[发明专利]一种生物反应器的温度控制方法

说明书

本发明涉及一种生物反应器的温度控制方法，利用PID算法对温度的一阶导数进行控制，而非对温度值本身进行控制。通过计算获得当前温度的测量导数值f′(t1)_PV，并采用模型拟合的方式获得当前温度对应的目标导数值f′(t1)_SV，将上述两个导数值作为输入代入带积分限幅控制的PID算法，以PID算法的输出值作为加热效应器的控制值。此方法可获得低超调，低震荡的控制结果。此控制方法可以克服传统PID算法的超调和震荡对温度敏感的细胞的不利影响，极大地提高生物反应器应用场合细胞和活力。

技术领域

本发明属于生物反应器领域，具体涉及一种对生物反应器的温度控制方法，其具有超低的超调量，高度的预判能力的特点。

背景技术

生物反应器是生物工程生产中的关键技术设备，是疫苗生产、生物药制造、医学细胞治疗的核心设备，关系着人们生活医疗的安全和质量。生物反应器的温度控制对生产以及设备工作具有重要的关系，温度是需要严格控制的重要参数，其控制的精度对器内培养体系中的菌种活力至关重要，直接对疫苗生产、生物药制造、医学细胞治疗的质量及效率产生重要的影响。

一般生物反应器在温度控制时，均使用传统或优化的PID算法用于控制反应器内培养体系的温度，理想的PID控制曲线如图1所示。而传统或优化的PID算法无可避免地存在调控初期的超调和震荡现象，这些超调和震荡对于一个普通的工业系统可能不影响其稳定运行，但是在生物反应器这一场合，超调和震荡往往是致命的。生物细胞，特别是恒温动物细胞对温度的变化非常敏感，如人的二倍体细胞，其最佳培养温度为37摄氏度，但用传统PID算法控制温度，其超调温度很容易达到38摄氏度或以上，这等同于用于生产的细胞经历了一次高烧，将严重影响细胞的活力。

尽管多年来，工业控制上使用了很多的方法用于减少PID算法的缺陷，提高温度控制的精度例如：控制积分饱和，优化PID参数等，但是这些方法都不能完全消除PID算法的缺点，均无可避免地存在调控初期的超调和震荡现象，影响生物反应器的温度准确性。

发明内容

针对以上PID算法弊端造成的生物反应器温度调节滞后的现象，本发明提出一种生物反应器的温度控制方法。通过对温度控制算法进行优化，旨在消除传统PID算法造成的超调和震荡，在对生物反应器进行温度控制时，可获得一个低超调，低震荡的温度控制结果，保证生物反应器具有精准的温度，极大地提高生物反应器应用场合细胞和活力。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种生物反应器的温度控制方法，包括加热效应器，控制单元，以及温度传感器，所述温度传感器置于所述加热效应器内，并与控制单元连接，控制单元通过PID算法对加热效应器进行温度控制，其特征在于，PID算法通过计算获得当前温度的测量导数值f′(t1)_PV，并采用模型拟合的方式获得当前温度对应的目标导数值f′(t1)_SV，将上述两个导数值作为输入代入带积分限幅控制的PID算法中，以所述PID算法的输出值作为加热效应器的控制值，即可获得一个低超调，低震荡的温度控制结果。

优选的，PID算法具有Kp和Ki，Kd调节参数，其中，Kp为比例常数，Ki为积分时间常数，Kd为微分时间常数。

优选的，通过计算获得当前温度的测量导数值f′(t1)_PV，并采用模型拟合的方式获得当前温度对应的目标导数值f′(t1)_SV，其具体步骤为：

步骤(1)，设连续两次取样t1，t2时间，测出t1时刻的温度值为T1，t2时刻的温度值为T2，通过公式1计算出当前位置的测量导数值：