Система для управления периодическим процессом ферментации Советский патент 1992 года по МПК G05D27/02 

Изобретение относится к автоматическому управлению периодическими процес- сами ферментации и может быть использовано в производствах микробиологической, медицинской, химико-фармацев- тической и пищевой промышленности.

Известна система, реализуемая способом автоматического управления процессом выращивания микроорганизмов, содержащая контуры стабилизации давления, рас- хода воздуха на аэрацию, температуры в аппарате, включающие соответственно датчики измеряемых параметров, регуляторы, исполнительные механизмы, а также блоки дифференцирования и переключения, поро- говый и релейный элементы.

Недостатком известной системы является невысокая точность поддержания температурного параметра после вывода процесса на заданный режим, так как при формировании регулирующего воздействия на подачу охлаждающей воды не учитывается фактическая динамика канала регулирования температуры, что в конечном итоге снижает выход целевого продукта.

Наиболее близким по технической сущности к предложенной является система автоматического управления периодическим процессом ферментации, содержащая контур регулирования температуры, вклю- чающий датчик, блок сравнения, позиционный регулятор и программное реле, реализующие двухпозиционный закон регулирования с помощью исполнительного механизма, установленного на линии подачи охлаждающей воды.

Недостатком данной системы является низкая точность поддержания температурного параметра из-за отсутствия коррекции моментов переключения позиционного ре- гулятора, необходимость которой обусловлена нестационарностью динамических характеристик объекта. Поэтому изменение подачи охлаждающей воды происходит при температуре в аппарате, значительно отли- чающейся от заданной, что создает неоптимальные условия развития микроорганизмов и снижает выход целевого продукта.

Цель изобретения -увеличение выхода целевого продукта за счет повышения точ- ности поддержания температурного параметра.

Указанная цель достигается тем, что в системе для управления периодическим процессом ферментации, содержащей кон- туры стабилизации расхода воздуха на аэрацию и давления в аппарате, включающие последовательно соединенные соответствующие датчик, регулятор и исполнительный механизм, контур регулирования температуры, включающий позиционный регулятор с датчиком температуры на входе, соединенный выходом с исполнительным механизмом, установленным на линии подачи охлаждающей воды, контур регулирования температуры снабжен первым и вторым сумматорами, последовательно соединенными первым элементом задержки, третьим сумматором, вторым входом подключенным к входу первого элемента задержки, и первым релейным блоком, блоком памяти, коммутатором, последовательно соединенными блоком вычитания, блоком определения модуля и переключающим реле, первый и второй выходы которого подключены к вторым входам первого и второго сумматоров, выходы которых подключены соответственно к входам минимального и максимального заданных значений позиционного регулятора, последовательно соединенными дифференциатором, вторым элементом задержки, блоком перемножения, вторым релейным блоком, третьим релейным блоком, а также последовательно соединенными ключевым элементом ,и четвертым релейным блоком, причем второй вход блока перемножения подключен к выходу дифференциатора, информационный вход ключевого элемента - к выходу дифференциатора, а управляющий вход - к выходу третьего релейного блока, выход четвертого релейного блока соединен с управляющими входами коммутатора и переключающего реле, выход датчика температуры подключен к входу дифференциатора и к первому и второму информационным входам блока памяти, управляющий вход которого соединен с выходом первого релейного блока, первый и второй выходы блока памяти подключены к первым информационным входам коммутатора, второй информационный вход которого подключен к выходу датчика температуры, причем выходы коммутаторов соединены соответственно с первым и вторым входами блока вычитания, вход первого элемента задержки -с выходом позиционного регулятора.

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

Контур стабилизации расхода аэрирующего воздуха, поступающего в ферментатор 1, со держит датчик 2, подключенный к входу регулятора 3, связанного с исполнительным механизмом 4, установленным на линии подачи аэрирующего воздуха.

Контур стабилизации давления в ферментаторе 1 содержит датчик 5, подключенный к входу регулятора 6, связанному с

исполнительным механизмом 7, установленным на линии отходящих из ферментатора газов.

Контур регулирования температуры в ферментаторе 1 содержит датчик 8, подклю- ценный к входу позиционного регулятора 9, к другим входам которого подключены выходы первого 10 и второго 11 сумматоров, переключающее реле 12, первый и второй выходы которого подключены к вторым вхо- дам первого 10 и второго 11 сумматоров, первый элемент 13 задержки, подключенный к выходу позиционного регулятора 9, третий сумматор 14, один вход которого подключен к выходу позиционного регуля- тора 9 непосредственно, а другой - через первый элемент 13 задержки, первый релейный блок 15, вход которого подключен к выходу третьего сумматора 14, а выход соединен с управляющим входом блока 16 памяти, первый и второй информационные входы которого соединены с датчиком 8 температуры, коммутатор 17, первые информационные входы которого соединены с первым и вторым выходами блока 16 памяти, а второй информационный вход - с выходом датчика 8 температуры, причем первый и второй выходы коммутатора 17 подключены к соответствующим входам блока 18 вычитания, выход которого под- ключен к входу блока 19 определения модуля, соединенного с входом переключающего реле 12, дифференциатор 20, подключенный к выходу датчика 8 температуры, второй элемент 21 задержки, вход которого соединен с выходом дифференциатора 20, а выход подключен к входу блока 22 перемножения, другой вход которого соединен с выходом дифференциатора 20, а выход блока 22 перемножения подклю- чен к входу второго релейного блока 23, выход которого подключен к входу третьего релейного блока 24, выход которого подключен к управляющему входу ключевого элемента 25, информационный вход которого соединен с выходом дифференциатора 20, четвертый релейный блок 26, соединенный входом с выходом ключевого элемента 25, а выходом подключенный к управляющему входу коммутатора 17 и к управляющему входу переключающего реле 12, первый и второй выходы которого подключены к вторым входам первого 10 и второго 11 сумматоров, выход позиционного регулятора 9 подключен к входу исполни- тельного механизма 27, установленного на линии подачи охлаждающей воды.

Система для управления периодическим процессом ферментации работает следующим образом.

Температура в ферментаторе 1 измеряется датчиком 8, сигнал с выхода которого поступает на один из входов позиционного регулятора 9,

На другие входы позиционного регулятора 9 через первый вход первого сумматора 10 поступает сигнал, задающий допустимое минимальное значение температуры, а через первый вход второго сумматора 11 - сигнал, задающий допустимое максимальное значение температуры в ферментаторе 1. Текущее значение температуры в позиционном регуляторе 9 сравнивается с задаваемым допустимым значением и в зависимости от знака рассогласования позиционный регулятор 9 формирует регулирующее воздействие на подачу охлаждающей воды максимальной (Умакс) либо минимальной (1)Мин) величины.

В случае тепловыделения процесса либо в результате перераспределения потоков теплопередачи вследствие внешних возмущений температура в ферментоторе 1 изменяется. Выходной сигнал датчика 8 температуры поступает на вход позиционного регулятора 9, в котором сравнивается с установленными допустимыми значениями, поступающими с выходов первого 10 и второго 11 сумматоров. При отрицательных отклонениях температуры, превышающих установленное допустимое значение, позиционный регулятор 9 формирует регулирующее воздействие Умакс, которое поступает на вход исполнительного механизма 27, и начинается максимальная подача охлаждающей воды в рубашку или в змеевик аппарата.

Одновременно сигнал, пропорциональный величине регулирующего воздействия, поступает на вход третьего сумматора 14, на другой вход которого поступает сигнал регулирующего воздействия для предыдущего момента времени. Если охлаждение аппарата продолжается за счет подачи воды, то текущее значение сигнала регулирующего воздействия равно предыдущему и на выходе третьего сумматора 14 сигнал равен нулю, при этом на вход первого релейного блока 15 сигнал не поступает. При этом последний делает вывод о соответствии текущего значения регулирующего воздействия предыдущему значению, т.е. об отсутствии переключения сигнала управления с одного уровня на другой. В этом случае командный сигнал с выхода первого релейного блока 15 на управляющий вход блока 16 памяти не поступает и на вход позиционного регулятора 9 продолжает поступать прежний задающий сигнал с выхода первого 10 и второго 11 сумматоров, с которым сравнивается текущее значение температуры в ферментаторе 1.

Воздействие позиционного регулятора 9 на исполнительный механизм 27 продолжается до тех пор, пока текущее значение температуры в ферментаторе 1 не превысит пределы, установленные с помощью сумматоров 10 и 11, т.е. пока знак отклонения температуры изменится на противоположны. Когда знак отклонения температуры от установленного допустимого значения изменится на противоположный, позиционный регулятор 9 переключит сигнал регулирующего воздействия на противоположный, например с Умакс на UMMH. Поскольку канал регулирования температуры имеет запаздывание, то после переключения регулирующего воздействия с Умакс на UMHH охлаждение аппарата продолжается еще некоторое время, т.е. изменение температуры происходит в прежнем направлении в течение времени, определяемого временем запаздывания.

Чтобы не допустить переохлаждения жидкости в ферментаторе 1, необходимо прекратить подачу воды на охлаждение до того, как .значение температуры достигнет установленного допустимого значения, т.е. с предварением изменить знак регулирующего воздействия на подачу охлаждающей воды. Для этого в момент смены знака сигнала регулирующего воздействия на выходе третьего сумматора 14 возникает ненулевой сигнал, пропорциональный разности (Us - Ui-i), где Ui, UM - значения сигнала регулирующего воздействия в текущий и в предыдущий моменты времени соответственно, Сигнал отклонения с выхода третьего сумматора 14 поступает на вход первого релейного блока 15, который анализирует знак поступившего на его вход отклонения и выдает командный сигнал блоку 16 памяти на запоминание текущего значения температуры. Блок 16 памяти реализован в виде идентичных ячеек памяти, включенных противофазно.

Если сигнал отклонения отрицательный, т.е. Uj-Ui-1 0, то на соответствующем участке блока 16 памяти происходит запоминание текущего значения сигнала температуры, поступающего на первый вход блока 16 памяти. Если же сигнал отклонения положительный, т.е. Ui - Ui-1 О, то на соответствующем участке блока 16 памяти происходит запоминание значения температуры, поступающего на второй вход блока 16 памяти. Одновременно выходной сигнал датчика 8 температуры поступает на вход дифференциатора 20. Сигнал, пропорциональный скорости изменения температуры

в текущий момент времени, с выхода дифференциатора 20 непосредственно и сигнал с выхода второго элемента 21 задержки, пропорциональный скорости изменения температуры в предыдущий момент времени, поступают на первый и второй входы блока 22 перемножения, соединенного с входом второго релейного блока 23, который анализирует знак входного сигнала.

0 Если знак произведения сигналов больше нуля, то релейный блок 22 делает вывод о продолжающемся изменении температуры в аппарате за счет запаздывания в прежнем направлении. В этом случае сигнал с

5 выхода второго релейного блока 23 на вход третьего релейного блока 24 не поступает и последний не воздействует на управляющий вход ключевого элемента 25.

Регулирующее воздействие позицион0 ного регулятора 9 на исполнительный механизм 27 вызывает соответствующее изменение температуры в ферментаторе 1 и приводит к тому, что знак произведения сигналов текущей производной температуры и

5 предыдущего ее значения становится меньше нуля, что свидетельствует об изменении температуры в противоположном направлении. Выходной сигнал второго релейного блока 23 в этом случае поступает на вход

0 третьего релейного блока 24, с выхода которого поступает командный сигнал на срабатывание ключевого элемента 25, который подключает выходной сигнал дифференциатора 20 на вход четвертого релейного блока

5 26. Последний анализирует знак производной выходного сигнала датчика 8 температуры (скорости изменения температуры) и в зависимости от знака выдает соответствующий сигнал на управляющие входы пере0 ключающего реле 12 и коммутатора 17. В зависимости от знака текущей производной выходного сигнала датчика 8 температуры коммутатор 17 подключает входы блока 18 вычитания к соответствующему участку бло5 ка 16 памяти.

При отрицательном знаке производной температуры коммутатор 17 осуществляет коммутацию на один вход блока 18 вычитания того участка блока 16 памяти, на котором

0 было запомнено значение температуры уч, измеренной датчиком 8 и поступающей на этот участок памяти через первый вход блока 16 памяти. На другой вход блока 18 вычитания поступает через коммутатор 17

5 текущее значение температуры уа, соответствующее моменту времени смены знака производной температуры с положительного на отрицательный. Блок 18 вычитания осуществляет вычисление приращения температуры Ayi или Ауа, на которое изменится температура от момента переключения регулирующего воздействия до момента начала ее спада (или нарастания). В данном случае вычисление приращения Ayi осуществляется по формуле

Ду1 У2-у1,

где yi - значение температуры в момент переключения регулирующего воздействия

С Uмакс на DMHH;

У2 значение температуры в момент начала спада, т.е. в момент смены знака производной температуры с положительного на отрицательный.

Выделенный с помощью блока 19 определения модуля модуль приращения температуры (A yi) перез переключающее реле 12 поступает на второй вход второго сумматора 11. В результате чего установленное ранее максимальное заданное значение температуры позиционного регулятора 9 корректируется, т.е. вычисляется новое значение порога срабатывания с учетом фактических значений изменившихся динамических параметров канала регулирования температуры по формуле

У макс Умакс- /Ayi/ ,

где умакс - максимальное заданное значение температуры в ферментаторе;

Умакс - скорректированное максимальное заданное значение температуры в ферментаторе.

В случае, когда температура в ферментаторе начинает возрастать, например за счет тепловыделения процесса, т.е. производная температуры меняет свой знак с отрицательного на положительный, четвертый релейный блок 26 выдает на управляющие входы переключающего реле 12 и коммутатора 17 такой командный сигнал, при действии которого коммутатор 17 подключает на вход блока 18 вычитания тот участок блока 16 памяти, на котором было запомнено значение температуры, поступившее на второй вход блока 16 памяти в момент переключения регулирующего воздействия с имин на имакс. На другой вход блока 18 вычитания через коммутатор 17 поступает текущее значение температуры в момент начала ее нарастания, т.е. в момент времени, когда первая производная меняет свой знак с отрицательного на положительный. Блок 18 вычитания в данном случае вычисляет приращение по формуле

А У2 У4 - УЗ,

где уз - значение температуры в момент переключения регулирующего воздействия С Умин на Умакс;

У4 - значение температуры в момент

смены знака производной температуры с отрицательного на положительный.

Выходной сигнал блока 18 вычитания поступает на вход блока 19 определения модуля, который выделяет модуль приращения Ау2, поступающего на вход переключающего реле 12. Последнее в данном случае подключает входной сигнал к второму входу первого сумматора 10. В результате ранее установленное значение температуры корректируется в первом сумматоре 10 по формуле

Умин УМИН+ /Ау2/,

где умин - минимальное заданное значение

температуры в ферментаторе;

Умин - скорректированное минимальное заданное значение температуры в ферментаторе.

В результате скорректированных минимального и максимального заданных значений позиционного регулятора 9 переключение регулирующего воздействия на подачу охлаждающей воды происходит с предварением, что обеспечивает повышение точности поддержания температуры в аппарате.

Стабилизация расхода воздуха и давления в аппарате осуществляется с помощью регуляторов 3 и 6 и исполнительных механизмов 4 и 7, воздействующих на подачу воздуха и сброс отходящих газов соответственно.

Формула изобретения

Система для управления периодическим процессом ферментации, содержащая контуры стабилизации расхода воздуха на аэрацию и давления в аппарате, включающие последовательно соединенные соответствующие датчик, регулятор и исполнительный механизм, контур регулирования температуры, включающий позиционный регулятор с датчиком температуры на входе и соединенный выходом с исполнительным механизмом, установленным на линии подачи охлаждающей воды, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью увеличения выхода целевого продукта за счет повышения точности поддержания температурного параметра, контур регулирования температуры снабжен первым и вторым сумматорами, последовательно соединенными первым элементом задержки, третьим сумматором, вторым входом подключенным

к входу первого элемента задержки, и первым релейным блоком, блоком памяти, коммутатором, последовательно соединенными блоком вычитания, блоком определения модуля и переключающим реле, первый и второй выходы которого подключены к вторым входам первого и второго сумматоров, выходы которых подключены соответственно к входам минимального и максимального заданных значений позиционного регулятора, последовательно соединенными дифференциатором, вторым элементом задержки, блоком перемножения, вторым входом подключенным к выходу дифференциатора, вторым релейным блоком, третьим релейным блоком, а также последовательно соединенными ключевым элементом и четвертым релейным блоком, причем информационный вход

0

5

0

ключевого элемента подключен к выходу дифференциатора, а управляющий вход - к выходу третьего релейного блока, выход четвертого релейного блока соединен с управляющими входами коммутатора и переключающего реле, выход датчика температуры подключен к входу дифференциатора и к первому и второму информационным входам блока памяти, управляющий вход которого соединен с выходом первого релейного блока, первый и второй выходы блока памяти подключены к первым информационным входам коммутатора, второй информационный вход которого подключен к выходу датчика температуры, причем выходы коммутатора соединены соответственно с первым и вторым входами блока вычитания, вход первого элемента задержки соединен с выходом позиционного регулятора.

Система содержит ферментатор 1, контур стабилизации расхода аэрирующего воздуха, включающий датчик 2, регулятор 3, исполнительный механизм 4 на линии подачи аэрирующего воздуха, контур стабилизации давления в ферментаторе, включающий датчик 5, регулятор 6, исполнительный механизм 7 на линии отходящих из ферментатора газов, контур регулирования температуры, включающий датчик 8, позиционный регулятор 9, сумматоры 10, 11, 14 переключающее реле 12, элементы 13, 21 задержки, релейные бпоки 15, 23, 24, 26, блок 16 памяти, коммутатор 17,блок 18 вычитания, блок 19 определения модуля, дифференциатор 20, блок 22 перемножения, ключевой элемент 25, исполнительный механизм 27 на линии подачи охлаждающей воды. 1 ил.