发酵过程中溶解氧的稳定控制方法、系统以及装置与流程

本发明涉及过程控制，特别是一种发酵过程中溶解氧的稳定控制方法、系统以及装置。

背景技术：

1、溶氧是发酵过程最重要的参数之一，溶氧的大小对菌体生长和产物的形成及产量都会产生不同的影响。并且，在发酵的不同阶段值，发酵微生物氧气需求量变化明显，并且很难确定。现有技术中，一般通过调整进气量来调整溶氧量。但是这种方式控制质量不好，稳定性不高，超调大，容易发生震荡。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施方式提出了一种发酵过程中溶解氧的稳定控制方法、系统以及装置，用于至少部分地解决上述技术问题。

2、第一方面，本技术实施方式提供了一种发酵过程中溶解氧的稳定控制方法，包括以下步骤：

3、获取溶解氧测量值do_pv和罐压测量值p_pv；

4、根据溶解氧目标值do_sp与所述溶解氧测量值do_pv的偏差△do基于pid算法计算初始进气控制量u1_do；

5、根据罐压目标值p_sp与所述罐压测量值p_pv的偏差△p基于pid算法计算初始排气控制量u1_p；

6、对所述初始进气控制量u1_do和所述初始排气控制量u1_p进行解耦处理以消除进气量与罐压、排气量与溶氧量之间的耦合关系，得到实际进气控制量u2_do和实际排气控制量u2_p；

7、基于所述实际进气控制量u2_do控制进气阀门的开度fl，基于所述实际排气控制量u2_p控制排气阀门的开度mv。

8、在一种实施方式中，还包括以下步骤：

9、根据所述初始进气控制量u1_do基于预设规则计算搅拌器的搅拌速度fr。

10、在一种实施方式中，所述预设规则表示为:

11、

12、其中，kstir为预设搅拌参数，fr_max为搅拌器的搅拌速度上限，fr_min为搅拌器的搅拌速度下限，fpump_min为用于驱动搅拌器的搅拌泵的泵速下限。

13、在一种实施方式中，对所述初始进气控制量u1_do和所述初始排气控制量u1_p进行解耦处理以消除进气量与罐压、排气量与溶氧量之间的耦合关系，得到实际进气控制量u2_do和实际排气控制量u2_p的步骤进一步包括：

14、计算解耦系数k11,k21,k12,k22；

15、基于所述解耦系数对所述初始进气控制量u1_do和所述初始排气控制量u1_p进行处理，得到实际进气控制量u2_do和实际排气控制量u2_p，其中，

16、所述实际进气控制量u2_do表示为：

17、u2_do＝u1_do×k11+u1_p×k12

18、所述实际排气控制量u2_p表示为:

19、u2_p＝u1_do×k21+u1_p×k22。

20、在一种实施方式中，所述发酵过程中溶解氧的稳定控制方法还包括以下步骤：

21、建立以溶氧量do和罐压p为被控变量、以进气阀门开度fl和排气阀门开度mv为控制量的二输入二输出的传递函数模型：

22、

23、其中，为传递函数阵gs；

24、对所述传递函数阵gs进行静态解耦，得到解耦系数矩阵ks，

25、在一种实施方式中，使用单位矩阵法对所述传递函数矩阵gs进行静态解耦。

26、在一种实施方式中，建立以溶氧量do和罐压p为被控变量、以进气阀门开度fl和排气阀门开度mv为控制量的二输入二输出的传递函数模型的步骤包括以下步骤：

27、建立发酵过程的溶氧量-压力控制模型：

28、

29、对所述溶氧量-压力控制模型各要素之间的关联性进行分析，剥离不具有关联性的要素g23，得到优化模型：

30、

31、对所述优化模型进行分解，得到一个耦合的二输入二输出模型和一个单输入单输出模型，其中，

32、所述耦合的二输入二输出模型为以溶氧量do和罐压p为被控变量、以进气阀门开度fl和排气阀门开度mv为控制量的二输入二输出的传递函数模型，其表示为：

33、

34、所述单输入单输出模型表示为：

35、do＝g13×fr。

36、在一种实施方式中，还包括以下步骤：

37、根据所述解耦系数矩阵k(s)，对pid算法的参数进行整定。

38、第二方面，本技术提供了一种发酵过程中溶解氧的稳定控制系统，包括：

39、溶解氧传感器，用以获取溶解氧测量值do_pv；

40、压力传感器，用以获取罐压测量值p_pv；

41、溶解氧pid控制器，与所述溶解氧传感器的输出端连接，其根据溶解氧目标值do_sp与所述溶解氧测量值do_pv的偏差△do基于pid算法计算初始进气控制量u1_do；

42、罐压pid控制器，与所述压力传感器的输出端连接，其根据罐压目标值p_sp与所述罐压测量值p_pv的偏差△p基于pid算法计算初始排气控制量u1_p；

43、解耦控制器，分别与所述溶解氧pid控制器、所述罐压pid控制器的输出端连接，其对所述初始进气控制量u1_do和所述初始排气控制量u1_p进行解耦处理以消除进气量与罐压、排气量与溶氧量之间的耦合关系，得到实际进气控制量u2_do和实际排气控制量u2_p；

44、控制单元，与所述解耦控制器的输出端连接，其基于所述实际进气控制量u2_do控制进气阀门的开度fl，基于所述实际排气控制量u2_p控制排气阀门的开度mv。

45、第三方面，本技术提供了一种，包括：

46、获取模块，用以获取溶解氧测量值do_pv和罐压测量值p_pv；

47、第一pid模块，用以根据溶解氧目标值do_sp与所述溶解氧测量值do_pv的偏差△do基于pid算法计算初始进气控制量u1_do；

48、第二pid模块，用以根据罐压目标值p_sp与所述罐压测量值p_pv的偏差△p基于pid算法计算初始排气控制量u1_p：

49、解耦模块，对所述初始进气控制量u1_do和所述初始排气控制量u1_p进行解耦处理以消除进气量与罐压、排气量与溶氧量之间的耦合关系，得到实际进气控制量u2_do和实际排气控制量u2_p；

50、控制模块，用以基于所述实际进气控制量u2_do控制进气阀门的开度fl；以及，基于所述实际排气控制量u2_p控制排气阀门的开度mv。

51、本发明实施方式的发酵过程中溶解氧的稳定控制方法、系统以及装置，基于pid算法根据溶解氧目标值do_sp与当前的溶解氧测量值do_pv的偏差△do计算初始进气控制量u1_do、以及根据罐压目标值p_sp与当前的罐压测量值p_pv的偏差△p计算初始排气控制量u1_p，然后对对初始进气控制量u1_do和初始排气控制量u1_p进行解耦处理以消除初始进气控制量u1_do与罐压测量值p_pv、初始排气控制量u1_p与溶解氧测量值do_pv之间的耦合关系，得到实际进气控制量u2_do和实际排气控制量u2_p，并根据实际进气控制量u2_do控制进气阀门的开度fl、基于实际排气控制量u2_p控制排气阀门的开度mv，从而消除了两控制回路的耦合关系。