本發(fā)明屬于控制系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種高通量微型生物反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

溫度的控制對(duì)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境以及設(shè)備工作環(huán)境具有重要的關(guān)系。在生物發(fā)酵行業(yè)中，溫度是必須嚴(yán)格控制的理化參數(shù)之一，其測(cè)量和控制的精度直接影響著反應(yīng)液中菌種的活性及其生物化學(xué)反應(yīng)，從而對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)效率具有重要的影響。

隨著技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，傳感器的小型化得以實(shí)現(xiàn)，從而使得小型的生物發(fā)酵過(guò)程也可以利用小型溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度的在線(xiàn)測(cè)量。

目前生物反應(yīng)器或者生物發(fā)酵的溫度檢測(cè)與溫度控制，大多是針對(duì)大型的生物發(fā)酵系統(tǒng)，缺乏基于微型生物反應(yīng)器的溫度檢測(cè)與溫度控制。同時(shí)，現(xiàn)有的生物反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)大多只能控制單一的反應(yīng)器單元，尚沒(méi)有出現(xiàn)高通量的、同時(shí)控制多路反應(yīng)器單元的溫度控制系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種高通量微型生物反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多路高通量的微型生物反應(yīng)器溫度的同時(shí)控制，控制精度達(dá)到±0.1℃，具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障顯示報(bào)警以及實(shí)時(shí)曲線(xiàn)的功能，使反應(yīng)過(guò)程的溫度調(diào)節(jié)更加自動(dòng)化、系統(tǒng)化，簡(jiǎn)化了人員操作，使用簡(jiǎn)單、操作方便，成本低廉。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下方案：

一種高通量微型生物反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)，包括上位機(jī)、控制器MCU和多路生物反應(yīng)器單元；每一路生物反應(yīng)器單元包括微型反應(yīng)罐、溫度傳感器、加熱器和制冷器，溫度傳感器可插入所述微型反應(yīng)罐內(nèi)部，加熱器和制冷器均與微型反應(yīng)罐外側(cè)相接觸；在溫度傳感器與控制器MCU之間設(shè)有與每一路生物反應(yīng)器單元對(duì)應(yīng)的一變送器，變送器將溫度傳感器的輸出信號(hào)發(fā)送給控制器MCU；控制器MCU還連接有對(duì)應(yīng)于每一路所述生物反應(yīng)器單元的驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路的輸出連接所述加熱器和制冷器，用于根據(jù)控制器的指令驅(qū)動(dòng)加熱器或制冷片動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)；所述微型反應(yīng)罐的體積在60mL以下。

本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制多路生物反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)高通量的微型生物反應(yīng)器溫度控制控制，通過(guò)采用上位機(jī)還可以將每一路溫度變化過(guò)程的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)存儲(chǔ)下來(lái)，并實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)功能，方便生物反應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取和分析，對(duì)生物技術(shù)研發(fā)、科研工作等提供了巨大的幫助。

進(jìn)一步的，所述控制器MCU還連接有報(bào)警單元，當(dāng)某一路溫度超出設(shè)定區(qū)間時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。其有益效果是，可以提醒用戶(hù)當(dāng)前生物反應(yīng)器內(nèi)部異常溫度的出現(xiàn)，輔助用戶(hù)維護(hù)系統(tǒng)正常工作。

進(jìn)一步的，所述控制器MCU還連接有顯示單元，用于實(shí)時(shí)顯示每一路生物反應(yīng)器單元中微型反應(yīng)罐的內(nèi)部溫度。其有益效果是直觀(guān)得向用戶(hù)提供了每一路溫度變化過(guò)程，使該溫度控制系統(tǒng)的控制過(guò)程具有易讀性。

進(jìn)一步的，所述微型反應(yīng)罐放置于基座上，加熱器設(shè)于微型反應(yīng)罐底部和基座之間，制冷器與微型反應(yīng)罐的外壁相接觸，且沿外壁周向均勻布置，微型反應(yīng)罐頂部還設(shè)有帶通孔的密封蓋，溫度傳感器可通過(guò)該通孔插入微型反應(yīng)罐內(nèi)部。本發(fā)明適用于微型生物反應(yīng)器，具體的設(shè)置了上述的加熱與制冷結(jié)構(gòu)，保證了加熱和制冷的高效，微型反應(yīng)罐與外界的熱交換有效降低，可以使溫度控制更精確。

進(jìn)一步的，所述制冷器包括依次相接觸的導(dǎo)冷片、半導(dǎo)體制冷片和散熱片，導(dǎo)冷片與微型反應(yīng)管的側(cè)壁相接觸，散熱片一端還連接有散熱風(fēng)扇。本發(fā)明采用半導(dǎo)體制冷片作為主要制冷器，并在其兩端再連接導(dǎo)冷片和散熱片，其有益效果是可以加速制冷效果，溫度降低過(guò)程更迅速。

進(jìn)一步的，所述溫度檢測(cè)器的精度滿(mǎn)足AAA級(jí)檢測(cè)精度。其有益效果是系統(tǒng)溫度檢測(cè)較準(zhǔn)確，可以達(dá)到±0.036℃，最終也使溫度控制更精確。

本發(fā)明還提出了一種高通量微型生物反應(yīng)器溫度控制方法，包括以下步驟

（1）探測(cè)微型生物反應(yīng)器內(nèi)部的溫度；

（2）采用模糊控制方法，將探測(cè)溫度與設(shè)定的溫度進(jìn)行模糊處理，然后根據(jù)設(shè)定的模糊規(guī)則進(jìn)行PID參數(shù)的自整定，最后對(duì)PID參數(shù)的自整定的結(jié)果進(jìn)行解模糊化處理；

（3）采用PID控制方法，根據(jù)探測(cè)溫度與設(shè)定的溫度之差和（2）中的解模糊化處理結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，確定加熱或者制冷的目標(biāo)溫度；

（4）根據(jù)所述加熱或者制冷的目標(biāo)溫度，對(duì)所述探測(cè)生物反應(yīng)器進(jìn)行加熱或制冷；

重復(fù)步驟（1）至（4），使所述生物反應(yīng)器的內(nèi)部溫度恒定于所述設(shè)定的溫度。

PID控制方法是根據(jù)測(cè)量值與給定值的偏差進(jìn)行比例（P）、積分（I）、微分（D）運(yùn)算，從而輸出某個(gè)適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，促使測(cè)量值恢復(fù)到給定值，達(dá)到自動(dòng)控制的效果。比例運(yùn)算是指輸出控制量與偏差的比例關(guān)系。比例參數(shù)P設(shè)定值越大，控制的靈敏度越低，設(shè)定值越小，控制的靈敏度越高，例如比例參數(shù)P設(shè)定為4%，表示測(cè)量值偏離給定值4%時(shí)，輸出控制量變化100%。積分運(yùn)算的目的是消除偏差。只要偏差存在，積分作用將控制量向使偏差消除的方向移動(dòng)。積分時(shí)間是表示積分作用強(qiáng)度的單位。設(shè)定的積分時(shí)間越短，積分作用越強(qiáng)。例如積分時(shí)間設(shè)定為240秒時(shí)，表示對(duì)固定的偏差，積分作用的輸出量達(dá)到和比例作用相同的輸出量需要240秒。比例作用和積分作用是對(duì)控制結(jié)果的修正動(dòng)作，響應(yīng)較慢。微分作用是為了消除其缺點(diǎn)而補(bǔ)充的。微分作用根據(jù)偏差產(chǎn)生的速度對(duì)輸出量進(jìn)行修正，使控制過(guò)程盡快恢復(fù)到原來(lái)的控制狀態(tài)，微分時(shí)間是表示微分作用強(qiáng)度的單位，儀表設(shè)定的微分時(shí)間越長(zhǎng)，則以微分作用進(jìn)行的修正越強(qiáng)。

進(jìn)一步的，對(duì)（1）的結(jié)果進(jìn)行滑動(dòng)均值濾波，將濾波所得結(jié)果作為（2）中所述的探測(cè)溫度。其有益效果是消除了溫度檢測(cè)過(guò)程中的誤差，可以得到更為準(zhǔn)確的生物反應(yīng)器內(nèi)部溫度，并且滑動(dòng)均值濾波易操作且有效。

進(jìn)一步的，對(duì)（1）的結(jié)果進(jìn)行低通濾波，將濾波所得結(jié)果作為（2）中所述的探測(cè)溫度。

其有益效果是消除了不穩(wěn)定溫度測(cè)量結(jié)果的影響，可到更為準(zhǔn)確的生物反應(yīng)器內(nèi)部溫度。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明的溫度控制系統(tǒng)，適用于高通量的微型生物反應(yīng)器的溫度控制，為生物反應(yīng)過(guò)程的精確控制提供了幫助；反應(yīng)罐體積小，溫度控制精度高，可達(dá)±0.1℃；增加了數(shù)字濾波器，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)速度的前提下，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能；具有多路反應(yīng)罐溫度在線(xiàn)檢測(cè)的功能，還可以對(duì)反應(yīng)罐做獨(dú)立的控制；具有故障顯示報(bào)警、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)記錄和歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)的功能，方便生物反應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取和分析，對(duì)科研工作提供了巨大的幫助。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明溫度控制系統(tǒng)反應(yīng)罐單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明溫度控制系統(tǒng)反應(yīng)罐單元俯視圖；

圖4為本發(fā)明溫度控制系統(tǒng)原理框圖

其中1-散熱風(fēng)扇；2-散熱片；3-半導(dǎo)體制冷片；4-橡皮圈；5-通孔（實(shí)際間距要小，此處為便于顯示，與傳感器區(qū)分）；6-溫度傳感器；7-反應(yīng)罐上蓋；8-生物反應(yīng)罐；9-導(dǎo)冷片；10-生物反應(yīng)罐基座；11-加熱鎢絲底座；12-加熱鎢絲。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1：

如圖1所示，一種高通量微型生物反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)，上位機(jī)、控制器MCU、顯示報(bào)警單元、變送器、驅(qū)動(dòng)電路以及16—48路反應(yīng)罐單元，上位機(jī)和控制器MCU通過(guò)RS485或以太網(wǎng)接口連接，控制器MCU與顯示報(bào)警單元相連，控制器MCU與變送器、驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)RS485總線(xiàn)相連，驅(qū)動(dòng)電路和變送器與反應(yīng)罐單元相連。

如圖2、圖3所示，所述的反應(yīng)罐單元包括30mm*30mm*60mm的比色皿、反應(yīng)罐基座、半導(dǎo)體制冷片TES1-06302、加熱鎢絲及其底座和溫度傳感器PT100，檢測(cè)精度AAA（1/8B，±0.036℃），加熱鎢絲置于其底座一同放入帶有凹槽的反應(yīng)罐基座中，在加熱鎢絲上方放置比色皿，比色皿兩端放置有兩個(gè)導(dǎo)冷片，通過(guò)螺釘緊固，在導(dǎo)冷片和散熱片之間通過(guò)導(dǎo)熱硅膠將半導(dǎo)體制冷片膠粘固定，散熱片另一端粘有散風(fēng)扇，比色皿上方該有帶孔的密封蓋，同時(shí)通過(guò)橡膠圈對(duì)密封蓋四周作進(jìn)一步密封，溫度傳感器PT100通過(guò)密封蓋上方的孔伸入到容器中，傳感器選擇小型的PT100，重量輕，密封蓋選擇彈性較大的橡膠制品足以保證其具有較好穩(wěn)定性。

為較好地保證溫度控制系統(tǒng)檢測(cè)控制±0.1℃的精度，傳感器選擇小型PT100，測(cè)量精度應(yīng)高于0.05℃。保證了溫度控制精度高，可達(dá)±0.1℃；

驅(qū)動(dòng)電路制冷環(huán)節(jié)應(yīng)根據(jù)制冷片額定電壓5V，額定電流2A的要求選擇；加熱環(huán)節(jié)應(yīng)根據(jù)加熱鎢絲額定電壓5V，額定電流1A的要求選擇。

變送器為帶485通訊的熱電阻輸入模塊、溫度變送模塊或模擬量輸入模塊，一個(gè)變送器可以接一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器，從而減少模塊數(shù)量。

上位機(jī)為工控機(jī)，控制器MCU為STM32F407，對(duì)于處理速度要求高、抗干擾能力強(qiáng)的場(chǎng)合則可使用DSP；工控機(jī)和控制器MCU均須帶有485接口（232接口須加轉(zhuǎn)換模塊）或以太網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)曲線(xiàn)記錄和歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)的功能，方便生物反應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取和分析。

實(shí)施例2：

一種高通量微型生物反應(yīng)器溫度控制方法，包括以下步驟

（1）探測(cè)微型生物反應(yīng)器內(nèi)部的溫度；

（2）采用模糊控制方法，將探測(cè)溫度與設(shè)定的溫度進(jìn)行模糊處理，然后根據(jù)設(shè)定的模糊規(guī)則進(jìn)行PID參數(shù)的自整定，最后對(duì)PID參數(shù)的自整定的結(jié)果進(jìn)行解模糊化處理；

（3）采用PID控制方法，根據(jù)探測(cè)溫度與設(shè)定的溫度之差和（2）中的解模糊化處理結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，確定加熱或者制冷的目標(biāo)溫度；

（4）根據(jù)所述加熱或者制冷的目標(biāo)溫度，對(duì)所述探測(cè)生物反應(yīng)器進(jìn)行加熱或制冷；

重復(fù)步驟（1）至（4），使所述生物反應(yīng)器的內(nèi)部溫度恒定于所述設(shè)定的溫度。

本發(fā)明采用的模糊自適應(yīng)PID控制，是在PID控制的基礎(chǔ)上加入模糊控制器?？刂频闹黧w仍是PID控制，模糊控制器的作用在于提高系統(tǒng)的抗干擾能力和實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自整定，具體為：溫度控制系統(tǒng)的設(shè)定值與反饋值的偏差和偏差變化率作為模糊控制器的輸入以兼顧系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能，模糊控制器首先對(duì)輸入量做模糊化處理，然后根據(jù)設(shè)定的模糊規(guī)則進(jìn)行推理決策，其推理決策即包含了對(duì)PID參數(shù)的自整定,最后模糊控制器對(duì)推理決策內(nèi)容進(jìn)行解模糊化處理，輸出給PID控制器，PID控制器根據(jù)輸入偏差的變化和模糊控制器的輸出作出相應(yīng)的控制處理。

模糊控制器包括四部分：(1)模糊化。主要作用是選定模糊控制器的輸入量，并將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識(shí)別的模糊量，具體包含以下三步：第一，對(duì)輸入量進(jìn)行滿(mǎn)足模糊控制需求的處理;第二，對(duì)輸入量進(jìn)行尺度變換;第三，確定各輸入量的模糊語(yǔ)言取值和相應(yīng)的隸屬度函數(shù)。(2)規(guī)則庫(kù)。根據(jù)人類(lèi)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)建立模糊規(guī)則庫(kù)。模糊規(guī)則庫(kù)包含眾多控制規(guī)則，是從實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)過(guò)渡到模糊控制器的關(guān)鍵步驟。(3)模糊推理。主要實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)的推理決策。(4)解模糊。主要作用是將推理得到的控制量轉(zhuǎn)化為控制輸出。

對(duì)（1）的結(jié)果進(jìn)行滑動(dòng)均值濾波，將濾波所得結(jié)果作為（2）中所述的探測(cè)溫度。

滑動(dòng)均值濾波的方法是把連續(xù)取得的N個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為N，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉原來(lái)隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)（先進(jìn)先出原則），把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，獲得新的濾波結(jié)果。N值的選?。毫髁?，N=12；壓力，N=4；液面，N=4-12；溫度，N=1-4。

其優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高；適用于高頻振蕩的系統(tǒng)。

對(duì)（1）的結(jié)果進(jìn)行低通濾波，將濾波所得結(jié)果作為（2）中所述的探測(cè)溫度。其有益效果是濾除系統(tǒng)中的高頻信號(hào)，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾的能力。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以?xún)?nèi)。