字 統(tǒng)計(jì) 濾波 自動(dòng)標(biāo)定 增加傳感系統(tǒng)數(shù)量 種類增加 數(shù)字計(jì)算、降低經(jīng)濟(jì)費(fèi)用數(shù)據(jù)的保存 b 數(shù)據(jù)的處理和分析： 間接參數(shù) 物料衡算 工藝優(yōu)化與放大 c 過程控制： 常規(guī)模擬控制儀表與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)合： 程序控制(SPC, Stored Program Control) 微處理機(jī)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)合： 直接數(shù)字控制(DDC, Direct Digital Control ) 集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(DCS) d 模型建立與最優(yōu)化： 數(shù)學(xué)模型的建立： 動(dòng)力學(xué)模型、化學(xué)計(jì)量學(xué)模型 最優(yōu)化控制： 靜態(tài)最優(yōu)化、動(dòng)態(tài)最優(yōu)化 e 自適應(yīng)控制和系統(tǒng)識(shí)別： 過程的確定性，數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)的確定性？需要一個(gè)具有適應(yīng)能力的系統(tǒng)，修正控制規(guī)律——自適應(yīng)控制。 保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、參考模型自適應(yīng)控制系統(tǒng) 依據(jù)某一性能指標(biāo)最優(yōu)化的具有對(duì)象數(shù)學(xué)模型在線識(shí)別的自適應(yīng)控制系統(tǒng) f 大系統(tǒng)的多級(jí)遞階控制： 大規(guī)模控制系統(tǒng)——系統(tǒng)工程，不僅具有自動(dòng)控制功能，而且還有管理能力，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)化。 小系統(tǒng)的小局部最優(yōu)化、大系統(tǒng)的總體最優(yōu)化 圖4 過程控制級(jí)別 生產(chǎn)過程 1 生產(chǎn)計(jì)劃 2 生產(chǎn)控制、維持，物料與能量的平衡 3 單元過程控制 4 現(xiàn)場(chǎng)過程控制 市場(chǎng)波動(dòng) 生產(chǎn)平衡 產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量 組織生產(chǎn)，操作條件 操作條件，給定值 過程控制 狀態(tài)估計(jì) 設(shè)備與維持生產(chǎn)的狀態(tài)估計(jì) 參數(shù)檢測(cè) 六、一個(gè)典型的閉環(huán)控制回路 1、傳感器：非電量信號(hào)、電量信號(hào) 2、變送器：非標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào) 抗干擾、遠(yuǎn)程傳送 0-10mA 0-20mA 4-20mA 3、模擬量輸入(AI)與模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D) 將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。 4、工程量的轉(zhuǎn)換 8bit 12bit 16bit 將電壓(電流)值轉(zhuǎn)換為工程量的值 5、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示和計(jì)算、分析等 6、反饋控制計(jì)算與輸出 7、數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A)或數(shù)字量輸出(DO) 8、輸出信號(hào)放大器 9、執(zhí)行機(jī)構(gòu) 數(shù)據(jù)采集卡（(A/D) 圖5 溫度反饋控制系統(tǒng) 溫度探頭(熱電阻) 溫度變送器 電阻信號(hào) 4-20mA電流 生物反應(yīng)器 計(jì)算機(jī) 數(shù)字量 控制卡(D/A) 數(shù)字量 放大板 模擬量 繼電器 冷卻閥 加熱器 七、幾種典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 1、嵌入式系統(tǒng)： 嵌入式計(jì)算機(jī)是以嵌入式形式,將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和各個(gè)專業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合，是技術(shù)密集、不斷創(chuàng)新而又高度分散的知識(shí)集成系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)由硬件（嵌入式微處理器、外圍硬件）和軟件（嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序）兩部分組成。 2、可編程控制器（Programmable Logic Controller ，PLC）： 功能： 自動(dòng)控制 數(shù)據(jù)采集與處理 遠(yuǎn)程輸入/輸出以及網(wǎng)絡(luò)通訊 擴(kuò)展功能 特點(diǎn)： 穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng) 使用方便、體積小 功能強(qiáng)、可擴(kuò)展性好 3、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)： 利用可編程控制器、智能控制儀表和單片機(jī)等可以對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行常規(guī)的控制，但是由于其CPU運(yùn)行速度較慢、存儲(chǔ)器容量較小等因素的限制，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理能力相對(duì)較差。而生產(chǎn)過程的優(yōu)化與放大一方面要求能夠采集盡可能多的數(shù)據(jù)，另一方面要求能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行各種處理和分析，這些都需求較快的CPU速度和較大的存儲(chǔ)容量。因此可以利用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)來對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行直接數(shù)字控制（DDC，Direct Digital Control）以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理，從而實(shí)現(xiàn)過程的優(yōu)化與放大。 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)可以通過各種輸入/輸出卡直接對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制 4、常規(guī)模擬控制儀表與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合 由常規(guī)模擬控制儀表與計(jì)算機(jī)組成的二級(jí)控制系統(tǒng)常用來進(jìn)行程序控制(SPC, Stored Program Control)控制。該系統(tǒng)由常規(guī)模擬調(diào)節(jié)儀表完成基礎(chǔ)級(jí)自控，微型計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)進(jìn)行優(yōu)化控制，組成形式如圖6。 圖6 常規(guī)控制儀表與計(jì)算機(jī)組成的SPC控制系統(tǒng)框圖 常規(guī)控制部分： 對(duì)于常規(guī)控制系統(tǒng)來說，有單回路反饋控制系統(tǒng)、串級(jí)控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)和均勻控制系統(tǒng)等形式。后幾種常規(guī)復(fù)雜控制系統(tǒng)都是以單回路系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。 計(jì)算機(jī)控制部分： 微型計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)進(jìn)行優(yōu)化控制。有過程的數(shù)學(xué)模型，而模型的求取是整個(gè)優(yōu)化控制系統(tǒng)關(guān)鍵之一。 關(guān)于這種形式的控制系統(tǒng)有如下持點(diǎn)： (1)整個(gè)系統(tǒng)由常規(guī)調(diào)節(jié)儀表完成基礎(chǔ)級(jí)自控。計(jì)算機(jī)完成上位級(jí)優(yōu)化控制。系統(tǒng)相對(duì)來說比較可靠穩(wěn)定，對(duì)計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)性及可靠性要求不是十分嚴(yán)格，如計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍可由常規(guī)儀表進(jìn)行控制。 (2)對(duì)已有常規(guī)控制儀表的過程，采用這種方式的計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制，具有投資小、投運(yùn)快、見效明顯的優(yōu)點(diǎn)。 (3)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既保留了回路調(diào)節(jié)的靈活性和可靠性，使現(xiàn)有的各種成熟的簡(jiǎn)單或復(fù)雜回路調(diào)節(jié)技術(shù)得以靈活應(yīng)用，又能依靠計(jì)算機(jī)具有的很強(qiáng)的運(yùn)算能力和存貯容量，進(jìn)行各種復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的運(yùn)算和生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)信息的管理。 (4)需要常規(guī)控制儀表是這類控制系統(tǒng)的持點(diǎn)，同時(shí)又是它的缺點(diǎn)。 5、微處理機(jī)與計(jì)篡機(jī)控制系統(tǒng) 采用微處理機(jī)或可編程控制器對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行直接數(shù)字控制(DDC, Direct Digital Control )，上位機(jī)采用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化控制。這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式如圖7所示。 圖7 微處理機(jī)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)框圖 微處理機(jī)是指集成在一兩塊芯片上的帶有算術(shù)和邏輯單元、控制模塊和寄存器陣列的中央處理單元(即微處理器)與少量的內(nèi)存貯器相I/O接口。系統(tǒng)中微處理機(jī)配以A/D、D/A等轉(zhuǎn)換電路，取代了模擬控制器，能直接對(duì)幾十個(gè)控制回路進(jìn)行數(shù)字控制。 采用這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的另一種形式，是在DDC級(jí)采用可編程單回路控制器(PLC,Programmable Logic Controller)進(jìn)行控制。 6、集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(DCS)： 由常規(guī)模擬控制儀表組成的過程控制系統(tǒng)中，雖然具有可靠性高及操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，但也存在許多局限性： 難以實(shí)現(xiàn)對(duì)多變量相關(guān)對(duì)象的控制； 隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和工藝過程的復(fù)雜化，儀表大量增加，模擬儀表屏不斷增大，難以集中顯示相操作； 各子系統(tǒng)間信號(hào)聯(lián)系困難，無法組成分級(jí)系統(tǒng)； 對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相控制方式的改變需變換相應(yīng)儀表。 在隨后發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了許多復(fù)雜的高級(jí)控制規(guī)律和參數(shù)的集中顯示與操作，還具有控制稿度高、向上向下通信能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但由于控制作用也集中化了，用一臺(tái)計(jì)算機(jī)去控制幾十個(gè)甚至上百個(gè)回路，這必然會(huì)降低系統(tǒng)的安全運(yùn)行性能。 集散型控制系統(tǒng)吸收了模擬控制儀表和計(jì)算機(jī)控制的優(yōu)點(diǎn)，將控制功能和危險(xiǎn)性分散，而將參數(shù)顯示和操作、管理部分高度集中。因此，不僅具備極高的可靠性，而且能夠完成宜接數(shù)字控制、順序控制、批量控制、數(shù)據(jù)采集與處理、多變量解藕連控制以及最優(yōu)控制等功能。 集散型控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)(Computer)、通信(Communication)、CRT顯示和控制(Control)技術(shù)(簡(jiǎn)稱四C技術(shù))發(fā)展的產(chǎn)物。它采用危險(xiǎn)分散、控制分散，而操作和管理集中的基本設(shè)計(jì)思想，多層分級(jí)、合作自治的結(jié)構(gòu)形式，向計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制擴(kuò)展，將過程控制、監(jiān)督控制和管理調(diào)度進(jìn)一步結(jié)合起來，將企業(yè)行政事務(wù)信息與工廠控制系統(tǒng)集成為一的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，適應(yīng)了現(xiàn)代化的生產(chǎn)和管理要求。在生化工程大規(guī)模生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用。 圖8 集散控制系統(tǒng)示意圖 DCS系統(tǒng)具有下列持點(diǎn)： 松耦合的多處理機(jī)系統(tǒng)、可實(shí)現(xiàn)硬件積木化 軟件模塊化 控制系統(tǒng)用組態(tài)方法生成，DCS使用與一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完全不同的方法生成控制系統(tǒng)，這就是所謂“組態(tài)”。 通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，通信網(wǎng)絡(luò)是DCS的神經(jīng)中樞，它將物理上分散配置的多臺(tái)計(jì)算機(jī)有機(jī)地連接起來，實(shí)現(xiàn)相互協(xié)調(diào)、資源共享的集中管理。通過各級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)，將各種級(jí)別的計(jì)算機(jī)連接起來，組成各種規(guī)模的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)整體的最優(yōu)控制和管理。 可靠性高 DCS的高可靠性體現(xiàn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、采用冗余技術(shù)、自診斷功能和高性能的元器件上。 圖9 DCS系統(tǒng)的冗余結(jié)構(gòu)示意 相關(guān)文獻(xiàn)參照： 生物化學(xué)工程——譚天偉，2008-3第1版，化學(xué)工業(yè)出版社； 生化工程——王歲樓，熊衛(wèi)東， 2002年7月1日，第1版，中國(guó)醫(yī)藥科技出版社； 生化儀器分析與實(shí)驗(yàn)技術(shù)。