Системы автоматического управления процессами непрерывной стерилизации питательных сред и ферментации микробиологических производств

Проблема снижения себестоимости, энерго — и ресурсосбережения в биотехнологии в связи с увеличением стоимости энергоносителей и сырья является в настоящее время одной из самых важных проблем. Несмотря на резкое сокращение производства в ряде отраслей промышленности, вызванное изменением в стране экономической ситуации, уже к началу 1999 года в микробиологической промышленности отмечено улучшение динамики производства, составившее за январь — декабрь 135%, что на 34,1% больше по отношению к предыдущему периоду [1]. Производство продуктов, получаемых путем микробиологического синтеза в микробиологической, химико-фармацевтической и медицинской промышленности, всесторонне совершенствуется. Свыше 95% лекарственных препаратов, применяемых в современной мировой медицине, созданы в последние десятилетия [2]. Причем синтез антибиотиков медицинского назначения, микробиологических средств защиты растений, аминокислот, активных фармацевтических субстанций относится к наиболее сложным стадиям многостадийного производства биопрепаратов. Одним из основных требований к микробиологическому синтезу является отсутствие нестерильных питательных сред, которые приводят к полной и безвозвратной потере сырья и энергии, затраченной на проведение этих процессов. Поэтому одним из направлений интенсификации производств на основе микробиологического синтеза наряду с совершенствованием технологии и оборудования является разработка систем автоматического управления (САУ) процессами стерилизации питательных сред и ферментации, обеспечивающих наивыгоднейшее их протекание. Современный подход к созданию САУ этими процессами требует не просто замены существующих аналоговых регуляторов на цифровые (например, на регулирующие либо логические микропроцессорные контроллеры и другие микропроцессорные средства), но и дальнейшего повышения качества управления ими с помощью высокоэффективных алгоритмов управления. Разработка и использование таких алгоритмов сдерживалось существенной нестационарностью процессов ферментации, недостаточной изученностью процессов стерилизации для целей управления, отсутствием полного и точного математического описания исследуемых процессов, наличием неконтролируемых возмущений и аппаратурной базой, при которой практическая реализация эффективных алгоритмов управления либо была принципиально невозможной, либо могла быть достигнута ценой неприемлехмых затрат. Даже переход к прямому цифровому управлению в ряде автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) микробиологических производств не обеспечил соответствующего повышения качества управления и удовлетворения возрастающих требований к точности систем управления из-за отсутствия в их составе роба-стных регуляторов, адаптивных алгоритмов управления либо алгоритмов, эквивалентных им. Появление средств микропроцессорной техники и их эволюционное обновление на развивающемся рынке технологий АСУТП создают все предпосылки для применения в САУ нестационарными процессами с запаздыванием динамических моделей объектов, идентификаторов состояния системы, упредителей, методов текущей идентификации параметров объектов, компенсаторов неизмеряемых возмущений. Это 'делает актуальным создание эффективных САУ процессами ферментации при существенном изменении динамических свойств и наличии неконтролируемых возмущений, а также САУ непрерывным процессом стерилизации, исключающих проникновение в реакционный объем ферментатора посторонней микрофлоры а, следовательно, возможные потери сырья и энергии, затраченных на проведение этого процесса.

Решение задачи синтеза и анализа таких САУ сдерживается, в первую очередь, отсутствием полного и точного математического описания динамики основных каналов управления процессами стерилизации и ферментации. Получение и установление адекватности динамических моделей исследуемых процессов позволяет использовать эти модели для синтеза закона оптимального управления процессом стерилизации, а также в контурах управления САУ процессами ферментации в качестве управляющих обратных моделей, идентификаторов (наблюдателей) для оценивания переменных состояния объектов управления и восстановления неизмеряемых возмущений, построения упреди-теля и реализации компенсирующих возмущения воздействий.

Разработка САУ процессами стерилизации и ферментации с динамическими моделями объектов управления, идентификаторами состояния, упреди-телями, имеющих свойства робастности, инвариантности и адаптивности и обеспечивающих более высокое качество управления при существенном изменении динамических свойств технологических процессов ферментации по сравнению с неадаптивными может дать значительный экономический эффект и поэтому является актуальной задачей.

Проблеме повышения эффективности процессов стерилизации и ферментации на основе новых технологических приемов, синтеза систем с использованием методов математического моделирования, идентификации и адаптивного управления посвящены научные исследования ученых Балакирева B.C., Бирюкова В. В., Гордеева JT.C., Лапшенкова Г. И., Матвеева В. Е., Меньшутиной Н. В., Пиотровского Д. Л., Уткина В. И., Цирлина A.M., Шубладзе A.M., Юсупбекова Н. Р. и других.

Тема диссертации разработана в соответствии с проводимой НИР «Разработка и исследование прикладного математического обеспечения АСУТП химико-технологических и микробиологических производств», № государственной регистрации 01.200.103 595. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления кафедры «Автоматизации и управления технологическими процессами и производствами» ЮРГТУ (НПИ) «Разработка теоретических основ и принципов построения автоматизированных технологий и оборудования для химических, пищевых и консервных производств».

Целью диссертационной работы является повышение эффективности непрерывной стерилизации жидких питательных сред и ферментации производств, основанных на микробиологическом синтезе, путем разработки систем автоматического управления этими процессами в условиях изменяющихся характеристик и неконтролируемых внешних возмущений.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих научных задач:

1. Разработка математического описания процесса непрерывной стерилизации питательных сред и идентификация адекватных динамических моделей процессов стерилизации и ферментации.

2. Разработка и исследование САУ процессом стерилизации жидких питательных сред в пароконтактном нагревателе с использованием управляющих воздействий на расходы пара и среды.

3. Разработка алгоритма дискретно-непрерывного управления технологическим объектом с запаздыванием на основе аппроксимации разрывного управления кусочно-непрерывными функциями, не требующего преднамеренного введения скользящего режима в систему.

4. Разработка и исследование адаптивных САУ режимными параметрами процесса ферментации с использованием позиционных систем регулирования с переменной структурой, дискретно — непрерывного управления, динамических моделей объектов управления, упредителей и идентификаторов состояния в алгоритмах управления.

5. Решение задачи параметрического синтеза типовых промышленных регуляторов для обеспечения робастности САУ с обратной управляющей моделью при существенном изменении динамических свойств технологического процесса ферментации.

6. Разработка алгоритмического обеспечения задач идентификации, регулирования и управления в АСУТП микробиологических производств и методики автоматизированного выбора рациональных алгоритмов управления.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получено математическое описание процесса непрерывной стерилизации жидких питательных сред в пароконтактном нагревателе, в котором для учета времени пребывания среды в выдерживателе использована логистическая функция. Осуществлена идентификация динамической модели пароконтактно-го нагревателя как объекта управления, имеющего два управляемых входа и один выход.

2. Осуществлен синтез закона квазиоптимального управления процессом непрерывной стерилизации жидких питательных сред, предусматривающего переключение управляющих воздействий по расходу пара и среды на входе в установку. .

3. Осуществлена компьютерная идентификация адекватной динамической модели процесса ферментации как объекта управления по температуре, концентрации растворенного в культуральной жидкости кислорода и величине рН.

4. Получен алгоритм управления САУ технологическими объектами с запаздыванием на основе аппроксимации разрывного управления кусочно — непрерывным, который в сочетании с интегральными составляющими исключает необходимость преднамеренного введения скользящего режима в систему, необходимого при разрывном управлении, обеспечивая отсутствие недопустимых по амплитуде автоколебаний регулируемой величины.

5. Предложен подход к построению адаптивной позиционной системы регулирования на основе двух нелинейных элементов с корректировкой структуры и параметров системы в установившемся режиме в зависимости от амплитуды автоколебаний.

6. Обоснована рациональная структура САУ процессом ферментации, включающая обратную управляющую модель объекта без запаздывания, идентификатор состояния системы и типовой астатический регулятор, оптимально настроенный по степени устойчивости, а для реализации обратной модели и восстановления неизмеряемого внешнего возмущения использованы оценки производных, получаемые с помощью идентификатора состояния.

7. Предложена структура САУ технологическим процессом ферментации, обеспечивающая реализацию упреждающей коррекции и компенсацию неизме-ряемых внешних возмущений на основе упредителя Смита и идентификатора состояния для получения оценок упрежденной регулируемой переменной и восстанавливаемого неизмеряемого возмущения.

Практическая ценность полученных в работе результатов состоит в следующем:

— разработаны алгоритмы управления оптимальных, нелинейных и адаптивных САУ непрерывным процессом стерилизации жидких питательных сред, процессом охлаждения сред в аппаратах культивирования и нестационарными процессами ферментации, обеспечивающих улучшение качественных показателей процессов регулирования технологических параметров в 1,5 раза и более по сравнению с существующими системами, а также робастность систем в условиях изменяющихся характеристик процесса и неконтролируемых внешних возмущений, что делает возможным реализацию оптимальных режимов процессов биосинтеза;

— разработана методика автоматизированного выбора алгоритмов управления при проектировании САУ, позволяющая проектировщику ранжировать их по степени эффективности и производить многовариантное проектирование прикладного математического обеспечения;

— разработан комплекс алгоритмических модулей для решения задач идентификации, оценивания, регулирования и управления в составе АСУТП микробиологических производств, пригодный для широкого промышленного применения;

— материалы теоретических и практических разработок диссертации использованы в учебном процессе Невинномысского технологического института (филиала) Северо-Кавказского государственного технического университета (НТИ СевКавГТУ).

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Математическая модель процесса непрерывной стерилизации жидких питательных сред в пароконтактном нагревателе.

2. Алгоритм квазиоптимального управления процессом непрерывной стерилизации жидкой питательной среды.

3. Метод динамической идентификации биотехнологического объекта по его переходной характеристике при неустановившемся конечном участке.

4. САУ технологическим объектом с запаздыванием на основе аппроксимации разрывного управления кусочно-непрерывным.

5. Адаптивная позиционная система регулирования на основе двух нелинейных элементов с корректировкой структуры и параметров в режиме установившихся колебаний.

6. Структура САУ технологическим объектом с обратной динамической моделью, астатическим регулятором и компенсацией неизмеряемого внешнего возмущения.

7. Способ реализации в САУ технологическим объектом с запаздыванием упреждающей коррекции и компенсации неизмеряемого внешнего возмущения, восстанавливаемого с помощью идентификатора состояния.

Реализация результатов. Комплекс алгоритмических модулей, пригодных для широкого промышленного внедрения, включен в отраслевой фонд алгоритмов и программ Государственного координационного центра информационных технологий (свидетельства об отраслевой регистрации разработок №№ 2420 — 2430) и прошел государственную регистрацию в Информационно — библиотечном фонде Российской Федерации (номера государственной регистрации №№ 50 200 300 207−50 200 300 217).

Разработанные алгоритмы управления, реализованные в виде алгоритмических и программных модулей, приняты к внедрению научно — производственной фирмой «КРУГ» (г. Пенза) для создания АСУ ТП на базе программно-технического комплекса ПТК «КРУГ — 2000», ООО «Автоматизированные системы управления» (г. Пятигорск), ОАО «Биосинтез» (г. Пенза).

Ряд теоретических положений и практических решений диссертации использован в учебном процессе НТИ СевКавГТУ при проведении занятий по курсам «Теория автоматического управления», «Автоматизация промышленных установок и технологических процессов».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XXIX, XXXI, XXXII научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов СевКавГТУ (г. Ставрополь, СевКавГТУ, 1999 г., 2001 г., 2003 г.), на IV, V, VI региональной научно-технической конференции «Вузовская наука — Северо-Кавказскому региону» (г.

Ставрополь, СевКавГТУ, 2000 — 2002 г. г.), на Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях», ММТТ — 2000 (г. Санкт — Петербург, Санкт — Петербургский государственный технический университет, 2000 г.), ММТТ — 14 (г. Смоленск, Смоленский филиал МЭИ, 2001 г.), на XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Тамбов, Тамбовский государственный технический университет, 2002 г.), на XVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», ММТТ — 16 (г. Ростов — на — Дону, РГАСХМ, 2003 г.), на региональной научной конференции «Теоретические и прикладные проблемы современной физики» (г. Ставрополь, Ставропольский государственный университет, СГУ, 2002 г.), на региональной научно-технической конференции «Компьютерная техника и технологии» (г. Невинно-мысск, СевКавГТУ, 2003 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Оптимизация сложных биотехнологических систем» (г. Оренбург, ОГУ, 2003 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 работ, получено 11 свидетельств об отраслевой и государственной регистрации разработок. Основные научные результаты диссертации изложены в 16 опубликованных работах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений.

ВЫВОДЫ.

1. Исследована система стабилизации температуры в пароконтактном нагревателе установки непрерывной стерилизации (УНС) питательных сред с переключением управляющих воздействий на расходы пара и расход питательной среды. Показана возможность применения времени пребывания среды в выдерживателе УНС в качестве возможного корректирующего воздействия на подачу среды в пароконтактный нагреватель. Использование такой системы целесообразно тогда, когда пароконтактный нагреватель не является «узким местом» на УНС или когда УНС имеет резерв по производительности.

2. Предложен алгоритм и исследована система управления процессом охлаждения стерильной питательной среды в инокуляторе, прсевном аппарате и ферментаторе. Использование в функции переключения управляющего воздействия скорости изменения температуры и постоянной времени объекта обеспечивает необходимую точность охлаждения стерильных сред в условиях изменяющихся характеристик и внешних возмущений со стороны охлаждающей воды.

3. Разработанная адаптивная позиционная система регулирования величины рН в процессе биосинтеза обеспечивает воспроизводимость задающих воздействий, достаточную робастность к параметрическим возмущениям и не требует для своей реализации введения в контур управления сложных вычислительных устройств самонастройки.

4. Подтверждена целесообразность использования в контурах управления САУ процессом ферментации динамических моделей объектов управления. Учитывая, что для реализации алгоритмов управления и обратных управляющих моделей необходимы производные регулируемых переменных, исследована эффективность применения идентификаторов состояния и использования для этого получаемых оценок переменных состояния объекта управления. Предложенный подход эффективен при построении адаптивных САУ процессом ферментации, обеспечивающих стабилизацию концентрации растворенного кислорода и программное управление температурой процесса биосинтеза.

5. Разработано алгоритмическое обеспечение задач идентификации, оценивания, регулирования и управления с использованием алгоритмов, обеспечивающих свойства робастности и адаптивности САУ нестационарными объектами стадии ферментации.

6. Предложена методика и даны рекомендации для автоматизированного выбора алгоритмов управления с использованием метода анализа иерархий.

Сформированный на основе результатов проведенных исследований состав алгоритмических модулей позволяет осуществить многовариантное проектирование САУ процессами ферментации и другими технологическими объектами с аналогичными свойствами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решена актуальная задача разработки и исследования САУ процессом непрерывной стерилизации жидких питательных сред и нестационарным процессом ферментации производств, основанных на микробиологическом синтезе, обладающих рядом улучшенных характеристик и пригодных для широкого класса промышленных технологических объектов. В результате получены следующие научные и практические результаты.

1. Проведен анализ современных требований к автоматическому регулированию и управлению объектами стадии ферментации, показана невозможность обеспечения этих требований существующими системами и обоснована необходимость разработки САУ этими объектами, эффективных в условиях неполноты или неопределенности исходной (априорной) информации и обладающих свойствами робастности и адаптивности по отношению к известным системам управления этими объектами.

2. Разработана математическая модель процесса непрерывной стерилизации питательных сред, осуществляемого последовательно в пароконтактном нагревателе и выдерживателе. Для учета времени пребывания среды в выдерживателе предложена логистическая функция. Включение этой функции в динамическую модель позволяет получить адекватное математическое описание процесса непрерывной стерилизации питательной среды с учетом выдерживателя. Осуществлена компьютерная идентификация динамических моделей процесса стерилизации в пароконтактном нагревателе и процесса ферментации.

3. Осуществлен синтез квазиоптимального алгоритма управления процессом непрерывной стерилизации питательной среды в пароконтактном нагревателе и исследована САУ процессом стерилизации с переключением управляющих воздействий на потоки пара и среды.

4. Получен новый алгоритм дискретно-непрерывного управления технологическим объектом на основе аппроксимации разрывного управления непрерывно — дифференцируемой функцией и использования в алгоритме управления интегральной составляющей от ошибки приближения аппроксимирующей функции к разрывной.

5. Разработана и исследована адаптивная позиционная САУ величиной рН в процессе ферментации, структура которой в переходном процессе меняется за счет изменения связей между релейным и нелинейным с зоной нечувствительности элементами. Для устранения автоколебаний при регулировании рН исследован и рекомендован алгоритм дискретно-непрерывного управления подачей титранта.

6. Разработана система автоматической стабилизации концентрации растворенного в культуральной жидкости кислорода с использованием в контуре управления обратной управляющей модели объекта, астатического промышленного регулятора и компенсатора внешнего возмущения. Для реализации обратной модели и восстановления неизмеряемого внешнего возмущения использован идентификатор состояния системы.

7. Для решения задачи параметрического синтеза регуляторов в САУ технологическим объектом с обратной управляющей моделью обосновано применение критерия максимальной степени устойчивости, обеспечивающего робастность системы при существенном изменении динамических свойств процесса ферментации.

8. При условии полной компенсации инерционной части объекта управления с запаздыванием управляющим устройством с обратной моделью объекта и астатическим регулятором, получены простые функциональные зависимости настроек регулятора от времени запаздывания объекта. Разработан алгоритм активной идентификации текущего времени запаздывания, обеспечивающий по окончанию идентификации стабилизацию объекта на первоначальном уровне при наличии неконтролируемых возмущений.

9. Разработана и исследована САУ температурой процесса ферментации, включающая упредитель, идентификатор состояния системы и обеспечивающая компенсацию неизмеряемых внешних возмущений.

10. Разработаны САУ процессом охлаждения стерильных питательных сред в инокуляторах, посевных аппаратах и ферментаторах, обеспечивающие стабилизацию температуры в процессе получения биомассы в инокуляторах и посевных аппаратах после охлаждения без перенастройки алгоритма управления.

11. Разработан комплекс алгоритмических модулей для решения задач идентификации, оценивания, регулирования и управления в составе АСУТП микробиологических производств, пригодный для широкого промышленного внедрения, который включен в отраслевой фонд алгоритмов и программ Государственного координационного центра информационных технологий (свидетельства об отраслевой регистрации разработок №№ 2420 — 2430) и прошел государственную регистрацию в Информационно — библиотечном фонде Российской Федерации (номера государственной регистрации №№ 50 200 300 207 — 50 200 300 217).

12. Разработана методика автоматизированного выбора алгоритмов управления при проектировании САУ, позволяющая проектировщику t ранжировать их по степени эффективности и производить многовариантное проектирование прикладного математического обеспечения САУ.

Разработанные алгоритмы управления приняты к внедрению и используются ОАО «Биосинтез» (г. Пенза), ООО «Научно — производственной фирмой «КРУГ» (г. Пенза) и ООО «Автоматизированные системы управления» (г. Пятигорск) в разработках АСУТП.

Ряд теоретических положений и практических решений диссертации использован в учебном процессе НТИ СевКавГТУ при проведении занятий по курсам «Теория автоматического управления»,"Автоматизация промышленных установок и технологических процессов".