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微生物发酵过程的监控系统设计.pdf

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上海交通大学 硕士学位论文 微生物发酵过程的监控系统设计 姓名：修志龙 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：邵惠鹤 20060201 上海交通大学ShanghaiJiaoTongUniversity硕士学位论文 微生物发酵过程的监控系统设计 摘要 近年来，生物技术工业发展迅速，生物发酵技术和发酵装置作为 生物技术产业化的基础，已引起人们广泛的关注。微生物发酵过程， 机理十分复杂，影响因素错综复杂，很难用确定的数学模型来描述， 加之缺乏在线检测发酵生物量参数的传感器，给生物发酵自动化带 来了困难，因此开发一个能有效监控系统十分必要的。 本实验室根据微生物发酵过程的实际需要，开发了一套基于工 业以太网先进控制结构、采用最新嵌入式系统控制技术、具有完备 功能的监控系统、采用先进控制技术并具备高级算法扩展功能的微 生物发酵监控系统。它代表了发酵装置发展的最新方向。 本文总结了在研发微生物发酵过程的监控系统所作的工作。首 先介绍了微生物发酵原理和过程，明确控制参数和控制对象模型； 然后介绍了工业以太网控制系统结构；文中还介绍了针对微生物发 酵过程控制的重要参数，温度，对象具有的时滞、非线性等特性， 实施了积分分离PID控制，创新性地提出了指数积分PID控制和模 糊PID控制算法，并在实际应用中得到了良好得控制效果；文中还 介绍了微生物发酵过程的监控软件设计方法，利用LabWindows/CVI 开发环境开发了具有流程图显示、实时和历史趋势图显示、历史数 据保存、Excel格式报表、工业以太网通讯、自定义高级算法接口等 上海交通大学ShanghaiJiaoTongUniversity硕士学位论文 完备功能的监控软件；最后针对使用Rabbit2000作为嵌入式网络控 制器的不足，设计了基于ARM9高级嵌入式微处理器和嵌入式Linux 强大的嵌入式一体化机，并利用MSP430微控制器设计了具有高抗 干扰性、隔离的、能应用于恶劣工业环境的数据采集器，然后将多 个数据采集器通过RS485主从式总线连接到嵌入式一体化机，使系 统具有更好的可扩展性。 我们设计的微生物发酵监控系统已经在几家制药厂和高校得到 应用，得到广泛好评。我们的研究对促进我国微生物发酵过程的自 动化、信息化具有一定的积极推动作用。 关键字：发酵，指数积分，模糊控制，工业以太网， 嵌入式系统，信号隔离 上海交通大学ShanghaiJiaoTongUniversity硕士学位论文 DEVELOPMENTOFSUPERVISORAND CONTROLSYSTEMFORBIOLOGICAL FERMENTATIONPROCESS ABSTRACT Recently,withrapiddevelopmentofbiologicalindustry,biological fermentationtechniqueandfermentationequipment,whichisthebaseof industrializationoffermentationtechnique,hasattractedextensive attention.Mechanismofbiologicalfermentationprocessisquitecomplex, anditwillbeeasilyaffectedbymanyfactors,it’sveryhardtodescribe theprocesswithmathematicsmodel,what’smore,becauseoflackofon- linedetectingsensorofbiologicalparameters,soautomationofbiological fermentationisdifficult.It’snecessarytodevelopaneffectivesupervisor andcontrolsystemforit. WedevelopedaSCADAsystemwithfullfunctions,likeadvanced controlstructurebasedIndustrialEthernet,embeddedsystemtechnique andsoon.Advancedcontrolarithmeticisemployedwithinterfaceofthis system.Thissystemrepresentsprospectivedevelopmentdirection. 上海交通大学ShanghaiJiaoTongUniversity硕士学位论文