Trong quá trình lên men, nuôi cấy tế bào, nuôi trồng thủy sản và xử lý nước có yêu cầu nghiêm ngặt đối với carbon dioxide hòa tan (dCO₂), việc kiểm soát chính xác là rất quan trọng. Các điều khiển tham số đơn truyền thống có tính chậm lại và không chính xác. Đề xuất này đề xuất một chiến lược điều khiển tiên tiến dựa trên sự liên kết của cảm biến CO ₂ hòa tan với điện cực pH, nhằm nâng cao sự ổn định và hiệu quả của quá trình.
I. Cấu trúc hệ thống và nguyên tắc
Lõi hệ thống bao gồm ba phần:
Cảm biến CO ₂ hòa tan: trực tiếp, liên tục đo áp suất riêng phần hoặc nồng độ CO ₂ trong môi trường làm biến điều chỉnh chính của hệ thống điều khiển. Nó đáp ứng trực tiếp và là mục tiêu cuối cùng của kiểm soát.
Điện cực pH: Là một biến phụ điều chính. Vì CO ₂ hòa tan trong nước tạo thành axit cacbonic, làm giảm độ pH, cả hai đều có mối quan hệ toán học xác định (định luật Henry, cân bằng axit cacbonic) trong các hệ thống cụ thể, chẳng hạn như hệ thống đệm cacbonat.
Bộ điều khiển thông minh: Nhận tín hiệu từ cả hai cảm biến, thực hiện các thuật toán điều khiển lõi và đưa ra các hướng dẫn cho bộ truyền động (chẳng hạn như van điều chỉnh thông lượng hoặc bơm nhu động).
II. Chiến lược kiểm soát liên kết
Cốt lõi của điều khiển liên kết nằm ở việc sử dụng tính bổ sung của hai tham số để tạo thành chế độ điều khiển tổng hợp "feedfast-feedback".
Kiểm soát chuyển tiếp (dựa trên pH): Giá trị pH thường phản ứng nhanh hơn với sự thay đổi CO ₂ so với cảm biến dCO ₂ chuyên dụng. Sự thay đổi nhỏ nhưng có thể phát hiện được trong pH xảy ra khi đột biến năng suất CO ₂ do chuyển hóa vi sinh vật hoặc các lý do khác trong quá trình xử lý. Theo đó, bộ điều khiển có thể dự đoán trước xu hướng chuyển động của dCO₂ và tinh chỉnh bộ điều hành trước thời hạn (chẳng hạn như tăng lượng khí thải) để đạt được "can thiệp trước" để ngăn chặn các biến động lớn.
Kiểm soát phản hồi (dựa trên dCO₂): Cảm biến dCO₂ cung cấp phản hồi mục tiêu điều khiển trực tiếp và cuối cùng nhất. Bộ điều khiển so sánh giá trị đo thực của dCO₂ với giá trị thiết lập, sửa chữa chính xác bằng các thuật toán như PID, loại bỏ lỗi trạng thái ổn định. Điều này đảm bảo độ chính xác lâu dài của việc kiểm soát.
Kiểm tra lẫn nhau dữ liệu và bảo mật: Các bài đọc của cả hai cảm biến phải nằm trong phạm vi đáng tin cậy của tính toán lý thuyết. Trong trường hợp pH giảm mạnh và đọc dCO₂ không tăng tương ứng, hệ thống có thể đánh giá là lỗi cảm biến (chẳng hạn như trôi điện cực pH hoặc vỡ màng dCO₂) và kích hoạt báo động, chuyển sang chế độ an toàn hoặc dựa vào cảm biến đáng tin cậy hơn để ngăn chặn hoạt động sai.
III. Lợi thế chương trình
Đáp ứng nhanh: Độ trễ phản ứng vốn có của cảm biến dCO₂ được khắc phục bằng cách sử dụng các đặc tính phản ứng nhanh của pH.
Kiểm soát chính xác: kết hợp nguồn cấp dữ liệu và phản hồi, giảm đáng kể lượng vượt quá và biến động, duy trì sự ổn định cao của môi trường quá trình.
Độ tin cậy cao: Thiết kế dự phòng cảm biến kép cung cấp chức năng kiểm tra dữ liệu, tăng cường khả năng chịu lỗi và bảo mật của hệ thống.
Tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng: Kiểm soát trơn tru làm giảm khởi động và dừng thường xuyên với các hành động lớn của các thiết bị truyền động, chẳng hạn như máy bơm không khí, giúp giảm tiêu thụ năng lượng.
Tóm tắt: Sơ đồ điều khiển liên kết của cảm biến CO ₂ hòa tan với điện cực pH, thông qua sự kết hợp hữu cơ giữa đo mềm và đo trực tiếp, đã xây dựng một hệ thống điều khiển thông minh và mạnh mẽ hơn, đặc biệt thích hợp cho những dịp đòi hỏi khắt khe đối với môi trường phản ứng sinh hóa, là phương tiện hiệu quả để đạt được tự động hóa các quá trình hóa học và sinh học tốt.