专利名称：用于大宗发酵产品的非线性综合节能控制系统与方法
技术领域：
本发明涉及一种用于大宗发酵产品的非线性综合节能控制系统与方法。
背景技术：
近几年国内不少抗生素生产企业虽采用了自动控制系统，但很少涉及立体化、多层次的智能模糊控制技术，极少涉及以节能减排为目标的多元化、多变量、多参数测量补偿最优控制。一般情况制药工厂所谓的节能措施只是对电机进行简单的变频控制，难以处理信息量巨大、算法复杂的大容量、大滞后、非线性、多相的生物生命系统的过程参数的优化控制。 这种简单的变频调节方式是根据发酵过程的经验数据，进行简单的阶梯形调节搅拌电机的转速或调节风机的排风量。如果环境的温度、湿度、酸碱度、溶氧、搅拌效果、震动条件、系统传递误差等发生变化，很可能会导致药效下降或批次性生产报废，产生巨大的资源和能源的浪费。
发明内容
本发明的目的是针对现有生物制药技术中的电能的利用效率较低的问题，提供一种用于大宗发酵产品的非线性综合节能控制系统与方法。本发明提供的一种用于大宗发酵产品的非线性综合节能控制方法主要涉及，确定相关参数对药效影响的权重系数，以不改变制药效价为前提，以总电耗最低为目标函数，确定发酵过程的控制策略。所述相关参数可以包括通气速率、搅拌转速温度、震动、溶氧和PH值。所述目标函数可以通过数学模型动态实时调整而得。本发明的具体操作方式例如为传感器将信号传输给信号检测单元，信号检测单元将进行处理后的信号传输给误差仿真器和中央控制系统，中央控制系统判读相关参数，确定相关参数对药效影响的权重系数，以不改变制药效价为前提，通过参数分析模块实时计算出总电耗最低的目标函数，从而通过程序分析函数上各项参数，确定最优的设备输出变量，传入误差仿真器的信号通过补偿后再次传输给中央控制系统，中央控制系统结合谐波情况、电机控制情况提供补偿策略，补偿策略反馈给误差仿真器，当中央控制器二次接收至IJ经过补偿后的信号后，结合三电平矢量控制、谐波利用信号、功率因数、电压、电流波形信号对比一次处理中得出的最优设备输出变量，综合分析处理后，向整流逆变驱动单元发出指令，提供驱动信号。所述控制策略所采用的最优搅拌频率计算方法可以为最优搅拌输出频率=温度目标频率* 0. 1+震动目标频率* 0.05+通气量目标频率* 0. 1+溶氧目标频率★ 0. 5+酸碱度目标频率★ 0. 1+料液流动性目标频率★ 0. 05+压力目标函数* 0. I。
本发明还涉及用于大宗发酵产品的非线性综合节能控制系统，其包括能够实现上述控制方法的中央控制系统单元、整流逆变系统单元、驱动协调单元、信号检测单元及传感器、误差数字仿真器和谐波抑制单元。各部分可以分别按照如下方式进行设置中央控制系统包括微计算机、信号处理电路、监控系统、指令接收器；整流逆变系统包括整流、滤波、逆变、频率调节、自动保护用的切换装置；驱动协调单元包括功率分析、能量叠加；信号检测单元及传感器包括温度传感器、压力传感器、溶氧仪、PH分析仪、震动传感器及电压电流等传感器及处理电路；误差数字仿真器包括预置单元，译码单元，补偿控制，整形与伺服系统，信号优化 电路；谐波抑制单元包括谐波采样单元，谐波补偿单元，滤波单元。本发明解决了现有生物制药技术中的电能的利用效率较低的问题，能够在不影响生物发酵效果的前提下，最大能力提高电能的利用效率。
图I为用于大宗发酵产品的非线性综合节能控制系统原理图；图2为用于大宗发酵产品的非线性综合节能控制系统结构图；图3为用于大宗发酵产品的非线性综合节能控制系统核心结构框图。图4-1到图4-6依次为药效随温度、频率、发酵时间、PH值、溶解氧、通气量的变化曲线。
具体实施例方式本发明包括多方面新技术的应用，其中包括抗生素发酵过程代谢特性、动力学理论、误差数字仿真技术、信息传感采集技术、新型电机矢量控制技术、谐波抑制能量转化技术、模糊控制技术、计算机仿真技术为基础，以实现生物发酵综合目标为前提，提高有功电能利用率和优化过程控制为手段，并且结合了国外先进的生物化工、自动控制、数字变频、能源转换、提高效率、减少误差等领域的技术，是一种用于大宗发酵产品的非线性综合节能控制系统和方法。如图I所示，该控制系统的工作主要涉及通过中央计算机(中央控制系统)接收传感器输入谐波抑制单元得到的信号反馈以及模拟量输入数据采集器得到的数据；中央计算机与触摸显示器和驱动单元的交互；驱动单元与谐波抑制单元的交互；驱动单元对电机进行驱动输出；电机通过传动机构对发酵罐进行搅拌。如图2所示，发酵罐上设置的各种传感器通过信号采集器向发酵用节电器(工作原理如图I所示)提供数据信号，驱动电机通过皮带轮变速传动机构对发酵罐进行搅拌。如图3所示，该控制系统的核心部分(相当于图2中的发酵用节电器)包括中央控制系统单元、整流逆变系统单元(本单元中采用了部分变频技术)、驱动协调单元、信号检测单元及传感器、误差数字仿真器、谐波抑制单元。中央控制系统包括微计算机、信号处理电路、监控系统、指令接收器；整流逆变系统包括整流、滤波、逆变、频率调节、自动保护用的切换装置；
驱动协调单元包括功率分析、能量叠加；信号检测单元及传感器包括温度传感器、压力传感器、溶氧仪、PH分析仪、震动传感器及电压电流等传感器及处理电路；误差数字仿真器包括预置单元，译码单元，补偿控制，整形与伺服系统，信号优化电路；谐波抑制单元包括谐波 采样单元，谐波补偿单元，滤波单元。研究发酵过程微生物呼吸代谢变化规律，确定细胞生长和产物合成阶段的酸碱度、料液粘稠度、温度、溶解氧特性。研究发酵过程中，电机搅拌引起的料液翻动方式与微生物呼吸代谢变化规律。研究发酵过程中不同发酵阶段通气速率、搅拌转速、温度、震动、溶氧、酸碱度等参数的变化对药效的影响。通过对发酵过程特性进行辨识、并对反应器容量效应进行研究，建立自适应、自学习、自诊断的数学模型，确定相关参数的影响权重，将发酵过程进行数学建模，并且按照数学模型进行自动策略调整，从而实现动态实时调整，从而提高能量利用效率与发酵效果的最优化。建立制药对象发酵过程的模糊控制和神经网络控制系统，对药效的所有影响因素进行权重研究(如图4-1到图4-6的示例，依次为药效随温度、频率、发酵时间、PH值、溶解氧、通气量的变化曲线，)，变化趋势如图所示，结合发酵产品得实际生产中得工艺参数就可以确定，以下列权重算法进行计算，就可以保证总电耗最低为目标，确定全发酵过程的控制策略。在正常运行时，传感器将信号传输给信号检测单元，信号检测单元将进行处理后的信号传输给误差仿真器和中央控制系统，中央控制系统判读通气速率、搅拌转速温度、震动、溶氧、PH值等参数，确定相关参数对药效影响的权重系数，以不改变制药效价为前提，通过参数分析模块实时计算出总电耗最低的目标函数，从而通过程序分析函数上各项参数，确定最优的设备输出变量。传入误差仿真器的信号通过补偿后再次传输给中央控制系统，中央控制系统结合谐波情况、电机控制情况提供补偿策略，补偿策略反馈给误差仿真器，当中央控制器二次接收到经过补偿后的信号后，结合三电平矢量控制、谐波利用信号、功率因数、电压、电流波形信号对比一次处理中得出的最优设备输出变量，综合分析处理后，向整流逆变驱动单元发出指令，提供驱动信号。这样就能在保障药效的前提下能够最大限度地将制药系统的用电量降低；或者在现有用电量的基础上能够最大限度地将药效提高，提高电能的转换效率。另外系统中央控制器具有故障自切换功能，当温度、震动等指标超过警戒值时，中央控制系统可以直接控制芳路系统，将揽祥机和空压机接入市电运彳丁，冋时中央控制系统通过监控界面或信号灯给操作人员提示报警。本发明一种用于大宗发酵产品的非线性高效节能控制策略方法，研究不同发酵阶段温度、震动、通气量、溶氧、酸碱平衡度对系统药效的影响，研究不同调节手段对药效的影响权重，并根据药效变化和系统传感器参数变化判断出下一步控制的最优搅拌频率值。具体最优搅拌频率计算方法如下最优搅拌输出频率=温度目标频率*0. 1+震动目标频率*0. 05+通气量目标频率*0. 1+溶氧目标频率*0. 5+酸碱度目标频率*0. I温度目标频率当Al〈温度〈A2时，目标频率=当前频率，当温度〈Al时，目标频率=当前频率+1，频率上限为50HZ。当温度>A2时，目标频率=当前频率+1，频率上限为50HZ。震动目标频率当震动振幅〈B,目标频率=当前频率， 当震动振幅>B，目标频率=当前频率-I，频率的下限时36HZ。通气量目标频率当通气量>C时，目标频率=当前频率，当通气量〈C时，目标频率=当前频率+1。溶氧目标频率当Dl〈溶氧值〈D2时，目标频率=当前频率，当溶氧值〈D1时，目标频率=当前频率+1，频率上限为50HZ时。当溶氧值>D2时，目标频率=当前频率-1，频率下限为36HZ时。酸碱度目标频率当El〈酸碱度〈E2时，目标频率=当前频率，当酸碱度〈E1时，目标频率=当前频率+1，频率上限为50HZ。当酸碱度>E2时，目标频率=当前频率+1，频率上限为50HZ。其中A1、A2、B、C、D1、D2、E1、E2，这些函数需要需要药业工艺实验时进行样品数据采集摸索。如，青霉素我们摸索的这个值如下Al=40° C、A2=70° C、B=0. 24mm、C=0. 8MPa、Dl=最高溶氧峰值的40%、D2=最高溶氧峰值的80%、E1=6. 95、E2=6. I。
权利要求
1.一种用于大宗发酵产品的非线性综合节能控制方法，其特征在于，确定相关参数对药效影响的权重系数，以不改变制药效价为前提，以总电耗最低为目标函数，确定发酵过程的控制策略。
2.根据权利要求I所述的一种用于大宗发酵产品的非线性综合节能控制方法，其特征在于，所述相关参数包括通气速率、搅拌转速温度、震动、溶氧和PH值。
3.根据权利要求I所述的一种用于大宗发酵产品的非线性综合节能控制方法，其特征在于，所述目标函数通过数学模型动态实时调整而得。
4.根据权利要求3所述的一种用于大宗发酵产品的非线性综合节能控制方法，其特征在于，具体方式为传感器将信号传输给信号检测单元，信号检测单元将进行处理后的信号传输给误差仿真器和中央控制系统，中央控制系统判读相关参数，确定相关参数对药效影响的权重系数，以不改变制药效价为前提，通过参数分析模块实时计算出总电耗最低的目标函数，从而通过程序分析函数上各项参数，确定最优的设备输出变量，传入误差仿真器的信号通过补偿后再次传输给中央控制系统，中央控制系统结合谐波情况、电机控制情况提供补偿策略，补偿策略反馈给误差仿真器，当中央控制器二次接收到经过补偿后的信号后，结合三电平矢量控制、谐波利用信号、功率因数、电压、电流波形信号对比一次处理中得出的最优设备输出变量，综合分析处理后，向整流逆变驱动单元发出指令，提供驱动信号。
5.根据权利要求I所述的一种用于大宗发酵产品的非线性综合节能控制方法，其特征在于，所述控制策略所采用的最优搅拌频率计算方法如下 最优搅拌输出频率=温度目标频率* 0. 1+震动目标频率* 0. 05+通气量目标频率*0.1+溶氧目标频率★ 0. 5+酸碱度目标频率★ 0. 1+料液流动性目标频率★ 0. 05+压力目标函数* 0. I。
6.用于大宗发酵产品的非线性综合节能控制系统，其特征在于，包括能够实现权利要求4所述的控制方法的中央控制系统单元、整流逆变系统单元、驱动协调单元、信号检测单元及传感器、误差数字仿真器和谐波抑制单元。
7.根据权利要求6所述的用于大宗发酵产品的非线性综合节能控制系统，其特征在于， 中央控制系统包括微计算机、信号处理电路、监控系统、指令接收器； 整流逆变系统包括整流、滤波、逆变、频率调节、自动保护用的切换装置； 驱动协调单元包括功率分析、能量叠加； 信号检测单元及传感器包括温度传感器、压力传感器、溶氧仪、PH分析仪、震动传感器及电压电流等传感器及处理电路； 误差数字仿真器包括预置单元，译码单元，补偿控制，整形与伺服系统，信号优化电路； 谐波抑制单元包括谐波采样单元，谐波补偿单元，滤波单元。
全文摘要
本发明针对现有生物制药技术中的电能的利用效率较低的问题，提供了一种用于大宗发酵产品的非线性综合节能控制系统与方法。本发明提供的控制方法主要涉及，确定相关参数对药效影响的权重系数，以不改变制药效价为前提，以总电耗最低为目标函数，确定发酵过程的控制策略。本发明提供的控制系统包括能够实现上述控制方法的中央控制系统单元、整流逆变系统单元、驱动协调单元、信号检测单元及传感器、误差数字仿真器和谐波抑制单元。利用本发明，能够在不影响生物发酵效果的前提下，最大能力提高电能的利用效率。
文档编号G05B19/418GK102778868SQ20121017530
公开日2012年11月14日 申请日期2012年5月30日 优先权日2012年5月30日
发明者李丽 申请人:北京中鼎恒业科技有限公司, 李丽