SU1671694A2 - Periodic fermentation automatic control system - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к автоматическому управлению процессами ферментации и может быть использовано в микробиологической, медицинской, химико-фармацевтической и пищевой промышленности. Цель изобретени  - повышение точности системы и увеличение выхода целевого продукта за счет повышени  качества управлени . Система содержит контур регулировани  температуры в ферментаторе, блок задани  оптимальной температуры, контур стабилизации расхода воздуха на аэрацию, контур стабилизации давлени , включающий последовательно соединенные датчик, регул тор и исполнительный механизм, установленный на линии отход щих из ферментатора газов. Новым в системе автоматического управлени   вл етс  то, что она дополнительно снабжена блоком задержки и последовательно соединенными корректирующим фильтром, третьим сумматором, интегратором и четвертым сумматором, при этом вход корректирующего фильтра соединен с выходом датчика температуры, входы блока задержки и четвертого сумматора подключены к выходу второго сумматора, а выходы их соединены соответственно с вторым входом третьего сумматора и исполнительным механизмом на линии подачи охлаждающей воды. 1 ил.This invention relates to the automatic control of fermentation processes and can be used in the microbiological, medical, pharmaceutical and food industries. The purpose of the invention is to improve the accuracy of the system and increase the yield of the target product by improving the quality of control. The system contains a temperature control loop in the fermenter, an optimal temperature setting unit, a stabilization circuit for air flow for aeration, a pressure stabilization circuit that includes a series-connected sensor, a regulator and an actuator installed in the gases leaving the fermenter. New in the automatic control system is that it is additionally equipped with a delay unit and a serially connected correction filter, a third adder, an integrator and a fourth adder, while the input of the correction filter is connected to the output of the temperature sensor, the inputs of the delay unit and the fourth adder are connected to the output of the second the adder, and their outputs are connected respectively to the second input of the third adder and the actuator on the cooling water supply line. 1 il.

Description

ности, соединенного с одним из пхо- дов второго сумматора 8, другой вход которого подключен к выходу релейного блока 9, св занного с выходом первое сумматора 6.connected to one of the paths of the second adder 8, the other input of which is connected to the output of the relay unit 9 connected to the output of the first adder 6.

Контур стабилизации расхода воздуха на аэрацию содержит св занный с первичным преобразователем расхода 10 датчик 11, подключенный к входу регу- л тора 12, св занного с исполнительным механизмом 13, установленным на линии подачи аэрирующего воздуха.The stabilization circuit for air flow to aeration contains a sensor 11 connected to the primary converter 10 connected to the input of the controller 12 connected to the actuator 13 installed on the aeration air supply line.

Контур стабилизации давлени  в ферментаторе 1 содержит датчик 14, под- ключеннын к входу регул тора 15, св занного с исполнительным механизмом 16, установлонным на линии отход щих из ферментатора 1 газов.The pressure stabilization circuit in the fermenter 1 contains a sensor 14 connected to the input of the regulator 15 connected to the actuator 16 mounted on the line of gases leaving the fermenter 1.

Схема содержит блок 17 задержки, подключенный к выходу второго сумматора 8, корректируюгрш фильтр 18, подключенный к выходу датчика 2 температуры , выходы блока 17 задержки и корректирующего фильтра 18 подключены к входу третьего сумматора 19, выход которого подключен к входу интегратора 20, четвертый сумматор 21, один вход которого подключен к выходу интегратора 20, другой вход - к выходу второго сумматора 8, выход четвертого сумматора 21 соединен с исполнительным механизмом 22, установленным на линии подачи охлаждающей воды.The scheme contains a delay block 17 connected to the output of the second adder 8, a correction filter 18 connected to the output of the temperature sensor 2, the outputs of the delay block 17 and the correction filter 18 are connected to the input of the third adder 19, the output of which is connected to the integrator 20, the fourth adder 21 , one input of which is connected to the output of the integrator 20, another input to the output of the second adder 8, the output of the fourth adder 21 is connected to the actuator 22 installed on the cooling water supply line.

Система работает следующим образом .The system works as follows.

Заданное значение температуры поступает с выхода блока 3 на вход блока 4 сравнени , на второй вход которого поступает сигнал с выхода датчи- ка 2 температуры. При действии возмущени  на выходе блока 4 сравнени  возникает рассогласование между заданным значением температуры и фактическим значением. Сигнал рассогласовани  поступает на вход дифференциатора 5, на вход первого сумматора 6 и н вход блока 7 с зоной нечувствительности .The temperature setpoint is fed from the output of unit 3 to the input of unit 4 of comparison, to the second input of which a signal is received from the output of sensor 2 of temperature. Under the action of a disturbance at the output of the comparator unit 4, a mismatch occurs between the set temperature value and the actual value. The error signal is fed to the input of the differentiator 5, to the input of the first adder 6 and n the input of the block 7 with the dead zone.

Результирующий сигнал с выхода пер вого сумматора 6, составленный из суммы сигнала рассогласовани  и его производной , поступает на вход релейного блока 9, который с учетом знака поступившего на вход сигнала нормирует величину регулирующего воздействи  поступающего на один из входов второго сумматора 8. Если величина рассогласовани  превышает величинуThe resulting signal from the output of the first adder 6, made up of the sum of the error signal and its derivative, is fed to the input of the relay unit 9, which, taking into account the sign of the incoming signal, normalizes the amount of the regulating effect on one of the inputs of the second adder 8. If the error value exceeds magnitude

,  ,

0 - ю 0 - th

р15 671694p15 671694

зоны нечувствительности нелинейного блока 7, то на другой вход второго сумматора 8 с выхода блока 7 поступает величина дополнительного воз- действи  к регулирующему воздействию, формируемому релейным блоком 9, и суммарный сигнал с выхода второго сумматора 8 поступает на один из входов четвертого сумматора 21. Выходной сигнал датчика 2 тегшературы поступает также на вход корректирующего фильтра 18 с передаточной Функцией видаdeadband of the nonlinear block 7, then the second input of the second adder 8 from the output of the block 7 receives the value of the additional effect on the regulating influence generated by the relay block 9, and the total signal from the output of the second adder 8 goes to one of the inputs of the fourth adder 21. The output the signal of the sensor 2 of the tehsherature is also fed to the input of the correction filter 18 with the transfer Function of the form

( т . « 1 WT «j 1 (t. "1 WT" j 1

(1)(one)

w (p)-(TiD±lHTlEil) 1VP k-(T |P-H)()w (p) - (TiD ± lHTlEil) 1VP k- (T | P-H) ()

5 five

0 5 0 5

4Q4Q

00

5five

где k - коэффициент усилени  объекта по каналу расход охлаждающей воды - температура в ферментаторе; T,T - посто нные времени объектаwhere k is the gain factor of the object through the channel flow rate of cooling water is the temperature in the fermenter; T, T - object time constants

по этому же каналу; Т, ,1.2 - настроечные параметры;on the same channel; T, 1.2 - tuning parameters;

р - оператор Лапласа. Передаточна  функци  объекта по каналу расход охлаждающей воды - температура , в (Ъерментаторе имеет видp is the Laplace operator. The transfer function of the object through the channel is the flow rate of cooling water — the temperature in (the transmitter has the form

(2)(2)

k еk e

WO(P)()()WO (P) () ()

где с - врем  запаздывани .where c is the lag time.

С учетом формул (1) и (2) выражение дл  выходного сигнала корректирующего Лильтра 18 в операторной форме можно записать следукнтим образом:Taking into account the formulas (1) and (2), the expression for the output signal of the corrective Liltr 18 can be written in the operator form as follows:

((р)(и,Р)-0У г-;тт,((p) (and, P) -0U g-; tm,

(3)(3)

- регулирующее воздействие ре- лейного блока 9 и нелинейного блока 7 с зоной нечувствительности .- the regulating effect of the relay block 9 and the nonlinear block 7 with the dead band.

гдеWhere

иand

Выбира  Т, «Т, и ,Choose T, “T, and,

можноcan

обеспечить на выходе корректирующего фильтра 18 значение сигнала (в частности Аto provide the output of the correction filter 18 signal value (in particular, And

приat

, ),)

F(t)U(t-Ј)+F(t-C), (4)F (t) U (t-Ј) + F (t-C), (4)

который содержит информацию о возмущении и регулирующем воздействии. Чтобы разделить эту информацию выходной сигнал корректирующего фильтра 18 поступает на вход третьего сумматора 3, на второй вход которого поступает инвертированный сигнал с выхода блока 17 задержки. В результате на выходе третьего сумматора 19 значение сигнала определ етс  выражениемwhich contains information about the disturbance and regulatory action. To divide this information, the output signal of the correction filter 18 is fed to the input of the third adder 3, the second input of which receives the inverted signal from the output of the delay block 17. As a result, at the output of the third adder 19, the signal value is determined by the expression

16sixteen

F(t)F(t)-U(t-t)U(t-C)+F(t-Ј)- -UU-t)FU-C),(5)F (t) F (t) -U (t-t) U (t-C) + F (t-Ј) - -UU-t) FU-C), (5)

если fl(t-c)U(t-Ј).if fl (t-c) U (t-Ј).

Таким образом, из выражени  (5) следует, что при равенстве параметров передаточной функции корректирующего фильтра 18 и передаточной функции объекта по рассматриваемому каналу и при посто нстве запаздывани  V выходной сигнал третьего сумматора 19 содержит информацию о внешнем неизмер емом возмущении F. Поскольку величина возмущени  по изменению выходного сигнала датчика 2 температуры с помощью корректирующего фильтра 18, имеющего передаточную функцию (1), определ етс  точно только О, Т{ Tj, 0 и посто нных параметрах объекта (2), что не выполн етс  в периодическом процессе ферментации, то с учетом динамических свойств объекта (Ферментатора ) величина компенсирующего воздействи  определ етс  с помощью сигналов U() и F(t), поступающих, с выхода третьего сумматора 19 на вход интегратора 20. Величина на выходе интегратора 20 определ етс  выражением ЈThus, from the expression (5) it follows that with equal parameters of the transfer function of the correction filter 18 and the transfer function of the object on the channel in question and when lagging V is constant, the output signal of the third adder 19 contains information about external non-measurable perturbation F. Because the value of the disturbance the change in the output signal of the temperature sensor 2 with the help of a correction filter 18 having a transfer function (1) is determined only by precisely O, T {Tj, 0 and the constant parameters of the object (2), which did not in a periodic fermentation process, taking into account the dynamic properties of the object (the Fermenter), the magnitude of the compensating effect is determined using the signals U () and F (t), coming from the output of the third adder 19 to the input of the integrator 20. The value at the output of the integrator 20 is determined is expressed by Ј

(t)-U(t-Ј)dt, (6)(t) -U (t-Ј) dt, (6)

где Up - регулирующее воздействие,where Up is the regulating effect,

компенсирующее вли ние возмущени  F на качество регулировани  температуры; Т - настроечный коэффициент. Выходной сигнал интегратора 20 поступает на вход четвертого сумматора 21, на другой вход которого поступает регулирующее воздействие (J с выхода второго сумматора 8, определ ющее динамику системы при возмущении .the compensating effect of F disturbance on the quality of temperature control; T is the tuning factor. The output signal of the integrator 20 is fed to the input of the fourth adder 21, to another input of which a regulating input is received (J from the output of the second adder 8, which determines the system dynamics under disturbance.

Регулирующее воздействиеRegulatory Impact

с выхода четвертого сумматора 21 поступает на вход исполнительного механизма 10, посредством которого обеспечиваетс  компенсаци  вли ни  возмущени  F на отклонение температуры в ферментаторе 1.from the output of the fourth adder 21 enters the input of the actuator 10, by which compensation of the influence of the F disturbance on the temperature deviation in the fermenter 1 is provided.

При снижении величины отклонени  до величины зоны нечувствительности нелинейного блока 7 с зоной нечувствительности воздействие на выходе блока 7 отсутствует и процесс регули5By reducing the deviation to the dead zone of the nonlinear block 7 with the dead band, there is no effect on the output of block 7 and the process of regulation5

16941694

ровани  температуры определ етс temperature is determined by

только регулирующим воздействием Ц% релейного блока 9, которое пройд  второй сумматор 8 и четвертый сумматор 21 поступает на вход исполнительного механизма 10. В результате работы интегратора 20 вырабатываетс  регулирующее воздействие, которое, прой- .Q д  четвертый сумматор 21, полностьюonly the regulating influence C% of the relay block 9, which the second adder 8 and the fourth adder 21 pass to the input of the actuator 10. As a result of the operation of the integrator 20, a regulating action is produced, which, Q. q d the fourth adder 21, completely

компенсирует возмущение F. В этом случае на выходе корректирующего фильтра 18 отслеживаетс  только величина регулирующего воздействи  (J , поступающа  5 на вход исполнительного механизма 10 с выхода второго сумматора 8. При этом на выходе третьего сумматора сигнал обнул етс , так как выходные сигналы блока 17 задержки U(t-c) и кор- 0 ректирующего фильтра 18 O(t-f) равны . При нулевом входном сигнале интегратора 20 прекращает интегрирование и на вход четвертого сумматора 21 поступает с выхода интегратора 20 сиг- 5 нал, компенсирующий вли ние возмущени  на процесс регулировани  температуры . Вследствие этого при изменившемс  возмущении нет необходимости делать перерасчет системы. При этом с 0 помощью релейного блока 9 реализуютс  регулирующие воздействи , обеспечивающие в установившемс  режиме минимальные отклонени  температуры от оптимальной при максимальных возмущаю- , щих воздействи х. Последние компенсируютс  регулирующим воздействием, формируемым с помощью корректирующего фильтра 18, третьего сумматора 19, блока задержки 17 и интегратора 20.compensates the disturbance F. In this case, the output of the correction filter 18 monitors only the magnitude of the regulating action (J, arriving 5 at the input of the actuator 10 from the output of the second adder 8. At the output of the third adder, the signal is reset, since the output signals of the delay block 17 U (tc) and corrective filter 18 O (tf) are equal.When the input signal of the integrator 20 stops, the integration and the input of the fourth adder 21 comes from the output of the integrator 20, the signal compensates for the disturbance on the temperature control process. As a result, with a disturbed disturbance, there is no need to recalculate the system. At the same time, control actions are implemented with the help of the relay block 9. In the steady state, the minimum deviations of the temperature from the optimum with the maximum disturbance effects are compensated. formed by the correction filter 18, the third adder 19, the delay block 17 and the integrator 20.

00

Claims (1)

Формула изобретени Invention Formula Система автоматического управлени  периодическим процессом фермента5 ции по авт. св. № 1413135, о т л и- чающа с  тем, что, с целью повышени  точности, система содержит блок задержки и последовательно соединенные корректирующий Лильтр, тре0 тий сумматор, интегратор и четвертый сумматор, причем вход корректирующего фильтра соединен с выходом датчика температуры, второй вход третьего сумматора - с выходом блока задержки,The system of automatic control of the periodic process of fermentation by auth. St. No. 1413135, which means that, in order to increase accuracy, the system contains a delay unit and a series-connected Lilter corrector, a third adder, an integrator and a fourth adder, the corrector filter input connected to the output of the temperature sensor, the second input the third adder - with the output of the delay unit, е входом соединенного с выходом второго сумматора, который соединен с исполнительным механизмом на линии подачи охлаждающей воды через четвертый сумматор.e input connected to the output of the second adder, which is connected to the actuator on the cooling water supply line through the fourth adder.