Система автоматического управления периодическим процессом ферментации

 

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПЕРИОда1ЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ФЕРМЕНТАЦИИ, содержащая датчик и блок задания оптимальной температуры , регулятор и. исполнительный механизм , последовательно соединенные дифференциатор и пороговый элемент, релейный блок, блок селектирования сигналов, первый, второй и управляющий входы которого соединены соответственно с выходами регулятора,, релейного блока, и порогового элемента , датчик расхода охлаждающей воды, контуры стабилизации расхода воздуха на аэрацию и давления в аппарате, при этом дифференциатор подключен к датчику температуры, а входы регулятора и релейного блока соединены одновременно с выходом блока рассогласования , отличающаяся тем, что, с целью увеличения выхода целевого продукта путем повышения качества управления путем учета изменений динамических характериси1К процесса, она снабжена моделью канала управления без запаздывания, четырьмя сумматорами, интегратором, коммутационным элементом и переключающим реле, управляющие входы которых подключены к выходу порогового элемента, при этом первые входы их соединены соответственно с выходами датчика расхода охлаждающей воды и первого сумматора, а второй вход коммутационного элемента подключен к выходу переключающего реле, второй вход которого связан с выходом второго сумматора, один из входов последнего соединен с выхо§ дом датчика температуры, а другой с выходом первого сумматора, первый и второй входы которого связаны соответственно с выходом и входом модели канала управления без запазды вания, другой вход которой через коммутационный элемент соединен с выходом датчика расхода охлаждающей воды, первый и второй входы третьего сумматора подключены соответствен но к выходам блока селектирования сигналов и интегратора, вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, один .вход которого через коммутационный элемент подключен к выходу датчика расхода охлаждающей UD воды, а другой через коммутационный элемент - к выходу переключающего tc реле, соединенного с блоком рассогла сования. . ,

COOS СОВЕТСКИХ

РЕСПУБЛИК

3 5п 5 05 0 27/00

Ф =э

t, 1 ""

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3304280/28-13 (22) 04.05.82 (46) 23.03. 83. Бюл. В 11 (72) В.Ф. Лубенцов, Н.Р. Юсупбеков, А.В. Бабаянц и Я.A. Ханукаев (71) Грозненское научно-проиэводст венное объединение "Промавтоматика" (53) 663.15(088.8) . (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 483426, кл. С 12 Q 3/00, 1975

2. Авторское свидетельство СССР

Р 819800, кл. 5 05 Х) 27/00, 1979. (54) (57) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО

УПРАВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ фЕРМЕНТАЦИИ, содержащая датчик и блок задания оптимальной температуры, регулятор и.исполнительный механизм, последовательно соединенные дифференциатор и пороговый элемент, релейный блок, блок селектирования сигналов, первый, второй и управляющий входы которого соединены соответственно с выходами регулятора,. релейного блока. и порогового элемента, датчик расхода охлаждающей воды, контуры стабилизации расхода воздуха на аэрацию и давления в аппарате, при этом дифференциатор подключен к датчику температуры, а входы регулятора и релейного блока соединены одновременно с выходом блока рассогласования, отличающаяся тем, что, с целью увеличения выхода целевого продукта путем повышения качества управления путем учета из„„SU„„.1007092. A менений динамических характеристик процесса, она снабжена моделью канала управления без запаздывания, четырьмя сумматорами, интегратором, коммутационным элементом и переключающим реле, управляющие входы которых подключены к выходу порогового элемента, при этом первые входы их соединены соответственно с выходами датчика расхода охлаждающей воды и первого сумматора, а второй вход коммутационного элемента подключен к выходу переключающего реле, второй вход которого связан с выходом второго сумматора, один из входов последнего соединен с выходом датчика температуры, а другой — I с выходом первого сумматора, первый и второй входы которого связаны соответственно с выходом и входом модели канала упРавления Ееэ эапаэдн + вания, другой вход которой через коммутационный элемент соединен. с выходом датчика расхода охлаждающей воды, первый и второй входы третьего сумматора подключены соответствен но к выходам блока селектирования (- сигналов и интегратора, вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, один .вход которого через еда коммутационный элемент подключен к выходу датчика расхода охлаждающей воды, а другой через коммутационный {© элемент — к выходу переключающего реле, соединенного с блоком рассогла сования.

1007092

Изобретение относится к автомати— ческому управлению и может быть использовано в химико-фармацевтической, микробиологической и других отраслях промышленности.

Известна система автоматического 5 управления процессом культивирования микроорганизмов, снабженная блоками определения количества кислорода, необходимого на эндогенное дыхание, для роста культуры и синтеза продукта, и сумматором, при этом послед-. ний подключен к блокам определения количества кислорода и компаратору, вход которого соединен с блоком определения разности между количеством 15 кислорода во входящем воздухе и отработанных газах, а выход — одновременно с исполнительным механизмом, установленным на линии подачи воздуха, и исполнительным механизмом мешалки (11 .

Недостатком данной системы является то, что она сложна в измерении и не обеспечивает высокой точности автоматического поддержания измеряемого параметра на оптимальном уровне. Кроме того, такая система не обеспечивает условий, оптимальных для роста биомассы и биосинтеза целевого продукта по другим основным 30 технологическим параметрам, например, по температуре процесса ферментации, что в конечном итоге снижает выход целевого продукта.

Наиболее близким техническим реше- 35 кием к изобретению является система автоматического управления периодическим процессом ферментации, содержащая датчик и блок задания оптимальной температуры, регулятор и ис 40 полнительный механизм, последовательно соединенные дифференциатор и пороговый элемент, релейный блок, блок селектирования сигналов, первый, второй и управляющий входы которого соединены с выходами регулятора, релейного блока и порогового элемента, датчик расхода охлаждающей воды, контуры стабилизации расхода воздуха на аэрацию и в аппарате, при этом дифференциатор подключен к датчику температуры, а входы регулятора и релейного блока соединены одновременно с выходом блока рассогласования (2) .

Недостатком этой системы при реали з5 зации оптимального значения изменЕния измеряемых параметров является недостаточно высокое качество управления процессом, обусловленное тем, что при изменяющихся условиях раз- 60 .вития культуры, приводящих к изменению динамических характеристик про цесса, настройка регулятора остается ,постоянной в течение всего времени

:процесса. Поскольку оптимальная 65 настройка реГуляторов возможна только при постоянных динамических характеристиках процесса, то при изменении этих характеристик динамические свойства системы регулирования ухудшаются и в некоторых случаях устойчивость системы нарушается, что в конечном итоге отражается на снижении выхода целевого продукта процесса;

Целью изобретения является увеличение выхода целевого продукта за счет повышения качества управления путем учета изменений динамических характеристик процесса и улучшения динамики замкнутой системы управления.

Поставленная цель достигается тем, что система автоматического управления процессом ферментации, содержащая датчик и-.блок задания оптимальной температуры, регулятор и исполнительный механизм, последовательно соединенные дифференциатор и пороговый элемент, релейный блок, блок селектирования сигналов, первый, второй и управляющий входы которого соединены соответственно с выходами регулятора, релейного блока и порого. вого элемента, датчик расхода охлаждающей воды, контуры стабилизации расхода воздуха на аэрацию и давления в аппарате, при этом дифференциатор подключен к датчику температуры, а входы регулятора и релейного блока соединены одновременно с выходом блока рассогласования, снабжена моделью канала управления без запаздывания, четырьмя сумматорами, интегратором, коммутационным элементом и переключающим реле, уп, равляющие входы которых подключены к выходу порогового элемента, при этом первые входы их соединены соответственно с выходами датчика расхода охлаждающей воды и первого сумматора, а второй вход коммутационного элемента подключен к выходу переключающего реле, второй вход которого связан с выходом второго сумматора, один из входов последнего соединен с выходом датчика температуры, а другой — с выходом первого сумматора, первый и второй входы которого связаны соответственно с выходом и входом модели канала управления без запаздывания, другой вход которой через коммутационный элемент соединен с выходом датчика расхода охлаждающей воды, первый и второй входы третьего сумматора подключены соответственно к выходам блока селектирования сигналов и интегратора, вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, один вход которого через коммутационный элемент подключен к выходу датчика расхода охлаждающей воды, а другой через

1007092 коммутационный элемент к выходу переКлючающего реле, соединенного с блоком рассогласования.

На чертеже представлена блок-схема системы автоматического управления периодическим процессом ферментации.

Система содержит контуры стабилизации температуры, расхода воздуха и давления в ферментере 1.

Контур стабилизации температуры включает датчик 2 температуры, выход которого подключен к-входу сумматора 3 и к входу дифференциатора 4, подключенного к входу порогового элемента 5, при этом выход последнего подключен одновременно к управляю- 15 щим входам коммутационного элемента

6,. блока 7 селектирования сигналов, переключающего реле 8, первый и второй входы которых подключены соответственно к выходам датчика 9 расхода охлаждающей воды и переключающего реле 8, регулятора 10 и релейного блока 11, первого сумматора 12 и второго сумматора 3, при этом к второму входу последнего подключен выход . первого сумматора 12, на один вход которого поступает выход модели 13 канала управления без запаздывания, а другой вход сумматора 12 соединен с входом модели 13 канала управления без запаздывания. В зависимости от состояния коммутационного элемента 6 на вход модели 13 поступает сигнал либо с выхода датчика 9 расхода охлаждающей воды, либо с выхода сумматора 3 посредством переключающего реле 8.

Причем в последнем случае основная обратная связь системы оказывается охваченной дополнительной обратной связью, которая представляет собой параллельное соединение безынерцион- 40 ного звена с единичным коэффициентом усиления и модели 13 канала управления без запаздывания, что в операторной форме соответствует выражению (g (pf — 4 ) где Фы (И условное 45 обозначение модели 13 канала управления без запаздывания. Передаточная функция контура вход сумматора 3 вход блока 14 рассогласования с дополнительной обратной связью, образо. 50 ванного сумматором 3, моделью 13 и сумматором 12, при соответствующих коммутируемых связях равна обратной модели Ol, (Р) канала управления (показано пунктиром ). Один вход блока 14 рассогласования подключен к выходу переключающего реле 8, а другой вход — к выходу блока 15 задания оптимальной температуры в ферментере 1. Выход переключающего реле 8— выход обратной модели канала управления и выход датчика 9 расхода охлаждающей воды посредством коммутационного элемента 6 подключены к входам четвертого сумматора 16, выход которого подключен к интегра- 65 тору 17, выход которого подключен к одному из входов третьего сумматора 18, к другому входу которого подключен, выход блока 7 селектирования сигналов. Выход третьего сумматора 18 соединен с исполнительным механизмом 19, установленным на линии подачи охлаждающей воды.

Контур стабилизации давления в ферментере 1 содержит датчик 20, подключенный к входу регулятора 21, выход которого соединен с исполнитель ным механизмом-22, установленным на линии отходящих из ферментера газов.

Контур стабилизации подачи воздуха на аэрацию состоит из датчика

23 расхода воздуха, подключенного к входу регулятора 24, выход которого соединен с исполнительным механизмом 25.

Система автоматического управления процессом ферментации работает следующим образом.

При температуре в ферментере 1, соответствующей оптимальной, сигнал на выходе дифференциатора 4 равен нулю. В этом случае сигнал на выхо- де порогового элемента 5 также равен нулю и командный сигнал на переключение блока 7 селектирования сигналов, переключающего реле 8 и комму.тационного элемента 6 не поступает.

Последний в этом случае осуществля ет коммутацию выходного сигнала датчика 9 расхода охлаждающей воды на вход модели 13 канала управления.

Сигналы остальных выходов коммутационного элемента 6 при этом равны нулю. В установившемся режиме работы системы, .т.е. при текущем значении температуры в ферментере, равной оп гимальной, сигналы с выхода модели 13 и датчика 2 температуры равны между собой и сигнал с выхода сумматора

3 на вход переключающего реле 8 не поступает. Последнее в этом случае .осуществляет коммутацию выходного сигнала модели 13 через первый сумматор 12 на вход блока 14 рассогласования, на другой вход которого поступает сигнал с, выхода блока 15 задания оптимальной температуры. Поскольку температура в ферментере 1 соответствует оптимальной, то сигнал на выходе блока 14 рассогласования отсутствует. При этом блок 7 селектирования сигналов осуществляет коммутацию выходного сигнала регулятора 10 через сумматор 18 на вход исполнительного механизма 19, с помощью которого устанавливается требуемый расход охлаждающей воды.

По мере дальнейшего протекания процесса возникает необходимость в реализации новых оптимальных условий ведения процесса биосинтеза, получение которых связано с изменением

1007092 температуры, которое формируется с помощью блока 15 задания оптимального для данного момента времени значения температуры. При изменении . задания возникающий сигнал рассогласования с выхода блока 14 рассогласования поступает на входы регулятора 10 и релейного блока 11. Блок 7 селектирования сигналов в этом случае осуществляет коммутацию выходного сигнала релейного блока 11 через сумматор 18 на вход исполнительного механизма 19, изменяющего расход охлаждающей воды, который измеряется датчиком 9. Выходной сигнал последнего подается посредством коммутационного элемента б на вход модели 13 канала управления без запаздывания, на выходе которой возникает переходной процесс.

Поскольку канал регулирования температуры в ферментере 1 имеет су10

20 щественное запаздывание, то при изменении задания отклонение температуры в ферментере 1 происходит не сраи зу, а через время запаздывания (.О

Поэтому сигнал на выходе дифференциатора 4 в течение времени со равен нулю. В этом случае переключающее реле 8 замыкает цепь обратной связи системы выходньп4 сигналом модели 13 канала управления без запаздывания через сумматор 12, сигнал на втором входе которого в этом случае отсутствует. С использованием выходного сигнала модели 13 в качестве "переменной" в блоке 14 рассогласования вырабатывается соответствующее рассогласование. Соответственно величине и знаку поступающего рассогласования (регулятор 10 функционирует как аналоговый регулятор ) релейный блок 11 продолжает формировать релейное воздействие, которое посредством блока 7 селектирования сигналов через сумматор 18 поступает на исполнительный механизм 19.

30

40

8. Коммутационный элемент б при этом прекращает коммутацию выходного сигнала датчика 9 на вход модели

13 и начинает осуществлять коммута,цию выходного сигнала сумматора

По истечении времени запаздывания начинает проявляться реакция объекта управления на поданное воздействие, т.е. происходит отклонение температуры в ферментере 1. Это отклонение воспринимается дифференциатором 4, выходной сигнал которого поступает на вход порогового элемента 5. Сиг1 нал на входе последнего, превышающий зону нечувствительности, вызывает срабатывание порогового элемента

5, выходной сигнал которого поступает на управляющие входы коммутационного элемента 6, блока 7 селектирования сигналов и переключающего реле 60

3 посредством переключающего реле 8 на входы модели 13, сумматора 12 и 16, при этом на другой вход сумматора 16 с помощью коммутационного элемента 6 осуществляется коммутация выходного сигнала датчика 9 расхода охлаждающей воды. Блок

7 селектирования сигналов при этом прекращает коммутацию выходного сигнала релейного блока 11 и осуществляет коммутацию выходного сигнала регулятора 10 на вход сумматора 18.

При этом на участке цепи обратной связи вход сумматора 3 (выход датчика 2 температуры) - вход блока 14 рассогласования реализуется обратная модель канала управления без запаздывания, выражение для которой имеет вид Wù" (p) =ЧЧ„" (Р), где%„(Р) — условное обозначение передаточной функ ции канала управления процессом ферментации без запаздывания,.поскольку обратная модель подключена последовательно к датчику 2 температурного канала управления. В соответствии с динамикой полученного эквивалентного объекта и величиной рассогласования, поступающего с выхода блока 14 рассогласования на вход регулятора 10,.последний вырабатывает регулирующее воздействие, которое поступает через блок 7 селектирования сигналов и сумматор 18 на исполнительный механизм 19, с помощью которого осуществляется соответствующее изменение расхода охлаждающей воды. Одновременно сигнал с выхода датчика 9 расхода охлаждающей воды через коммутационный элемент б поступает на вход сумматора, на другой вход которого посредством коммутационного элемента б поступает сигнал с выхода обратной модели канала управления, и сравнивается с выходным сигналом датчика 9. Если параметры модели 13 соответствуют параметрам объекта управления (процесса ферментации по каналу расход охватывающей воды — температура в ферментере); сигнал на выходе сумматора 16, соответствующий результату сравнения, равен нулю и на вход сумматора 18 сигнал с выхода интегратора 17 не поступает. В этом случае с помощью основного сигнала управляющего воздействия, выработанного регулятором 10, осуществляется дове. дение температуры 8 в ферментере 1 до заданного оптимального значения.

При изменившихся параметрах объекта управления, когда сигнал с выхода обратной модели не равен величине входного сигнала объекта — выходному сигналу датчика 9 расхода охлаждающей воды, появляется сигнал рассогласования на выходе сумматора 16. Сигнал с выхода сумматора 16 поступает на вход интегратора 17, который

1007092 согласно знаку и величине поступившего рассогласования между параметрами модели 13 и параметрами канала управления, формирует величину дополнительного сигнала к сигналу основного регулирующего воздействия.

При этом величина дополнительного сигнала управления с выхода интегра тора 17 поступает на вход сумматора 18. Результирующий сигнал с выхода сумматора 18.поступает на вход исполнительного механизма 19, с помощью которого осуществляется соответствующее изменение расхода охлаждающей воды. Интегрирование рассогласования, поступающего с выхода сумматора 16, происходит до тех пор, пока действие возмущения на входе объекта или непредвиденные изменения параметров объекта не будут полностью скомпенсированы выходным сиг- 20 налом сумматора 18. При этом температура в ферментере, измеряемая датчиком 2, соответствует оптимальному значению. Поскольку изменений температуры не происходит, то сигнал на выходе дифференциатора 4 равен нулю. В этом случае сигнал на пороговый элемент 5 не поступает, при этом последний прекращает выда;чу командного сигнала на управляющие входы коммутационного элемента

6, блока 7 селектирования сигналов

:и переключающего реле 8. Коммутационный элемент 6 прекращает коммутацию выходного сигнала сумматора 3 35 на вход модели 13 канала управления без запаздывания и начинает вновь коммутировать сигнал с выхода датчика 9 на вход модели 13. При этом переключакщее реле 8 подключает вы- 40 ход модели 13 на вход блока 14 рассогласования, замыкая систему управления вновь сигналом модели, равным оптимальному значению задания.

В результате этого сигнал рассогласования между температурой и заданием на выходе блока 14 рассогласования равен нулю. При этом выходной сигнал релейного блока 11 равен ну- лю, а блок 7 селектирования сигналов осуществляет коммутацию выходного сигнала регулятора 10 на ход сум матора 18, результирующий сигнал с выхода которого поступает на вход исполнительного механизма 19.

Изложенное выме показывает функционирование систе!!ы в режиме управ. ления, т.е. при переменном задающем воздействии. Аналогично рассмотренному происходит работа системы в режиме оптимальной стабилизации температуры при возмущающих воздействиях, т.е. при возмущении по расходу охлаждающей воды.

С помощью контуров стабилизации расхода воздуха, подаваемого на аэрацию, и давления в ферментере осуществляется поддержание указанных параметров на заданном уровне с помощью исполнительных механизмов 25 и 22, установленных на линии подачи воздуха и отходящих из ферментера газов.

Использование данной системы автоматического управления периодическим процессом ферментации позволит при существенном запаздывании и изменяющихся динамических характеристиках процесса ферментации повысить.точность регулирования температуры и обеспечить качественное ведение процесса биосинтеза в оптимальном режи! ме, что приведет к увеличению выхода целевого продукта ориентировочно на 1, 52%. !

1007092

Воздух бюы

Составитель Г.. Богачева

Техред M.Tenep Корректор Е. Рошко

Редактор T. Кугрьыева

Тираж 872 Подписное

HHHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.. 4/9

Заказ 2138/71

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4