Система автоматического управления периодическим процессом ферментации

СООЭ СОВЕТСКИХнэнмээей 4 ииРЕСПУБЛИК 3(5 ИСз 05 0 27/О ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ(56) 1 Авторское свидетельство СССР Ф 483426, кл. С 12 6) 3/00, 19752. 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 ипороговый 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, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью увеличения выхода целевого продукта путем повышения качества управления путем учета из.ЯО, 1007092. А менений динамических характеристик процесса, она снабжена моделью канала управления без запаздывания, четырьмя сумматорами, интегратором, коммутационным элементом и переклю-; чающим 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 под ключен к выходу переключающего реле, второй вход которого связан с выходом второго сумматора, один из входов последнего соединен с выходом датчика температуры, а другой - р с выходом первого сумматора, первый и второй входы которого связаны соответственно с выходом и входом модели канала управления беэ эапаэдн С вания, другой вход которой через коммутационный элемент соединен.с вы. ходом датчика расхода охлаждающей воды, первый и второй входы третьего сумматора подключены соответствеи но к выходам блока селектирования (сигналов и интегратора, вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, один, вход которого через гадь, коммутационный элемент подключен к выходу датчика расхода охлаждающей воды, а другой через коммутационный ( элемент - к выходу переключающего реле, соединенного с блоком рассогла сования.Изобретение относится к автоматическому 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 продук О та, и сумматором, при этом последний 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 измерениии не обеспечивает высокой точностиавтоматического поддержания измеряемого параметра на оптимальномуровне. Кроме того, такая системане обеспечивает условий, оптимальныхдля роста биомассы и биосинтеза целевого продукта по другим основным ЗОтехнологическим параметрам, например,по температуре процесса ферментации,что в конечном итоге снижает выходцелевого продукта.Наиболее близким техническим реше. 35кием к изобретению является системаавтоматического управления периодическим процессом ферментации, содержащая датчик и блок задания оптимальной температуры, регулятор и ис 4 Ополнительный механизм, последовательно соединенные дифференциатор и пороговый элемент, релейный блок, блокселектирования сигналов, первый,второй и управляющий входы которогосоединены с выходами регулятора,релейного блока и порогового элемента, датчик расхода охлаждающей воды,контуры стабилизации расхода воздуха на аэрацию и в аппарате, приэтом дифференциатор подключен к датчику температуры, а входы регулятораи релейного блока соединены одновременно с выходом блока рассогласования 21 .Недостатком этой системы при реали 55зации оптимального значения изменЕния измеряемых параметров являетсянедостаточно высокое качество управления процессом, обусловленное тем,что при изменяющихся условиях раз- бО.вития культуры, приводящих к изменению динамических характеристик процесса, 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 динамичес. кие 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 1. 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 элементподключен к выходу датчика расхода охлаждающей воды, а другой черезкоммутационный элемент . к выходупереключающего реле, соединенного сблоком рассогласования.На чертеже представлена блок-схемасистемы автоматического управленияпериодическим процессом ферментации.Система содержит контуры стабилизации температуры, расхода воздухаи давления в ферментере 1,Контур стабилизации температурывключает датчик 2 температуры, выходкоторого подключен к входу сумматора 3 и к входу дифференциатора 4,подключенного к входу порогового элемента 5, при этом выход последнегоподключен одновременно к управляющим входам коммутационного элемента .б,. блока 7 селектирования сигналов,переключающего реле 8, первый и второй входы которых подключены соответственно к выходам датчика 9 расходаохлаждающей воды и переключающегореле 8, регулятора 10 и релейногоблока 11, первого сумматора 12 и второго сумматора 3, при этом к второмувходу последнего подключен выход,первого сумматора 12, на один входкоторого поступает выход модели 13канала управления без запаздывания,а другой вход сумматора 12 соединен свходом модели 13 канала управления беззапаздывания.В зависимости от состояния коммутационного элемента 6 навход модели 13 поступает сигнал либос выхода датчика 9 расхода охлаждающей воды, либо с выхода сумматора 3посредством переключающего реле 8.Причем в последнем случае основнаяобратная связь системы оказывается охваченной дополнительной обратнойсвязью, которая представляет собойпараллельное соединение безынерционного звена с единичным коэффициентомусиления и модели 13 канала управления без запаздывания, что в операторной форме соответствует выражениюЯм Р 1 - 41, где Фц Р) - условное 45обозначение модели 13 канала управления без запаздывания, Передаточнаяфункция контура вход сумматора 3вход блока 14 рассогласования с дополнительной обратной связью, образо 50ванного сумматором 3, моделью 13 исумматором 12, при соответствующихкоммутируемых связях равна обратноймодели И Р) канала управления(показано пунктиром ). Один вход блока 14 рассогласования подключен квыходу переключающего реле 8, а другой вход - к выходу блока 15 заданияоптимальной температуры в ферментере 1. Выход переключающего реле 8 -выход обратной модели канала управления и выход датчика 9 расходаохлаждающей воды посредством коммутационного элемента б подключенык входам четвертого сумматора 16,выход которого подключен к интегра 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 коммутационного элемента б не поступает. Последний в этом случае осуществляет коммутацию выходного сигнала датчика 9 расхода охлаждающей воды на вход модели 13 канала управления, Сигналы остальных выходов коммутационного элемента б при этом равны нулю, В установившемся режиме работы системы, т.е, при текущем значении температуры в ферментере, равной оптимальной, 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 изменением1007092 10 15 20 25 30 35 40 45 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 существенное запаздывание, то при изменении задания отклонение температуры в ферментере 1 происходит не срал 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 выходньп 4 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 регуляторрелейный блок 11 продолжает формировать релейное воздействие, которое посредством блока 7 селектирования сигналов через сумматор 18 поступает на исполнительный механизм 19. 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. Сигнал на входе последнего, превышающий зону нечувствительности, вызывает срабатывание порогового элемента 5, выходной сигнал которого поступает на управляющие входы коммутационного элемента б, блока 7 селектирования сигналов и переключающего реле 60 8, Коммутационный элемент б при этомпрекращает коммутацию выходногосигнала датчика 9 на вход модели13 и начинает осуществлять коммута,цию выходного сигнала сумматора 3 посредством переключающего реле 8 на входы модели 13, сумматора 12 и 16, при этом на другойвход сумматора 16 с помощью коммутационного элемента 6 осуществляетсякоммутация выходного сигнала датчика 9 расхода охлаждающей воды. Блок7 селектирования сигналов при этомпрекращает коммутацию выходного сигнала релейного блока 11 и осуществляет коммутацию выходного сигналарегулятора 10 на вход сумматора 18.При этом на участке цепи обратнойсвязи вход сумматора 3 выход датчика 2 температуры ) - вход блока 14рассогласования реализуется обратнаясогласно 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 дополнительногосигнала управления с выхода интегра тора 17 поступает на вход сумматора 18, Результирующий сигнал с выхода сумматора 18.поступает на входисполнительного механизма 19, с помощью которого осуществляется соответствующее изменение расхода охлаждающей воды. Интегрирование рассогласования, поступающего с выхода сум матора 16, происходит до тех пор, пока действие возмущения на входе объекта или непредвиденные изменения параметров объекта не будут полностьюскомпенсированы выходным сиг 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 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 выходнойсигнал релейного блока 11 равен ну-лю, а блок 7 селектирования сигналовосуществляет коммутацию выходногосигнала регулятора 10 на ход сумматора 18, результирующий сигнал свыхода которого поступает на входисполнительного механизма 19,Изложенное выще показывает функционирование системз в режиме управления, т.е. при переменном задающемвоздействии. Аналогично рассмотренному происходит работа системы врежиме оптимальной стабилизации температуры при возмущающих воздействиях, т.е. при возмущении по расходуохлаждающей воды.С помощью контуров стабилизациирасхода воздуха, подаваемого на аэрацию, и давления в ферментере осуществляется поддержание указанных параметров на заданном уровне с помощьюисполнительных механизмов 25 и 22,установленных на линии подачи воздуха и отходящих из ферментера газов.Использование данной системы автоматического управления периодическимпроцессом ферментации позволит присущественном запаздывании и изменяющихся динамических характеристикахпроцесса ферментации повысить.точность регулирования температуры иобеспечить качественное ведение процесса биосинтеза в оптимальном режиме, что приведет к увеличению выхода целевого продукта ориентировочно на 1,5 2.1007092 Воздух Голы огачев оставитель ехред М,Те рректор Е. Рошк актор Т.Кугрьыев 72 По твенного комитета ССС ретений и открытий Ж, Раушская наб.,каз 2138 ТиражНИИПИ Государспо делам иэо13035, Москва д 4 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4