一类间歇生产过程仿真器的设计与开发

论文摘要

间歇生产过程是现代工业生产的重要生产方式,其应用范围十分广泛,可涉及到精细化工、食品和制药等多种工业领域。近年来,对间歇生产过程的监测已引起了越来越多研究者的关注,但所提出的新理论与新方法很难在实际生产中进行检验和验证,所以设计间歇过程监测仿真器对于间歇生产过程监测理论与应用具有重要意义。在间歇生产过程中,有一类涉及到发酵过程,如酒类、醋、泡菜以及各种奶制品等的生产过程都属于发酵反应过程,本文以青霉素发酵过程为代表,通过对青霉素发酵过程的深入了解和分析,以计算机仿真技术为基础,研究并设计一类间歇生产过程仿真器。在系统设计中,以发酵动力学为基础,建立了可以反映实际生产过程的仿真系统数学模型。该模型中包括菌体生长、产物合成、基质消耗和溶解氧浓度四个子模型,其中发酵过程中的影响因素有温度、空气流量、电机转速、补料速度和补料浓度等,实验结果表明建立的模型能较好的反映青霉素发酵过程。仿真系统选用了具有强大数值分析和图形显示功能特点的MATLAB和具有友好人机交互界面特点的VC++混合编程,其中使用MATLAB运算发酵模型中的微分方程,使用VC++设计仿真系统界面。在仿真系统中,通过引入故障信号,模拟青霉素发酵过程所出现的异常状态,在系统中还扩展了可引入的故障类型,并对引入故障产生的仿真数据和曲线进行详细的分析和对比。通过对青霉素发酵过程的仿真,可利用青霉素发酵仿真中采集的数据来比较各种故障检测和诊断方法的有效性,从而对生化反应过程进行预测,对生产或实验进行指导,为工控领域的研究人员提供一个切实有效的仿真研究平台。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 1.2 间歇生产过程简介
• 1.1.1 间歇生产过程的主要特点
• 1.1.2 间歇生产过程控制的发展历程
• 1.2 仿真技术的应用与发展
• 1.2.1 计算机仿真技术的发展
• 1.2.2 计算机仿真技术的应用
• 1.2.3 生化过程仿真技术的发展概况
• 1.3 本文的主要工作
• 2 发酵过程原理
• 2.1 发酵技术发展历史
• 2.2 发酵过程的特点和分类
• 2.2.1 发酵过程的特点
• 2.2.2 发酵过程的分类
• 2.3 发酵工业生产方式
• 2.3.1 发酵工业的生产流程
• 2.3.2 发酵过程的操作方式
• 2.4 青霉素发酵过程
• 2.4.1 青霉素发酵的四个生理阶段
• 2.4.2 青霉素发酵过程的主要参数
• 2.4.3 青霉素发酵过程的影响因素
• 2.4.4 发酵过程中各参数的相互关系
• 2.5 本章小结
• 3 青霉素发酵过程的数学模型
• 3.1 发酵过程的各类数学模型
• 3.1.1 细胞生长动力学模型
• 3.1.2 细胞生长的非结构学模型
• 3.2 青霉素发酵过程建模机理
• 3.2.1 青霉素反应机理
• 3.2.2 仿真模型的组成
• 3.3 青霉素发酵过程数学模型
• 3.3.1 菌体生长模型
• 3.3.2 青霉素产物生成模型
• 3.3.3 基质消耗模型
• 3.3.4 溶解氧浓度模型
• 3.4 本章小结
• 4 青霉素发酵过程仿真系统的设计与开发
• 4.1 青霉素发酵过程仿真系统
• 4.1.1 仿真系统功能设计
• 4.1.2 仿真系统功能实现
• 4.2 青霉素发酵过程仿真界面的设计
• 4.2.1 Visual C++简介
• 4.2.2 青霉素发酵过程仿真系统界面
• 4.3 青霉素发酵过程模型的求解
• 4.3.1 MATLAB简介
• 4.3.2 M函数实现对发酵过程模型的求解
• 4.4 MATLAB与Vc++的混合编程
• 4.4.1 MATLAB与Vc++的混合编程的常用方法
• 4.4.2 M文件在Vc++中的编译和执行
• 4.5 本章小结
• 5 仿真结果分析
• 5.1 正常操作条件下的仿真结果
• 5.2 仿真系统引入的几类故障
• 5.2.1 对底物流加速率引入故障信号
• 5.2.2 对补料浓度引入故障信号
• 5.2.3 对空气流量引入故障信号
• 5.2.4 对搅拌转速引入故障信号
• 5.2.5 对反应温度引入故障信号
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 参考文献
• 在学期间研究成果
• 致谢