青霉素发酵制度温度模糊控制

计算机测量与控制２００２　ｌ０（２）　Ｃｍｎｕｕｔｅｒ　Ｍｅａｓｍ－ｅｍｅｎｔ＆ＣｏｎｔｒｏＩ　・１１５・　文章编号：１６７１—４５９８（２００２）０２—０１１５—０３　中圈分类号：ＴＰ２７３．４　文献标识码：Ｂ　青霉素发酵罐温度模糊控制　张　粤　（淮阴工学院，江苏淮阴２２３００１）　摘要：以青霉素发酵罐温度控制系统为背景，从应用的角度介绍了模糊控制在青霉素发酵罐温度控制系统中的应　用及相关设计方法。　关键词：模糊控制；青霉素发酵罐温度控制系统　Ｆｕｚｚｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎ　Ｐｅｎｉｃｉｌｌｉｎ　Ｆｅｒｍｅｎｔ　ＺＨＡＮＧ　Ｙｌｉｅ　（Ｈｕａｉｙｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｙｉｎ　２２３００１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｒｏｍ　ａｐｐ］ｉｒａｔ］ｏｎ　ｐｏｉｎｔ　ｏｆ　ｗｅｗ．ｔｈｅ　ａｐｐ］ｉｅａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｎ　ｐｅｎｉｃｉｌｌｉｎ　ｆｅｒｍｅｎｔ　Ｅｔｒｅ　ｉｎ—　ｔｒ＜：ｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ—ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｐｅｎｉｃｉｌｌｉｎ　ｆｅｒｍｅｎｔ　青霉素发酵过程是分批间歇培养的次级代谢过　程，其反应机理十分复杂，存在很多不确定因素，且　对象的自身发热是依靠其代谢过程的，故是一个强非　线性和大滞后的被控对象，即罐内菌种生长越多，则　代谢越快，发热量越大，而在控制的初期则发热较　慢，再加上缺乏强有力的检测手段，无法获取有关过　程的重要信息如菌量等，因此很难对过程建立精确的　数学模型。用传统的控制策略往往难以获得令人满意　的控制品质，为＿ｒ进一步稳定操作工艺、优化技术参　数、提高产品质量，我们将模糊控制引入到了青霉素　发酵罐温度控制系统中，使控制器具有一定的自适应　能力及很强的鲁棒性和稳定性。本文基于这一工程背　景，介绍模糊控制方法在青霉素发酵罐温度控制系统　中的应用。　图ｌ青霉素发酵罐温度模糊控制系统　所示，其控制原理如下：由热电偶测量所得的ｆ时刻　发酵罐温度　与温度给定值　进行比较后，即可得温　度偏差ｅ　和温度偏差差分△　经真实论域到内部论　域变换后，根据输入隶属函数的定义可计算出输入变　量对各模糊集合的隶属度即转化为模糊值ｅｔ　、　△ｅ，　，再由ｅ、△ｅ及模糊控制规则，按照模糊推理　的合成法则，可进一步计算出相应地输出模糊向量，　撮后，通过解模糊判决可得到ｆ时刻的输出控制模糊　值　，经内部论域到真实论域变换后即可得ｆ时刻　与冷却水进水阀的开度相对应的输出控制确切值“。　１发酵罐温度模糊控制原理　青霉素发酵过程分为停滞期、菌体生长期、青霉　素生长期和衰退期等４个部分。其工作原理如下：青　２模糊控制　霉素发酵罐先用高温蒸汽进行灭菌灭毒，经自然冷却　后，注入营养液和培养种菌，进行纯菌的生物培养过　２．Ｉ模糊化　设输入变量ｅ／Ａｅ的内部论域为［一６，６］，并　程，并由搅拌器来保持罐内菌的均匀。青霉素的最佳　繁殖温度是２８＂Ｃ左右，由于菌种在繁殖过程中会产　各自定义７个模糊集合：ＰＬ（正的大发酵罐温度偏　生热量，故采用调节发酵罐夹套内冷却水进水量大小　差／偏差变化）、ＰＭ（正的中发酵罐温度偏差／偏差　变化）、ＰＳ（正的小发酵罐温度偏差／偏差变化）、ｚ　的方法，　保持罐内最佳繁殖温度。　青霉素发酵罐温度模糊控制系统原理图如图１　收稿日期：２００１一ｔ）３—２６。　作者简介：张粤（１９６６一），女，上海市人，讲师，硬士生，主　要从事电力电子与电力传动方向的研究。　（正的零发酵罐温度偏差／偏差变化）、ＮＳ（负的小发　酵罐温度偏差／偏差变化）、ＮＭ（负的中发酵罐温度　偏差／偏差变化）、ＮＬ（负的大发酵罐温度偏差／偏差　变化），其隶属函数如表１所示。设输出变量“的内　部论域为［一６，６］，并定义７个模糊集合：ＰＬ（进　维普资讯 http://www.cqvip.com

１ｌ６　计算机测量与控制　第ｌ０卷　水阀全开）、ＰｌⅥ（进水阀多半开）、Ｐｓ（进水阀大半　一６、△ｅ　＝一６相对应）求出相应地输出模糊向量　开）、ｚ（进水阀半开）、ＮＳ（进水阀小开）、ＮＭ　Ｕ　＝（Ｅ　×△Ｅ　）口Ｒ＝［０，０，０，０，０，０，０，　（进水阀微开）、～Ｌ（进水阀全闭），其隶属函数如　０，０．２，０．２，０．２，０．８，１］，又因被控对象只能接　表１所示。　受一个确切的控制量，故采用最大隶属度法“　“　进行解模糊以获得相应的输出“　＝６。将它们整理　表１　Ｅ、△Ｅ、Ｕ的隶属函数表　后得到的模糊控制查询表如表３所示。　、黎　醯　加　、“‘的论域　一６　５　４　３　２　—１　ｎ　１　２　３　４　５　表３模糊控制查询表　０　０　０　０　０　０　Ｏ　０．２　０．８　Ｐ　模　ＰＭ　０　０　０　０　０　０　２　０　８　１　０．８　糊　ＰＳ　０　０　０　０　２　０．８　１　０　８　０　２　０　６——５——４—。３——２——１　０　１　２　３　４　５　６　舅　Ｚ　０　０【Ｊ　０　０　８　１　０．８　００　０　６　６　６　６　５　４　４　４　３　２　Ｊ　２　２　１　０　Ｍ　０　０　０　２　０．８　０　８ｊ　０　２　０　０　０　５　６　５　５　５　４　３　３　３　２　｛１　１　０　１　台　ＨＭ　Ｏ　２　０　８　１（Ｉ＋８　０　２　０　ｌ　００　０　０　０　０　０　４　６　５　４　４　４　３　２　２　２　１　０　—１　２　ｍ　１　０　８　０　２　０　００　０　１　０　０　０　０　（）　０　３　５　５　４　３　３　３　２　１　１　０　１　—１　—２　２　４　４　３　２　２　２　１　Ｏ　—１　—２　２　１　３　３　３　２　１　１　０　一１　—１　—２　３　３　２．２模糊关系和模糊控制表　‘０　３　２　２　２　１　０　—１　—２　—２　２　３　一ｄ　设计模糊控制器的核心是模糊规则集的建立。建　１　３　２　１　１　０　１　１　２　３　—３　—３　４　２　１　２　２　０　１　２　２　２　一３　一ｄ　—４　４　立模糊规则集一般足根据工艺操作人员总结的经验，　３　２　１　１　１　１　—２　３　３　３　一４　—５　—５　抽取相应的模糊规则。或用模糊聚粪分析方法由控制　１　４　２　１　０　２卜２　—２　３　４　４　４　—５　—６　器已有的输入输出样本中自动提取。首先，根据线性　　Ｊ５　１　０　１　—２　Ｊ一３　　ｌ３　３　ｄ　—５　—５　—５　６　　１６　０　２　—２Ｉ　３　ｄ　ｄ　—ｄ　一５　—６　６　６　设计方法获取初步控制规则，其次，考虑实际经验及　现场控制情况对上述控制规则作适当修改，最后得模　２　３实时控制　糊控制规则如表２所示。　在实际控制系统中，　时刻的温度偏差　和温度　偏差差分△ｅ，经论域变换后，转化为模糊值ｅ，　、　丧２模糊挖制规则表　△ｅ，　，而后查询表３即可得到ｔ时刻的输出控制模　ＮＬ　ＮＭ　ＮＳ　ｚ　Ｊ　ＰＳ　ＰＭ　ＰＬ　糊值“，　，在此基础上，再乘以输出量化因子即可得　ＮＬ　ＰＩ　Ｌ　ＰＭ｛ＰＭ　ｊ　Ｐ５　ＰＳ　Ｚ　时刻的输出控制确切值。　～Ｍ　ＰＬ　ＰＭ　ＰＭ　ＰＳ　ＰＳ　Ｚ　Ｓ　ＮＳ　ＰＭ　ＰＳ　Ｚ　３硬件系统　Ｚ　ＰＳ　Ｚ　ＮＳ　ＮＭ　ＰＳ　ＰＳ　Ｚ　ＮＳ　ＮＳ　ＮＭ　随着４Ｃ技术（（￣ｏｍｐｕｔｅｒ，Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｃｏｍｍｕｎｉｅａ—　Ｉ　ＰＭ　ＰＳ　Ｚ　ＮＳ　ＮＳ　ＮＭ　№　Ｉ　ＰＬ｝Ｚ　ＮＳ　ＮＳ　～Ｍ　ＮＭ　№　ｔｉｃａ￣，ＣＲＴ）及监控软件的发展，前台使用上位机监　控，后台使用数据库管理的系统模式已成为微机控制　为了表述方便，将Ｅ、△Ｅ、ｕ的模糊集合　系统的流行趋势，根据现场设备的实际分布情况及系　＂４Ｉ　、ＮＭ、ＮＳ、ｚ、ＰＳ、ＰＭ、ＰＬ分别用Ｅ　、　统需求的分析，青霉素发酵罐温度模糊控制系统配置　△Ｅ．、Ｕ１（　７－－１）表示，根据表２即可得到与规则１：　了主控制站和若干远程站，主体框架结构如图２所示　主控制站由两台互热备用的工业控制计算机（研　ＩＦ　Ｐ’＝ＮＬ　ＡＮＤ△ｅ　＝Ｍ　ＴＨＥＮ“’＝ＰＬ相对　华工控机、配备三星２ｌ　大屏幕监视器）、通讯切换　应地模糊关系Ｒｌ＝Ｅ　７×△Ｅ７×Ｕ】（Ｅ７×△Ｅ　７×Ｕ】　装置、打印机及可编程序控制器（ｓ７—３００　ＰＬＣ）组　是模糊集合的笛　儿积），其余关系以此类推。据此　成，作为系统的控制和管理中心。系统通过双机切换　４９　可得总的模糊关系Ｒ＝Ｕ　Ｒ　，按照模糊推理的合成　法则，对某一模糊特征向量Ｅ　、△Ｅ　，进一步可求　出相应地输出模糊向量Ｕ　＝（Ｅ　×△Ｅ　）］Ｒ，最　后，通过解模糊判决即可求出输出的精确量。　在本次设计中，考虑到在实时控制中采用大量的　矩阵运算将延误控制，因此在实际编程时，采用离线　的方式对每一对模糊特征向量如Ｅ　：ｆ１，０，…，　０］　、ＡＥ　＝［１，０，…，０］Ｔ（与表３中输入　＝　图２硬件系统主体框架结构图　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２期　张粤：青霉素发酵罐温度模糊控制　ｌ１７　装置设定任意～台工控机作为控制主机，执行对下位　机的管理、数据采集、数据处理、修改控制参数和运　行参数，负责系统的监控、记录、报警、打印等功　能，并提供直观的流程界面和控制界面。　现场控制系统主要由西门子公司ｓ７—３００系列的　可编程序控制器（１＇－位机）及其远程站组成。下位机　配备了中央处理模块、ＰＣ通讯模块，负责现场运行　数据的采集和控制命令的发进，同时接收主控机下发　的参数设定指令和运行指令，对温控系统进行现场控　制。各远程站配置ｒ远程通讯模块，组成ＥＴ２００Ｍ　分布式Ｉ／ｏ系统，并由通讯模块ＩＭ１５３通过工业现　场总线网接受ｓ７一ＰＩ　ｃ的指令，完成实际设备的输　入输出控制。　４软件设计　在车次设计中，考虑到组态软件的实时性、特殊　的ＰＩ　ｃ通讯功能等方面的局限性，系统主控软件采　用当前流行的多媒体开发＿［具Ｖ／３进行开发。　主控软件主要包括界面程序、低层程序、报表处　理程序三部分。其中，界面程序主要处理筮酵罐温度　模糊控制系统的控制流程及相关画面的显示，并根据　现场控制站采集到的信息自动刷新所激活的画面，以　实现实时的动态画面，除此之外，在主机控制系统运　行过程中，一旦画面数据发生变化，界面程序应能将　该变化通知低层程序以执行相应的操作；低层程序主　要处理控制算法、主机与ＰＬＣ之间的通讯、现场实　时数据的存取；报表处理程序主要处理系统运行产量　的统计、汇总及报表打印。　为了能使主控站的主控机与ＰＬＣ建立正确的数　据通讯，主控机与ＰＣ通讯模块的通讯环境必须完全　匹配，即双方必须具有相同的通讯协议。在本次系统　设计中，主控机经ＰＣ的ＲＳ２３２异步串行通讯口直接　与下位机（ｓ７—３００　ＰＬＣ）的串行通讯处理模块　ＣＰ３４０相连，以点对点方式实现ＰＬＣ与ＰＣ之间的数　据交换。该通讯模块内部集成的３９６４Ｒ通讯协议是　一种半双工无差错传输协议，提供了数据校验与差错　重发机制，其结构和层次关系与ＯＳＩ参考模型相对　应，覆盖了ＯＮＩ参考模型的物理层与数据链路层。　它的最高传输速率达１９．２Ｋｂａｕｄ（半双工），其串行　通讯的数据帧格式如图３所示。　根据３９６４Ｒ协议实现的特点，我们首先在工控　ｊ兰三．旦　ｌ！　１　１．ＳＩＸ：请求发送控制符（０２Ｈ）２．ＤＩ．Ｅ：确认／结束控制符（１０Ｈ）　３　ＥＴＸ：正文结束控制符（Ｄ３Ｈ）４．ＢＣＣ：数据校验和　５．ＮＡＫ：请求拒绝控制符（１５Ｈ）　图３　串行通讯的数据帧格式　程序主窗体的Ｌｏａｄ事件中调用ＡＰＩ函数ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ　（）刨建通讯端１２１，并对通讯端１２１进行必要的初始化　设置（如设置串行通讯口传　输模式、波特率、数据格式　及超时等）。其次，通过　ＳｅｔＣｏｍｍＭａｓｋ、　ＷａｉｔＣｏｍ—　ｍｔ￣ｖｅｎｔ函数设置相应的触　发事件，以监视通讯端口是　否有表示数据到达的通讯事　件发生，从而避免困调用　ＲｅａｄＦｉｌｅ（）等待数据到来　而阻塞串行口。相应的主控　实现框图如图４，图５所示。机与ＰＩ　ｃ之间的通讯协议　　图４　图５　５结论　本文介绍了青霉素发酵罐温度模糊控制系统的设　计与开发，该系统包括以下主要功能：对各种待监测　对象的实时动画监控；对运行设备状态数据的实时采　集、处理、存赭、报警及打印；台法用户的帐号管理　及操作记录；实时及历史数据的维护和管理。　以上设计的模糊控制器已成功的应用于青霉素发　酵罐温度控制系统，取得了良好的控制效果。系统超　调量小、控制性能稳定、抗干扰能力强，且算法简　单、执行快。　参考文献：　［１】张乃尧，阎平凡神经网络与模螂控制［Ｍ】北京：清　华大学出版社．１９９６　［２］倪伟，张粤．谏壁发电厂电除尘排干灰集散控制系统的研　究与开发［Ｊ］．计算机自动删量与控制，１９９９．７（４）：２０—２２．　［３］王常力，廖道文集散型控制系统的设计和应用［Ｍ１　北京：清华大学出版社，１９９３