8.5 监测和控制

在传统反馈控制中，如 PI 或 PID（比例积分-导数）控制，受控变量 (CV) 直接与设定点进行比较，然后通过反馈控制定律反馈到过程中。

在图 8.10 中，没有时间参数的信号用一个小字母表示，其中 y 是与参考（设定点）信号 r 进行比较的受控变量 (CV)。跟踪误差 ε (即 r-y) 被送入控制器，无论是硬件还是软件，控制输入_u_，也称为操纵变量 (MV)。 输入 u 直接影响输出 (y) 的结果过程 (P)。 随后将采样输出与 r 进行比较，后者关闭了循环。 在实践中，此循环一直持续到控制器关闭为止。 有大量关于反馈控制的文献（Doyle 等人，1992 年；莫里斯 2001 年；绪方 2010 年），多年来，这是一个研究的主题，从博德（1930 年）和奈奎斯特（1932 年）的作品开始。

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** 图 8.10** 带控制器 (C) 和过程 (P) 的反馈控制. r 参考信号, eps 跟踪误差, u 输入信号, y 输出西格玛

在 RAS 中，典型的 CV 为温度、pH 值和溶解氧 (DO) 浓度，这些浓度具有可靠的传感器。 因此，可以很容易地实现对这些水质参数的反馈控制。 然而，在实践中，大多数情况下，输入和输出信号受到噪声过程的干扰，例如未知的随机输入和测量噪声。 此外，由于生长、成熟、衰老等原因，整个过程 (P) 可能会随着时间的推移而变化。鱼饲料是对鱼类生长的另一种投入，其对鱼类生长的影响无法直接观察或测量。 对于这些参数，通常引入基于模型的控制器（例如前馈、模型预测和最佳控制）来预测控制输入变化的响应。 然而，鱼饲料通常是根据表格或配方中的值添加的，但这种基于规则的控制可能需要在实际实践中进行一些调整，以充当反馈控制器。 鱼类行为是一种传统的反馈控制措施，因为鱼类在运动、位置、饲料接受性等方面会对环境变化产生生生理反应。

水培生产通常在温室或植物工厂等受保护的环境中进行，在这些环境中需要控制根部和空中环境。 对最佳航空环境进行预测建模的开关控制器在实验研究中已被证明是优秀的，但商业化进展缓慢，而反馈控制器是大多数气候控制温室的标准设备。 然而，执行器因配有加热阀和通风口的控制器类型而异，通常由反馈控制，但照明通常具有 ON-OFF 机构，只有少数可调光。 依赖于传感器或数据输入的控制器可以响应受保护的环境中的快速增长，并产生高质量的农产品，从而提高其成本效益。 许多商业温室仍有位于中心位置的传感器，悬挂在农作物上方 1—2 米，占地数百平方米，但仍在使用多个覆盖较小区域的无线传感器，尽管许多详细数据无法使用，因为相当大气候区是由相同的执行器控制。 与建模软件相连的传感器技术（例如小气候温度传感器、图像处理器、实时气体交换或叶绿素荧光测量）的进步可以利用决策支持系统，并成为自动控制系统。

在典型的生物反应器系统中，通过温度、pH 值、加气系统中的溶解氧以及厌氧系统中的气体通量都会通过可用温度、pH 值和溶解氧控制器进行连续测量和调整。 除此之外，液压 (HRT) 和污泥保留 (SRT) 时间也经常通过控制 (废) 水流和生物质废物流来确定。