发酵罐温度单回路控制系统Word格式文档下载.docx

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机械搅拌通风发酵罐是属于一种搅拌釜式反应器，除用作化学反应和生物反应器外搅拌反应器还大量用于混合、分散、溶解、结晶、萃取、吸收或解吸传热等操作。

搅拌反应器由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。

加班容器包括筒体、换热原件及内构件、搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。

1.1温度对发酵的影响

微生物药品发酵所用的菌体绝大多数十中温菌，如丝状真菌、放线菌和一般细菌。

它们的最适生长温度一般在20～40摄氏度。

在发酵过程中，应维持适当温度，以使微生物生长代谢顺利进行。

由于微生物的种类不同，所具有的酶系及其性质也不同，因此所要求的温度也不同，如细菌的生长温度大多比霉菌高。

有些微生物在生长、繁殖和合成代谢产物等各个阶段的最适温度是不同的。

因此，要想获得最高的发酵单位，在发酵的各个阶段要调整发酵温度。

处于迟缓期的菌体对温度十分敏感，因此，最好在其最适生长温度范围内对其进行培养，这样可以缩短延滞期和包子萌发时间。

通常情况下，在最适温度范围内提高对数生长期的温度，有利于菌体的生长。

例如，提高枯草杆菌前期的最适温度，对该菌的生长产生了明显的促进作用。

温度变化对发酵过程可产生两方面的影响：

一方面是影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质；

另一方面是影响发酵液的物理性质。

温度对化学反应速度的影响常用温度系数（Q10）（每增加10摄氏度，化学反应速度增加的倍数）来表示，在不同温度范围内，Q10的数值是不同的，一般是2～3，而酶反应速度与温度变化的关系也完全符合此规律，也就是说，在一定范围内，随着温度的升高，酶反应速率也增加，但有一个最适温度，超过这个温度，酶的催化活力就下降。

温度对菌体生长的酶反应和代谢产物合成的酶反应的影响往往是不同的。

1.2发酵热的产生

发酵热的产生是产生热能的散失热能的综合结果，是引起发酵温度变化的原因。

发酵过程中产生的净热量称为发酵热。

发酵过程中的菌体对培养基德利用，氧化分解有机物质，机械搅拌，发酵罐壁向外散热，水分蒸发等都会产生热量交换，综合起来就是发酵热。

现将这些产热和放热的因素分述如下。

1.生物热

产生菌在生长繁殖过程中产生的热量，称为生物热。

这些产生的生物热一部分用来合成高能化合物，供微生物合成和代谢活动需要，一部分用来合成代谢产物，其余部分已热量形式，散发出来。

生物热的大小随培养基成分和菌种的变化而变化；

随培养时间的不同而不同；

与菌体的呼吸强度有对应关系，呼吸强度越大产生的生物热越大。

2.搅拌热

搅拌器转动锁引起的液体之间、液体与设备之间的摩擦所产生的热量，即搅拌热。

3.蒸发热

空气进入发酵罐与发酵液广泛接触后，引起水分蒸发所需的热能，称为蒸发热。

这部分热量在发酵过程中先以蒸汽形式散发到发酵罐液面，再由排气管带走。

4.辐射热

由于管外壁和大气间的温度差异而使发酵液中的部分热能通过罐体向大气辐射的能量，即辐射热。

辐射热的大小取决于罐内外温度差。

发酵热在整个发酵过程中随时间而变化，引起发酵温度发生波动，为了使发酵能在一定温度下进行，一定要控制发酵温度。

1.3发酵罐的动态数学模型

机械搅拌通风发酵罐的动态数学模型与基本的化学反应器的动态数学模型基本一样，所以在此将以如图1所示的非绝热连续搅拌釜式液相反应器为例，来说明反应器激励模型的建模思路。

图1非绝热连续反应器

（1）基本动态方程式

（1）基本假设

①两侧流体均呈活塞流状流动，无轴向混合；

②径向热传导可用集中参数表示，即同一截面上各点温度相同；

③传热系数U和比热Ca、Cb恒定不变；

④管壁热容忽略不计；

⑤外部绝热良好，即不考虑热损失。

（2）系统基本方程式的建立

对内管流体A列写微元dτ的热量衡算式：

式中：

同理可得外管流体B的热量衡算式：

（2）偏微分方程的求解：

在化工过程中，有很多典型操作单元如套管式和列管式换热器、填充式精馏塔和吸收塔、管式和固定床式反应器等都属于分布参数对象，它们的动态方程为偏微分方程。

偏微分方程的求解方法主要有传递函数法、分段集总化处理方法、正交配置法和数值解法。

对于较简单的（自变量不大于两个，线性定常）偏微分方程，一般可以通过传递函数法求解。

①首先进行由时间域t到复域S的拉氏变换，在TA、TB取增量形式时，初始条件为0，由式可得：

②进行由距离域τ到复域Ｐ的拉氏变换，边界条件如下：

令AP=（Φ1-Φ2）2+4a1a2，则式（4.42）右端分母可写为：

（2）.非线性模型的线性化

有此整理得被控对象传函为：

；

2.系统设计

2.1被控变量和控制变量的选择

1.被控变量的选择

如前面所说，温度对化学反应速度的影响常用温度系数（Q10）（每增加10摄氏度，化学反应速度增加的倍数）来表示，在不同温度范围内，Q10的数值是不同的，一般是2～3，而酶反应速度与温度变化的关系也完全符合此规律。

而机械搅拌通风发酵罐是一种通用化学反应器，所以把化学反应器的普遍特性来代表发酵罐的特性。

化学反应器的控制指标主要是反应的转化率、产量、收率、主要产品的含量和产物分布等，用这些变量直接作为被控变量，反应要求就能够直接得到保证。

但是，这些指标大多数是综合性指标，还是无法测量。

有些是成分指标，也缺少测量手段，或者测量滞后大、精度差，不宜作为被控变量。

目前，化学反应器的过程控制中，由于温度和上述指标关系密切，又容易测量，所以大多用温度作为反应器控制中的被控变量。

2.操纵变量的选择

温度作为反应质量的控制指标是有一定条件的，只有在其他许多参数不变的条件下，才能正确地反映反应情况。

因此，在温度作为反应器控制指标时，要尽可能保证物料量、进料浓度等其他参数的恒定。

所以选择冷却剂流量为操纵变量。

2.2控制方案

在保证物料量、进料浓度等其他参数一定的条件下，发酵罐内温度作为被控变量，冷却剂流量为操纵变量，组建一单回路控制系统，控制系统流程图如下。

图2系统控制流程图

2.3现场仪表选型

1.测温元件及变送器

被控温度在100℃以下，选用代号为WZC,分度号为Cu100铜电阻温度计，量程为-50～150℃，并配用DDZ—Ⅲ型热电阻温度变送器，信号为DC4～20mA或DC1～5V，温度测量环节可用以下的一阶环节来近似，（惯性环节）

式中，与测量仪表的量程有关；

测量环节的时间常数=1min，仪表经输出归一后均为0～100％，。

因而有1％/℃，式中，和分别为测量仪表输出信号的上下限；

和分别为测量仪表量程的上下限。

2.执行器

根据工艺要求安全考虑，执行器选DDZ—Ⅲ型电动调节阀，假设调节阀为近似线性阀，其动态滞后忽略不计，而且，，式中，为调节阀的流通面积，通常在一定范围内变，这里假设=（0.5～1.0）％/％（即控制器的输出变化1％，调节阀的相对流通面积变化0.5％～1.0％）。

2.4控制系统方框图

图3控制系统方框图

2.5分析被控对象特性及选择控制算法

1.被控对象特性

根据动态模型公式（12）可知，假设除T和之外，其他参数稳定，公式（12）简化为

，依照此式可看出，控制通道动态特性为

，同理，可得扰动通道动态特性。

2.选择控制算法

根据被控对象的特性和控制的需要，选择PID算法。

2.6系统参数整定和仿真

假设对象模型参数分别取值为=1％/％，=1％/℃，=1min，=2℃/（T/hr）,=4min，=1.5min，=3℃/（T/hr）,=3min,=2min。

在此采用经验试凑法来整定调节器参数。

图4发酵罐温度控制单回路控制系统SIMULINK模型

首先根据调节器参数经验数据，设定调节器PID参数的初始值为K=4，=8min，=2min。

经仿真后的响应曲线为

图5参数设定值仿真图

经反复试凑比例度、积分时间、微分时间的大小，得出K=2.1，=4min，=1.25min。

响应曲线呈4：

1衰减，结果令人满意。

图6调整参数后系统仿真图

2.7结论

我通过本次课程设计通过了软件和硬件上的调试。

我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助。

在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。

一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升。

对于教材，其过程是比较简单的，主要是解决设计控制过程中的问题，而设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。

因此在整个设计过程中大部分时间是用在控制理念上面的。

很多是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个环节才是关键的问题所在，这需要对系统的结构很熟悉。

因此可以说系统的设计是软件和硬件的结合，二者是密不可分的。

通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。

这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。

其次，这次课程设计让我充分认识到团队合作的重要性，只有分工协作才能保证整个项目的有条不絮。

另外在课程设计的过程中，当我们碰到不明白的问题时，指导老师总是耐心的讲解，给我们的设计以极大的帮助，使我们获益匪浅。

因此非常感谢老师的教导。

通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。

我觉得作为一名过程控制工程专业的学生，这次课程设计是很有意义的。

更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中。

虽然自己对于这门课懂的并不多，很多基础的东西都还没有很好的掌握，觉得很难，也没有很有效的办法通过自身去理解，但是靠着这一个多礼拜的“学习”，在同学的帮助和讲解下，渐渐对这门课逐渐产生了些许的兴趣，自己开始主动学习并逐步从基础慢慢开始弄懂它。

参考文献

[1]韩德权.发酵工程.哈尔滨：

黑龙江大学出版社，2008：

10～66，193～197

[2]王树青.工业过