基于模糊自整定pid算法的生物反应器控制系统研究

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3、期：年月日答辩委员会主席：王典洪教授ResearchonBioreactorControlSystemBasedonFuzzySelf-tuningPIDAlgorithmAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterMajor：ControlEngineeringCandidate：LanChuanBoSupervisor：Prof.YangFanSNENGRWuMinWuhanInstituteofTechnologyWuhan,Hubei430073,P.R.China摘要生物反应器细胞培养技术

4、是一种在反应器中以悬浮液培养细胞的通用技术，其在生物医疗领域有着广泛应用。细胞培养过程中培养罐内培养液的温度、PH值以及溶解氧气的浓度(DO)对于细胞的生长繁殖至关重要。三个参数在控制过程中都是非线性变化，并且还具有惯性、时变性和滞后性等工业控制中常有的特点，因此导致控制系统非常难以建模，但如果仅采用传统的PID控制，最终的控制效果很难令人满意。根据客户的要求，需要将温度控制在36.8℃℃±0.4内，PH值控制在7.2-7.4之间，溶氧浓度（DO）控制在97±2%，系统反应要比较快、稳定性较好。因此，本课题以生物反应器控制系统

5、的温度参数为典型研究对象，设计一种有效的控制方法，使系统控制温度参数的调节时间、超调量、稳定性都得到优化。课题首先对模糊控制算法进行了深入的研究，并且对细胞培养的整个流程进行了详细了解，分析了限制细胞生长的主要因素；然后对常规PID控制在工控上的典型应用进行了分析，为最终设计出一种切实可行的控制算法打下基础，以实现对目标参数更好的控制，提升细胞培养的质量。课题研究的系统其下层主要由控制器和培养罐组合而成，控制器使用了SiemensS7-200系列PLC，培养罐部分选用了欧姆龙生产的G3PE单相固态传感器、BURKERT公司生产

6、的适用于液体介质的两位两通型电磁阀、WOTSON-MARLOW公司的疫苗生产专用蠕动泵等器件；上位机采用的是西门子博图V13工业控制组态软件，实现了对控制参数的实时监控和整个系统运行的实时监测。整套设备选材性价比高，系统稳定性好。在控制参数的算法部分，通过将模糊逻辑控制与常规PID控制结合起来，自行研究了可以使系统控制更加稳定、精准的模糊自整定PID算法，该算法还可以实现被控参数的在线自整定。随后对被控参数在Simulink上进行建模仿真，通过对比常规PID控制、单一模糊控制以及模糊自整定PID控制仿真得到的曲线图可以很直观看

7、出,新设计的综合控制方法将控制过程中系统的调节时间由650s降低到400s，降低了38.5%；超调量由32%降低到25%，系统稳态误差减小到接近0。I关键字：模糊控制；PID控制；细胞培养；MATLAB；PLCIIAbstractThebioreactorcellculturetechniqueisageneraltechniqueforculturingcellsinsuspensioninareactor,andiswidelyusedinthebiomedicalfield.Thetemperature,pH,anddi

8、ssolvedoxygenconcentration(DO)oftheculturemediuminthecellcultureprocessarecriticalforcellgrowthandreproduction.Thethreeparametersarenon-li