Analiza comparativă a algoritmilor de control al temperaturii pentru biosinteza vitaminei B12

Abstract

Scopul tezei de master constă în sinteza și analiza comparativă a algoritmilor de reglare automată a temperaturii pentru procesul de biosinteză a vitaminei B12, prin obținerea parametrilor optimi ai regulatoarelor tipizate (P, PI, PD, PID), utilizați în cadrul metodelor Gradul Maximal de Stabilitate, Ziegler–Nichols, metoda polinomială și optimizarea parametrică, cu validarea acestora pe modelul matematic și prin simulări în MATLAB/Simulink. În primul capitol sunt prezentate informațiile teoretice privind vitamina B12, particularitățile procesului de biosinteză, cerințele tehnologice ale fermentării și importanța controlului strict al temperaturii asupra randamentului metabolic. De asemenea se expun definițiile de bază ale sistemelor de reglare automată: obiect de reglare, regulator automat, acordarea regulatorului, metode de acordare a regulatoarelor, indicii de calitate. În capitolul al doilea sunt descrise legile de reglare tipice (P, PI, PD, PID) și metodele de acordare a regulatoarelor. Sunt prezentate atât metode empirice (Ziegler–Nichols), cât și metode analitice (gradul maximal de stabilitate, metoda polinomială), precum și procedura optimizării parametrice. În capitolul al treilea sunt realizate calculele de sinteză pentru fiecare regulator, conform metodelor selectate. Sunt derivate relațiile de calcul specifice modelului FOPDT și sunt determinați parametrii de acord pentru regulatoarele P, PI, PD și PID în funcție de metoda utilizată În capitolul al patrulea, s-au realizat simularea pe calculator a sistemului de reglare automată cu regulatorul sintetizat după metodele gradului maximal de stabilitate și Ziegler-Nichols, s-au ridicat răspunsurile indiciale ale sistemului și s-au determinat performanțele sistemului.

The purpose of the master’s thesis is the synthesis and comparative analysis of automatic temperature control algorithms for the vitamin B12 biosynthesis process, by determining the optimal parameters of standard controllers (P, PI, PD, PID) using the Maximum Stability Degree method, Ziegler Nichols method, the polynomial method, and parametric optimization, with validation based on the mathematical model and MATLAB/Simulink simulations. The first chapter presents theoretical information on vitamin B12, the particularities of the biosynthesis process, technological fermentation requirements, and the importance of strict temperature control for metabolic yield. It also outlines the basic definitions of automatic control systems: control object, automatic controller, controller tuning, tuning methods, and quality indices. The second chapter describes the typical control laws (P, PI, PD, PID) and the controller tuning methods. Both empirical methods (Ziegler–Nichols) and analytical methods (maximum stability degree, polynomial method), as well as the parametric optimization procedure, are presented. The third chapter contains the synthesis calculations for each controller according to the selected methods. The calculation relations specific to the FOPDT model are derived, and the tuning parameters are determined for the P, PI, PD, and PID controllers based on each method. In the fourth chapter, computer simulations of the automatic control system with controllers synthesized using the maximum stability degree method and Ziegler–Nichols method were performed. The step responses of the system were obtained, and the system’s performance indicators were determined.