СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ Российский патент 1997 года по МПК C12Q3/00 

Изобретение относится к биотехнологической промышленности, а именно к системам автоматического управления периодическим процессом культивирования микроорганизмов.

Известна система автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов, содержащая контуры стабилизации температуры и рН культуральной среды, расхода воздуха на аэрацию, состоящая из датчиков и задатчиков регулируемых параметров, регуляторов, содержащих элементы сравнений и управляющие блоки, и исполнительных механизмов, расположенных на линиях подачи охлаждающей, аммиачной воды и воздуха на аэрацию [1, 2]
Недостатками известной системы автоматического управления являются низкая точность управления, так как в аппарате в течение одного цикла меняются условия для развития культуры; накапливаются продукты обмена, тормозящие дальнейшее развитие культуры; уменьшается количество питательных веществ; изменяется кислотность среды и т.д.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой системе является система стабилизации основных режимных параметров процесса, описанная в книге [3] Серьезной причиной низкой точности управления такой системы является тот факт, что задания на регулируемые параметры (температуру, рН культуральной среды и расход воздуха на аэрацию) в течение одного цикла меняются в соответствии с технологическим регламентом, как, например, представленные в табл. 1 [4] что требует от системы управления стабилизации нового заданного значения параметра, что происходит достаточно медленно из-за длительности переходных процессов, и при этом наблюдается высокая колебательность переходных процессов (по замечанию В.В. Бирюкова длительность переходных процессов является ахиллесовой пятой систем управления периодических процессов [5] О длительности переходных процессов указывается и в источниках [3, 6]
Как видно из табл. 1, в течение одного цикла культивирования хлебопекарных дрожжей задание на температуру культуральной среды необходимо менять 5 раз; на кислотность среды 7 раз; на расход воздуха на аэрацию 4 раза при длительности цикла 18 часов.

Задача изобретения повышение точности управления. Результат достигается тем, что система автоматического управления периодическим процессом культивирования микроорганизмов, содержащая контуры стабилизации температуры и рН культуральной среды, расхода воздуха на аэрацию, состоящая из датчиков и задатчиков регулируемых параметров, регуляторов, содержащих элементы сравнения и управляющие блоки, и исполнительных механизмов, расположенных на линиях подачи охлаждающей, аммиачной воды и воздуха на аэрацию, снабжена последовательно соединенными дискретными дифференциаторами с запоминанием, входы которых соединены с соответствующими элементами сравнения регуляторов, и блоками обратной связи, содержащими логические элементы, реле и реле с замедлением на срабатывание, выходы которых соединены с соответствующими управляющими блоками регуляторов.

В результате проведенного поиска установлено, что в существующих технических решениях автоматического управления периодическим процессом культивирования микроорганизмов не использовались дискретные дифференциаторы с запоминанием, соединенные с блоками обратной связи, содержащими логические элементы, реле и реле с замедлением на срабатывание в предложенной совокупности с ранее известными блоками, что дает новый положительный эффект, а именно, повышает точность управления.

На чертеже представлена структурная схема предложенной системы автоматического управления периодическим процессом культивирования микроорганизмов.

Система содержит: объект управления дрожжерастильный аппарат 1; датчики: соответственно температуры культуральной среды 2, рН культуральной жидкости 3; расхода воздуха на аэрацию 4; задатчики: соответственно - температуры культуральной среды 5, рН культуральной среды 6, расхода воздуха на аэрацию 7; регуляторы: соответственно температуры культуральной среды 8, рН культуральной жидкости 9, расхода воздуха 10, содержащие элементы сравнения 11, 12, 13 и управляющие блоки 14, 15, 16; дискретные дифференциаторы с запоминанием 17, 18, 19; блоки обратной связи 20, 21, 22, содержащие логические элементы 23, 24, 25, реле 26, 27, 28, реле с замедлением на срабатывание 29, 30, 31; исполнительные механизмы 32, 33, 34, установленные соответственно на линиях подачи охлаждающей и аммиачной воды и подачи воздуха на аэрацию.

Система работает следующим образом. Рассмотрим на примере стабилизации температуры культуральной среды. Стабилизация рН культуральной среды и расхода воздуха на аэрацию осуществляется аналогично.

Сигналы с датчика температуры 2, пропорциональный текущему значению температуры культуральной жидкости, и задатчика 5, пропорциональный заданному в данный момент времени значению температуры культуральной жидкости, поступают на элемент сравнения 11 регулятора температуры культуральной жидкости 8, где эти два значения сравниваются и определяется их разность, т.е.

ε(t)=X(t)-X_o, (1)
где Х(t) текущее значение температуры, снимаемое с датчика регулируемого параметра 2;
Х_о сигнал задающего воздействия, снимаемый с задатчика величины регулируемого параметра 5;
ε(t) сигнал рассогласования.

Полученный на элементе сравнения 11 регулятора 8 сигнал рассогласования ε(t) поступает на вход управляющего блока 14 регулятора 8, где в соответствии с выбранным алгоритмом управления (пропорциональным, пропорционально-интегральным или пропорционально-интегрально-дифференциальным) вырабатывается управляющий сигнал Z, поступающий на исполнительный механизм с регулирующим органом 32, расположенным на линии подачи охлаждающей воды в рубашку аппарата 1, изменяя подачу охлаждающей воды так, чтобы уменьшить величину рассогласования ε(t). Так работает система, принятая в качестве прототипа. В течение одного цикла культивирования микроорганизмов, задающее воздействие Х_o меняется несколько раз, в связи с чем резко изменяется величина ε(t), увеличивается колебательность и длительность переходного процесса.

Предлагаемая система работает следующим образом. Сигнал рассогласования ε(t) с элемента сравнения 11 регулятора 8 поступает одновременно и на дискретный дифференциатор с запоминанием 17, в котором сравнивается с величиной рассогласования ε(t-T), запомненной дискретным дифференциатором в предыдущий момент срабатывания регулятора, где Т период повторения импульсного управляющего сигнала Z регулятора 8. Одновременно в ячейки памяти дискретного дифференциатора с запоминанием 17 вместо значения ε(t-T) запоминается новое значение рассогласования ε(t).

В дискретном дифференциаторе с запоминанием 17 формируется вспомогательный управляющий сигнал
Z₁(t)=ε(t)-ε(t-T)+ε(t). (2)
Рассмотрим подробнее выражение 2. Первые два члена правой части выражения 2 являются приближенным сигналом производной сигнала ε(t), а третий член
сигнал модуля рассогласования ε(t).

Выходной сигнал блока 17 состоит из суммы приближенного значения производной сигнала рассогласования ε(t) и модуля значения рассогласования ε(t).

Сигнал Z₁(t) с дискретного дифференциатора с запоминанием 17 поступает на логический элемент 23 блока обратной связи 20. В зависимости от знака Z₁(t), логический элемент 23 блока обратной связи 20 переключает параметры блока 20 в состояние форсированного или умеренного управления, в соответствии с которым последний выдает сигнал обратной связи Z_об(t) той или иной интенсивности на управляющий блок 14 регулятора 8.

Рассмотрим более подробно работу блока обратной связи 20. Перепишем выражение 2 в следующем виде

где приближенное значение производной сигнала ε(t). На логический элемент 23 величина Z₁(t) может поступить с дискретного дифференциатора с запоминанием 17 в четырех видах:
производная возрастает, модуль возрастает;
производная убывает, модуль возрастает;
производная убывает, модуль убывает;
производная возрастает, модуль убывает.

Логический элемент 23 блока обратной связи 20 в первых двух случаях направит сигнал Z₁(t) на реле 26; в третьем и четвертом случаях на реле с замедлением на срабатывание 29. Таким образом с блока обратной связи 20 дополнительный управляющий сигнал Z_об(t) поступит на управляющий блок 14 регулятора 8, где окажет свое корректирующее дополнительное воздействие на величину ε(t), поступившую с элемента сравнения 11 на управляющий блок 14 регулятора 8, в зависимости от величины и знака производной и модуля величины ε(t).

Если задание X_o регулируемого параметра в интервале времени между импульсами Т не изменяется, или очень мало изменяется, то величина разности ε(t) и ε(t-T) будет бесконечно мала, и величина дополнительного сигнала, поступающего из блока обратной связи 20 на управляющий блок регулятора 8, будет также мала, т.е. практически можно считать, что ε(t)=ε(t-T). Такое значение рассогласований появляется в момент установившегося значения регулируемой величины, равной заданному значению регулируемой величины.

Если до окончания переходного процесса в момент времени между импульсами Т разность между ε(t) и ε(t-T) будет отличаться от нуля, то в блоке обратной связи 20 с помощью реле 26 образуется форсирующий дополнительный сигнал Z_об(t), поступающий на вход управляющего блока 14 регулятора 8, что уменьшает время переходного процесса и сглаживает колебания регулируемой величины.

Если же в момент времени между импульсами Т произойдет изменение заданного значения регулируемой величины, то разность между ε(t) и ε(t-T) будет значительна, и роль блока обратной связи еще больше возрастает для ускорения переходного процесса и выхода регулируемой величин на новое заданное значение.

Умеренное управление, т.е. включение логическим элементом 23 блока обратной связи 20 реле с замедлением на срабатывание 29 будет в том случае, если производная убывает или возрастает, а модуль рассогласования убывает, и реле с замедлением на срабатывание позволяет избежать колебательности дополнительного сигнала обратной связи Z_об(t) на управляющий блок 14 регулятора 8. Такой режим работы системы наблюдается в конце переходного процесса.

Введение в систему управления дискретного дифференциатора с запоминанием и блока обратной связи, содержащих логический элемент, реле и реле с замедлением на срабатывание, позволяет следить за изменением задания, уменьшить колебательность переходных процессов в режиме слежения за изменением задающего воздействия, сократить длительность переходных режимов и тем самым обеспечить высокое качество управления.

Аналогично описанному выше работают систем стабилизации рН культуральной среды и расхода воздуха на аэрацию при периодическом процессе культивирования микроорганизмов.

Экспериментальная проверка предлагаемой системы проводилась на Воронежском дрожжевом заводе, при выращивании хлебопекарных дрожжей в производственных аппаратах типа ВДА-100 на товарной стадии выращивания В. Усредненные значения экспериментальных данных приведены в табл. 2.

В качестве логического элемента использовались электронные триггеры, реле электронные реле, дискретные дифференциаторы с запоминанием делитель напряжения Шмидта.

Электронные регуляторы типа РПI-VII, задатчики программные задатчики типа ПД-44УМ, датчик температуры термометр сопротивления ТСМ-ХI, датчик рН - проточный датчик ДПр-5315 с высокоомным преобразователем ПВУ-5253, датчик расхода воздуха диафрагма ДКН, дифманометр ДМ-6; пневмоэлектропреобразователь ЭПП-63.

Как видно из табл. 2, предлагаемая система обеспечивает значительное улучшение характеристик переходного процесса и обеспечивает повышение выхода дрожжей как в накопительный период, так и в период с отборами.

Использование: в биотехнологической промышленности, а именно в системах автоматического управления периодическим процессом культивирования микроорганизмов. Сущность изобретения заключается в том, что известная система автоматического управления, имеющая контуры стабилизации температуры и рН культуральной среды, расхода воздуха на аэрацию, каждый из которых состоит из датчика и задатчика регулируемого параметра, регулятора, содержащего элементы сравнения и управляющий блок, и исполнительных механизмов, расположенных на линиях подачи охлаждающей, аммиачной воды и воздуха на аэрацию, каждый контур стабилизации снабжен последовательно соединенными дифференциатором с запоминанием, вход которого соединен с соответствующими элементами сравнений регуляторов, и блоком обратной связи, содержащим логический элемент, реле и реле с замедлением на срабатывание, выход которого соединен с соответствующим управляющим блоком регулятора. Введение в систему указанных изменений позволяет следить за изменением задания, уменьшить колебательность переходных процессов в режиме слежения за изменением задающего воздействия, сократить длительность переходных режимов и тем самым обеспечить высокое качество управления. 1 ил., 2 табл.

Система автоматического управления периодическим процессом культивирования микроорганизмов, содержащая контуры стабилизации температуры и рН культуральной среды, расхода воздуха на аэрацию, состоящая из датчиков и задатчиков регулируемых параметров, регуляторов, содержащих элементы сравнения и управляющие блоки, и исполнительных механизмов, расположенных на линиях подачи охлаждающей, аммиачной воды и воздуха на аэрацию, отличающаяся тем, что она снабжена последовательно соединенными дифференциаторами с запоминанием, входы которых соединены с соответствующими элементами сравнения регуляторов, и блоками обратной связи, содержащими логические элементы, реле и реле с замедлением на срабатывание, выходы которых соединены с соответствующими управляющими блоками регуляторов.