一种发酵过程残糖浓度的在线控制方法技术

针对发酵过程残糖浓度在线检测存在较大滞后等问题，本发明专利技术对专家知识法进行拓展，采用模糊控制方法对专家知识法进行模拟，提出一种糖浓度实时控制方法。该方法将罐中残糖浓度及其变化率作为模糊控制的输入，补糖速率作为输出，通过确定模型控制器的输入、输出语言变量，确定论域范围及控制方法，量化因子和比例因子，模型控制器的输入、输出的隶属函数，模型控制器的模糊控制规则以及清晰化算法等步骤对基于专家经验进行模糊控制模拟。在线应用时，计算机控制恒流泵提取发酵液，并进行稀释，再控制YSI2700在线分析仪进行分析，然后将该滞后检测值代入设计好的模糊控制器中，即可得到该控制周期内的补糖速率。该方法是对专家知识法的优化及通用性拓展，能够较大地提升发酵过程的产品质量和产量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于应用工程领域，特别涉及利用滞后检测值的发酵过程残糖浓度的在线控制方法。
技术介绍
在发酵过程中，糖通常作为菌体生长的营养物质，其浓度直接决定着产品的质量和产量。糖浓度过低，菌体处于营养不够的状态，生长缓慢；而糖浓度过高，菌体因营养过剩，生长同样也受到抑制。受限于检测技术的发展，目前关于糖浓度的检测大多采用离线取样分析的传统方法，检测周期大，滞后时间长。基于该检测技术的残糖浓度控制较为粗放，无法进一步实现发酵过程的精细化控制。并且，传统检测方法涉及人工参与，是实现发酵过程综合自动化的瓶颈问题。目前关于残糖浓度的控制方法常采用pH-star和DO-star，分别根据发酵液菌体生长过程中，耗糖和pH和DO的关系，从而采用当前在线pH和DO检测值控制残糖浓度，该方法是一种间接控制方法，是以牺牲微生物的生长速率来控制代谢副产物的积累，使得微生物长期处于基质匮乏状态，而且由于pH和DO的波动比较大，不能达到很高的菌体浓度。YSI2700能够在线检测残糖浓度，为残糖浓度的实时在线控制提供了可能。但是YSI2700检测范围有限，并且容易受到温度、搅拌、泡沫等外在因素的影响，需要将发酵液提取出进行检测。但是，提取过程时间较长，因此检测值存在较大滞后。基于该检测滞后值，本专利技术根据专家经验知识，设计一种基于模糊控制策略，能够通用于各种发酵过程，解决残糖浓度控制依赖专家经验的缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有发酵过程残糖浓度的检测存在较大滞后，而基于专家经验的控制策略依赖专家经验、适用面窄且很难推广应用等缺点，提供一种模糊控制策略，用于将专家经验进行归纳总结，并演绎成通用的公式表达方式，为发酵过程残糖浓度的控制提供新的路径。鉴于YSI2700在线糖分析仪对糖浓度的检测存在较大的滞后，发酵专家根据经验，判断菌体不同生长阶段的耗糖速率，从而提出一种残糖浓度控制 策略，该策略即为基于专家经验的控制策略。本专利技术针对该检测系统，基于YSI2700仪器的滞后检测值，将专家控制经验通过模糊控制算法进行归纳和演绎，提出一种发酵过程残糖浓度的模糊控制策略，使专家控制经验在发酵过程残糖浓度的控制中得到普遍推广。为实现上述目的，本专利技术包括如下步骤：为实现YSI2700对残糖的在线检测，采用计算机作为核心控制器，辅助恒流泵TBP1010和TBP1002完成。计算机通过串口分别与YSI2700以及恒流泵连接，通信分别采用YSI2700和恒流泵自带的协议完成。采用该检测系统，首先计算机控制恒流泵提取发酵液，同时控制恒流泵加水进行稀释，再控制YSI2700在线糖分析仪检测糖浓度。该系统采用VC开发，具有实时数据显示，YSI2700和恒流泵的手自动控制，历史数据曲线显示已经糖浓度的模糊控制等功能。根据发酵液提取的速率、管路长度以及YSI2700的分析时间，计算出检测的滞后时间。将罐中残糖浓度及其变化率作为模糊控制的输入，补糖速率作为输出，通过确定模型控制器的输入、输出语言变量，确定论域范围及控制方法，量化因子和比例因子，模型控制器的输入、输出的隶属函数，模型控制器的模糊控制规则以及清晰化算法等步骤对基于专家经验进行模糊控制模拟，并在线调整模糊控制参数，使残糖控制效果能够达到最优；将设计的模糊控制策略用于发酵过程中：首先通过基于YSI2700在线分析仪的检测系统分析糖浓度，然后将该残糖浓度的滞后检测值代入设计好的模糊控制器中，即可得到该控制周期内的补糖速率。附图说明图1是补糖控制的流程图图2(1)是基于专家经验知识法的残糖浓度控制流程图(输出检测值首次小于上限值)图2(2)是基于专家经验知识法的残糖浓度控制流程图(赋补糖速率初值)图2(3)是基于专家经验知识法的残糖浓度控制流程图(正常补糖)图3(1)基于模糊控制算法的残糖浓度控制流程图(输出检测值首次小于上限值)图3(2)基于模糊控制算法的残糖浓度控制流程图(赋补糖速率初值)图3(3)基于模糊控制算法的残糖浓度控制流程图(正常补糖)具体实施方式下面结合附图1对本专利技术结构作进一步说明。如图1所示，粗实线为管道，细实线为通信线，箭头表示信号或液体的传送方向。本专利技术所涉及的设备包括：恒流泵1(TBP1010)，恒流泵2(TBP1002)，在线糖浓度分析仪(YSI2700)，发酵罐，蠕动泵，混合器(稀释)，PC机。恒流泵1通过管道对发酵罐提取反应液，恒流泵2连接纯净水，两股液体按照一定的比例，在混合器中充分混合稀释，送入在线糖浓度分析仪进行在线检测，同时，混合器中液体溢出，检测值通过通信线送入PC机，经过算法控制，来调节蠕动泵的开度，向发酵罐中进行补糖。专家经验知识法的残糖浓度控制流程结合附图2，进行进一步说明。设定恒流泵流速以及在线糖分析仪的采样周期，按如下周期运行：首先，系统开始运行，赋初值g＝0，i＝1(g是用来判断检测值Cn(i)是否大于上限值a，i表示的是检测时刻)。流程图(1)的作用是输出检测值首次小于a的时刻g。流程图(2)中，当i＜＝g，Cn(i)＞a始终成立，补糖速率为0；一旦出现i＞g的情况，赋补糖速率初值F(i-1)＝ΔF(ΔF为固定的补糖速率)，结束该流程。流程图(3)表示的i＞g时刻时正常补糖的情况。从流程图(3)中可以很明显的看出，分别需要对上限a，期望值Cs，下限b以及前一刻时刻的检测值Cn(i-1)进行逻辑判断，在F(i)＝F(i-1)-ΔF的情况下，需要对F(i)与0进行判断，因为补糖速率不可能为负值。在上述不同逻辑判断情况下，得出相对于的补糖速率，由此可以知道不同补糖速率情况下发酵罐中的值E(i)，(E(i)＝f[Fn(i)]，表示发酵罐中糖浓度与补糖速率的关系)，最后判断检测时刻i是否大于m(m表示需要检测的次数)，如果小于，则系统进行下一刻循环，否则，结束本次系统的运行。残糖浓度的模糊控制流程图结合附图3，进行进一步说明。设定恒流泵流速以及在线糖分析仪的采样周期，按如下周期运行：首先，系统开始运行，流程图(1)，(2)的作用和专家经验知识法的作用一样，就不再复述，唯一不同的是在流程图(2)中当出现i＞g的情况时，初始补糖速率不同。 在流程图(3)中，当检测值Cn(i)＞上限a时，补糖速率为0(因为YSI2700的检测时间短，发酵罐中糖浓度不可能瞬间耗完)。又因为补糖速率F(i)与前一刻F(i-1)相关，所以必须计数，这边用n计数(假设i时刻检测值Cn(i)＜a，而Cn(i-1)＞a，F(i-1)＝0，计算F(i)时不能用F(i-1)来计算，必须用F(i-1-n)时刻时的值进行运算，确保F(i-1-n)＞0)。除此之外，在检测值Cn(i)＜下限b的情况下，需判断前一刻时刻的检测值Cn(i-1)，在上一刻或上1+n时刻补糖速率的基础上加上ΔF(ΔF与专家经验法的固定补糖速率一致，当然也可以根据现场情况进行改变)。当检测值a＜Cn(i)＜b时，首先进行模糊化处理，然后进入模糊控制器，输出Δu(Δu为需要改变的补糖速率值)，模糊控制器内部的规则是在总结专家经验知识法的基础上进行制定的，最后同样需要对F(i)与0进行逻辑判断，接下去的操作步骤和专家经验知识法一样。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发酵过程残糖浓度在线控制系统。该系统由计算机和残糖浓度检测仪YSI2700，再辅助一些恒流泵组成。计算机与YSI2700和恒流泵均采用串口的方式连接，控制采用通信的方式，通信分别采用YSI2700自身的协议和恒流泵自身带的协议完成。

【技术特征摘要】
1.一种发酵过程残糖浓度在线控制系统。该系统由计算机和残糖浓度检测仪YSI2700，再辅助一些恒流泵组成。计算机与YSI2700和恒流泵均采用串口的方式连接，控制采用通信的方式，通信分别采用YSI2700自身的协议和恒流泵自身带的协议完成。2.基于权利1，该控制系统软件采用VC开发，含有YSI2700、恒流泵的手自动控制，现场数据的显示与保存，历史数据曲线显示以及模糊控制策略等功能。3.基于滞...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵忠盖，刘辉，徐俭，李庆华，刘飞，石贵阳，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32