21世纪是科技的时代，随着微生物技术的迅猛发展，与微生物技术相关的设备制造技术、微生物反应过程控制技术有了长足的进步。用于微生物反应过程的发酵罐，在生物、制药及食品等方面都有着广泛的应用。但目前我国发酵工业的控制技术还比较落后，工业生产中仍以人工控制为主，远不能适应发酵工程趋向设备大型化、高效化和自动化的需求。嵌入式系统是21世纪的科技新贵，被广泛应用到工业控制系统、信息家电、通信设备、医疗仪器、军事设备等众多领域中，尤其是工业控制领域。基于这种背景，本研究着力与基于嵌入式系统的微生物发酵罐控制系统研究，旨在改变我国发酵工业的控制技术落后的局面，提高其技术水平。
本文首先在微生物发酵原理、发酵罐控制系统原理研究的基础上，针对发酵罐控制系统存在的问题、微生物生长影响因素等，提出了微生物发酵过程中温度控制环的仿人模糊自适应PID控制方法，设计了相应的控制器。然后对微生物发酵过程DO控制环进行了分析，根据DO对微生物生长过程的影响以及微生物生长特点，提出了三步法DO控制理论，即将整个发酵过程分为三个阶段，第一阶段采用改变压缩空气流量来控制DO，第二阶段采用改变转速来控制DO，第三阶段采用O2和N2控制DO。在理论分析的基础上，设计了由温度模块、转速模块、PH模块和DO模块等构成的微生物发酵控制硬件系统方案；分别用Z-world公司的Dynamic C、EB500软件和组态王软件编制了由下位机、人机交互界面和上位机界面构成的发酵控制软件系统。使用MATLAB工具对发酵过程的温度控制环进行了数学建模、仿真和分析。
理论分析和仿真模拟的结果表明，与传统PID控制相比较，在同样控制对象、同等控制条件下，采用本论文设计的仿人模糊自适应PID控制器进行控制，上升阶段系统调节速度快了23%，下降阶段调节速度快了50%，具有响应速度快、无超调的优点，控制效果优于传统的PID控制。将DO控制三步法理论应用到实际生产中，收集了相应的生产数据，并使用MATLAB工具进行了分析研究。结果表明，在发酵初期，采用DO控制三步法来控制DO，可以使DO量从很高逐步平滑趋向设定值；在发酵中期的DO控制过程中，仅仅靠传统的改变转速的方法对DO进行控制，其偏差在4%～35%之间波动；而采用DO控制三步法来控制DO，其偏差仅在0～5%之间；可以看出，这对微生物培养十分有效，并且可以有效防止培养初期的“氧中毒”，同时也节约了能源，是一种具有推广前景的控制方法。
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