基于LabVIEW的發(fā)酵尾氣監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計*

劉澤蒙，張廣明，陳可泉，肖乾坤，張瑞

（1.南京工業(yè)大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，南京211816；2.南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，南京211816）

基于LabVIEW的發(fā)酵尾氣監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計*

劉澤蒙1，張廣明1，陳可泉2*，肖乾坤2，張瑞2

（1.南京工業(yè)大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，南京211816；2.南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，南京211816）

為了能夠?qū)崟r的獲取、分析發(fā)酵過程中呼吸商的變化情況，設(shè)計了發(fā)酵過程的尾氣監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以LabVIEW為主要開發(fā)平臺，并輔以MATLAB和MySQL數(shù)據(jù)庫，以實現(xiàn)對微生物發(fā)酵過程尾氣數(shù)據(jù)的在線檢測、存儲，以及實時調(diào)節(jié)呼吸商（RQ）。系統(tǒng)采用Fuzzy-PID控制算法穩(wěn)定調(diào)控RQ值在0.82，其靜態(tài)誤差僅在±0.02，并通過實驗對比說明Fuzzy-PID控制優(yōu)于常規(guī)PID控制。

尾氣監(jiān)控；虛擬儀器；模糊控制；MySQL；呼吸商

發(fā)酵過程中尾氣的在線監(jiān)測在微生物發(fā)酵的在線調(diào)控，提高產(chǎn)率方面起著重要的作用。通過發(fā)酵尾氣數(shù)據(jù)的分析，不僅可以了解發(fā)酵的狀態(tài)和進展，確定發(fā)酵基質(zhì)消耗情況，而且還可以幫助判斷發(fā)酵結(jié)束時間?；赗Q的補料控制對于優(yōu)化發(fā)酵工藝具有重要意義［1］，肖杰、史仲平等［2］提出了在谷氨酸發(fā)酵中，將攪拌速率作為控制變量，采用常規(guī)PID分階段控制RQ值，提高了谷氨酸產(chǎn)率。熊智強等［3］在GSH發(fā)酵中，采用了基于RQ的PID反饋補糖控制，并對人工、乙醇以及RQ反饋控制結(jié)果進行比較，證明RQ反饋控制在工業(yè)GSH發(fā)酵中的優(yōu)越性。本研究在此基礎(chǔ)上，采用了先進的模糊PID控制，自適應(yīng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)，提高控制的快速性、準確性與穩(wěn)定性，從而提高GSH的產(chǎn)率。

目前發(fā)酵領(lǐng)域的檢測與控制技術(shù)發(fā)展迅速，發(fā)酵監(jiān)測平臺不僅要求的傳感器和執(zhí)行器，還要有一套運行良好、可靠性強的軟件。但是現(xiàn)行使用的C/C++、 VB等高級編程語言上手復(fù)雜，研發(fā)周期長，效率低。LabVIEW軟件則解決了這一難題，LabVIEW是美國NI（National Instrument）公司開發(fā)的基于圖形編譯語言的虛擬儀器集成環(huán)境。其開發(fā)簡單，應(yīng)用廣泛，可維護性好，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器完成數(shù)據(jù)采集及顯示、分析及控制功能。大大縮短了研發(fā)周期并降低了硬件開發(fā)成本，具有很好的應(yīng)用前景［4-6］。

1　系統(tǒng)總體框架設(shè)計

本系統(tǒng)采用實驗室自主開發(fā)的尾氣分析儀檢測發(fā)酵過程中的尾氣（CO2和O2濃度），尾氣分析儀是以AVR單片機為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其采集了包括大氣壓、溫度、氧分壓、二氧化碳分壓等數(shù)據(jù)，采樣率為1 Hz，采用串口通信方式，波特率為9 600；并外置了USB串口端口、A/D轉(zhuǎn)換模塊和D/A轉(zhuǎn)換模塊等資源。通過該裝置的外圍USB串口資源將CO2、O2濃度值發(fā)送到上位機，上位機采用PC機，人機交互界面由LabVIEW編寫而成，上位機通過USB串口與尾氣分析儀進行通信。

LabVIEW所編寫的程序任務(wù)包括：數(shù)據(jù)采集、實時顯示等。模糊控制算法的實現(xiàn)由MathWorks公司的MATLAB編寫，最后結(jié)合LabVIEW與MATLAB進行混合編程［7，8］。歷史實驗數(shù)據(jù)的存儲采用了數(shù)據(jù)庫技術(shù)，采用MySQL軟件［9］進行數(shù)據(jù)庫的構(gòu)造，并與LabVIEW混合編程，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫操作（圖1）。

圖1　尾氣監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計框圖

本文基于LabVIEW平臺設(shè)計尾氣監(jiān)控系統(tǒng)，通過設(shè)定合適的呼吸商值（RQ），經(jīng)模糊控制器（Fuzzy-PID）輸出電壓控制信號，并經(jīng)尾氣分析儀的外圍資源D/A模塊轉(zhuǎn)換為電壓信號，驅(qū)動蠕動泵工作，對發(fā)酵罐進行補料，從而調(diào)控發(fā)酵過程的RQ值。

2　軟件設(shè)計

LabVIEW軟件設(shè)計包括前面板的設(shè)計以及圖形化程序框圖的設(shè)計［6］。上位機通過USB串口接收尾氣分析儀上傳的數(shù)據(jù)，對濃度數(shù)據(jù)進行處理后將其實時顯示在前面板上并可在前面板上完成系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，同時，將系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)以及尾氣數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫中包括的數(shù)據(jù)有：發(fā)酵過程的時間及其對應(yīng)CO2/O2濃度數(shù)據(jù)、輸出電壓信號和通氣量等。可對各參數(shù)變化作統(tǒng)計以及分析，并繪制歷史圖表、打印等工作。還可通過設(shè)置合適的RQ值，實現(xiàn)基于RQ的模糊反饋補料控制［10］。監(jiān)控界面如圖2所示。

圖2　監(jiān)控系統(tǒng)主界面

2.1上位機與尾氣分析儀的通信

在LabVIEW中使用VISA驅(qū)動，通過調(diào)用VISA中的子函數(shù)可實現(xiàn)多種通用協(xié)議如GPIB、RS232、USB、PXI或VXI等儀器的通信，而無需考慮各儀器之間通信協(xié)議的差異［11］。

CO2、O2傳感器發(fā)送特定格式的字符串給上位機，USB串口傳輸：波特率9 600，8個數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗位，一個停止位。串口在接收數(shù)據(jù)時，由于有一定的延時，LabVIEW在讀取時也要延時相應(yīng)的時間。本系統(tǒng)中讀取延時為5 000 ms，LabVIEW框圖程序依次調(diào)用VISA資源配置（初始化）→VISA讀取→VISA寫入→VISA關(guān)閉，程序循環(huán)，不斷接收串口數(shù)據(jù)。

接收到的數(shù)據(jù)為字符串形式，使用正則匹配式對其進行拆分，提取有用信息，利用Fract/Exp?StringToNunlber函數(shù)將字符轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)字型，送至趨勢圖中實時顯示［4］。

2.2Fuzzy-PID控制器

微生物發(fā)酵是一個復(fù)雜的過程，其具有非線性、時變性的特點。生物學(xué)參數(shù)測量困難，影響因素錯綜復(fù)雜，但發(fā)酵過程中，pH值、溫度、溶氧濃度、攪拌速率、以及尾氣組分等物理、化學(xué)參數(shù)要更易檢測和控制［3］。本系統(tǒng)采用基于RQ值的補料控制，通過控制RQ值的水平，間接控制發(fā)酵過程中微生物的代謝。補糖速率控制采用精密蠕動泵BT100-2J（蘭格精密泵）作為執(zhí)行器，輸入電壓值范圍為0～5 V，蠕動泵輸出流速范圍為0.000 2 mL/min～380 mL/min。設(shè)定泵進行恒定流速控制（180 mL/min），保證補糖速率與輸入電壓值成線性關(guān)系，調(diào)整兩個控制變量的比例系數(shù)即可關(guān)聯(lián)電壓值與補糖速率。

雖然傳統(tǒng)的PID控制算法穩(wěn)態(tài)性好，精度高，但魯棒性差，容易產(chǎn)生振蕩，積分飽和以及超調(diào)。同時PID算法無法適應(yīng)非線性時變系統(tǒng)的參數(shù)變化，而引入模糊控制后，通過實時整定PID參數(shù)，實現(xiàn)控制器參數(shù)的自調(diào)整，大大提升了對RQ的控制效果。RQ值可由簡化后的公式（1）［12］得到。

該系統(tǒng)的模糊控制算法通過調(diào)用MATLAB中的模糊工具箱來完成，F(xiàn)uzzy-PID控制原理如圖3所示。

圖3　Fuzzy-PID控制原理圖

首先設(shè)定值與測定值比較得到受控量的偏差e和偏差變化率ec作為控制器的輸入，輸出則為Δkp、Δki、Δkd。通過檢測輸入量e與ec，不斷調(diào)整比例、積分和微分3個參數(shù)值。

圖中所示被控對象為發(fā)酵過程，其中RQ值的偏差e的論域為［-1，1］，偏差變化率ec的論域為［-1，1］，將輸入與輸出的模糊狀態(tài)論域分為7個模糊子集：｛PB（正大）、PM（正中）、PS（?。㈱O（零）、NS（負?。?、NM（負中）、NB（負大）｝，Δkp、Δki、Δkd模糊狀態(tài)論域均取為［-3，3］。確定Kp、Ki、Kd的變化范圍，從而確定Δkp、Δki、Δkd的取值范圍；通過經(jīng)驗嘗試，得到：Kp范圍［50，200］、Ki范圍［0.05，0.5］、Kd為0。根據(jù)發(fā)酵過程的特點和PID調(diào)節(jié)經(jīng)驗，模糊狀態(tài)論域分為3個階段并順序交疊使用高斯、鐘形以及Z型隸屬度函數(shù)。

結(jié)合輸入變量與Kp、Ki、Kd間的關(guān)系，并根據(jù)實際控制過程中PID參數(shù)的實際操作的變化，建立模糊推理表，模糊推理規(guī)則可見于文獻［10］。

該模糊控制器采用Mamdani模糊推理，其形式為：

得到對應(yīng)Δkp、Δki、Δkd的隸屬度后，采用加權(quán)平均法進行解模糊運算。

LabVIEW中有兩種方法可調(diào)用MATLAB程序等，1種是采用MATLAB Script節(jié)點，第2種是使用ActiveX函數(shù)模的方法。該系統(tǒng)采用第1種方式實現(xiàn)MATLAB程序的調(diào)用。該節(jié)點具有多輸入、多輸出的特點，且其只有LabVIEW中的數(shù)據(jù)與MAT?LAB中對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型相同，才能進行數(shù)據(jù)傳遞。

Fuzzy-PID的框圖程序主要由一個循環(huán)結(jié)構(gòu)、條件判斷結(jié)構(gòu)以及MATLAB Script節(jié)點結(jié)構(gòu)組成，利用循環(huán)結(jié)構(gòu)的移位寄存器來保存數(shù)據(jù)。移位寄存器可將上一次循環(huán)的值傳遞至下一次循環(huán)，借助移位寄存器記錄模糊控制器的運行狀態(tài)以及中間結(jié)果。最后通過VISA串口寫入將輸出結(jié)果輸入到尾氣分析儀中，具體程序框圖如圖4所示。

圖4　Fuzzy-PID部分框圖程序

2.3LabVIEW與MySQL數(shù)據(jù)庫混合編程

LabVIEW也有多種與數(shù)據(jù)庫通信的方法，第1種是直接使用NI的LabVIEW的數(shù)據(jù)庫工具包，第2種是使用C/C++語言生成DLL文件，以便LabVIEW調(diào)用DLL訪問數(shù)據(jù)庫，第3種是使用LabVIEW中的ActiveX功能調(diào)用Microsoft ADO對象從底層編程實現(xiàn)，本系統(tǒng)中采用了基于第3種訪問方式的工具包LabSQL［13］實現(xiàn)。LabSQL是一個多數(shù)據(jù)庫、跨平臺的LabVIEW數(shù)據(jù)庫工具包，其將復(fù)雜的底層ADO及SQL操作封裝成一系列的LabSQL VIs。LabSQL支持Windows操作系統(tǒng)中任何基于OBDC的數(shù)據(jù)庫，包括Acess、SQLServer、Orcale、Pervasive、Sybase等。本文實時地將數(shù)據(jù)寫入MySQL數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫功能區(qū)接收緩存區(qū)的串口數(shù)據(jù)，與前面板的輸入值：RQ設(shè)定值，通氣量做為一組數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，采用for循環(huán)結(jié)構(gòu)寫入緩存區(qū)中的大量數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5　LabVIEW數(shù)據(jù)寫入MySQL數(shù)據(jù)庫程序框圖

3　結(jié)果與討論

設(shè)計本系統(tǒng)主要是為了實時監(jiān)測微生物發(fā)酵尾氣中CO2、O2的濃度，間接得到呼吸代謝參數(shù)RQ，顯示于PC機上，并對發(fā)酵過程進行基于RQ反饋Fuzzy-PID補料控制。將本系統(tǒng)應(yīng)用于谷胱甘肽（GSH）補料分批發(fā)酵實驗，本實驗采用New Bruns?wick的BF-115型7.5升自動控制發(fā)酵罐實現(xiàn)微生物發(fā)酵過程的pH、溶氧以及溫度的控制。

發(fā)酵前期（0～12 h）由于培養(yǎng)基中葡萄糖充足，細胞生長迅速，RQ值快速增大，隨后葡萄糖濃度下降，呼吸作用減弱，RQ下降；此時，當RQ值小于設(shè)定值時，切換至自動控制補料模式。從而達到提高細胞密度、GSH產(chǎn)量和胞內(nèi)GSH含量的目的［14］。首先采用傳統(tǒng)PID控制算法進行發(fā)酵補料控制，RQ設(shè)定值為0.82，反饋控制開始于發(fā)酵后12 h左右，采用Lab?VIEW監(jiān)測系統(tǒng)實時檢測RQ值，利用控制器輸出的電壓信號控制蠕動泵進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，使RQ值維持在設(shè)定值，測量結(jié)果如圖8（左）所示?？芍?2 h～16 h左右，RQ值強烈振蕩，處于動態(tài)調(diào)節(jié)過程；20 h后RQ值趨于平穩(wěn)。但在反應(yīng)過程中受到系統(tǒng)干擾（40 h～45 h），振蕩較為強烈，其靜態(tài)誤差在±0.05。

圖6　RQ*=0.82，基于LabVIEW平臺的RQ歷史趨勢圖比較

陳可泉（1982-），男，漢族，江蘇南京人，南京工業(yè)大學(xué)，副教授，主要從事生物過程工程與系統(tǒng)工程領(lǐng)域的研究工作，kqchen@njtech.edu.cn。

圖7　不同RQ設(shè)定值下歷史趨勢圖

圖6（右），在發(fā)酵10 h后，RQ值下降至低于設(shè)定值0.82，切換至Fuzzy-PID控制模式，18小時后RQ值基本保持穩(wěn)定；采用了Fuzzy-PID控制算法的RQ值在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中能夠?qū)_動進行快速的反應(yīng)與調(diào)整，其調(diào)節(jié)時間也大大降低。在40 h左右出現(xiàn)的系統(tǒng)擾動中，F(xiàn)uzzy-PID控制器能夠更好的處理此種狀況，并且其靜態(tài)誤差為±0.02。圖7顯示了在同一批GSH發(fā)酵實驗中，模糊PID控制器的控制效果。

4　結(jié)語

本文采用了LabVIEW軟件作為開發(fā)平臺，開發(fā)周期短，易實現(xiàn)，可維護性好。采用LabVIEW實現(xiàn)對尾氣數(shù)據(jù)的采集和顯示，并將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲于MySQL數(shù)據(jù)庫。完成了基于MATLAB的Fuzzy-PID控制算法，并利用LabVIEW中的MATLAB Script節(jié)點調(diào)用該控制算法，彌補了LabVIEW無法進行復(fù)雜算法分析和編寫的缺點。

本監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于GSH發(fā)酵實驗中，達到了預(yù)期的目的，驗證了系統(tǒng)的可靠性和優(yōu)越性。所設(shè)計系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了實時監(jiān)測，有助于發(fā)酵過程中相關(guān)參數(shù)的實時分析，而且提高了發(fā)酵優(yōu)化控制的自動化水平。

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劉澤蒙（1990-），男，漢族，江蘇宿遷人，南京工業(yè)大學(xué)，碩士研究生，主要從事發(fā)酵過程在線檢測與控制研究，425180220@qq.com；

Design of Exhaust Gas Monitoring System for Fermentation Process Based on LabVIEW*

LIU Zemeng1，ZHANG Guangming1，CHEN Kequan2*，XIAO Qiankun2，ZHANG Rui
（1.Nanjing Tech University College of Electrical Engineering and Automation，Nanjing 211816，China；2.Nanjing Tech University College of biological and pharmaceutical engineering，Nanjing 211816，China）

In order to obtain these real-time parameters and analyze the changes of respiratory quotient，an exhaust gas online monitoring system is designed，the system is based on LabVIEW，which is supplemented by MATLAB and MySQL database.The integration of software resources achieves microbial fermentation process RQ online mon?itoring，data storage，and real-time adjustment of RQ.System uses Fuzzy-PID control as feedback control algorithm to control the RQ values to the set point 0.82，Static error of which is only 0.02.Through the experimental compari?son，F(xiàn)uzzy-PID control was proven more reliability and superiority then traditional PID control.

exhaust gas monitoring；virtual instrument；fuzzy control；MySQL；respiratory quotient

TP273

A

1005-9490（2016）02-0464-05

EEACC：7320T10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.043

項目來源：國家863計劃項目（2015AA021005）

2015-05-21修改日期：2015-07-13