目的:近年来,随着科学技术的发展,动物细胞培养技术被广泛应用于生物医药产品的工业生产中,如蛋白质药物研发、干细胞移植、疫苗生产、人造组织器官等领域。例如造血干细胞移植可长期重建造血和免疫,它适用于治疗造血干、祖细胞或相关基因有缺陷的疾病,如白血病、重度免疫缺损、自身免疫病等,是一种重要的生物治疗或细胞治疗方法。但往往人体本身可提供的造血干细胞不足,这就迫切需要在体外对这些干细胞进行大规模扩增。生物反应器的提出就为造血干细胞的体外扩增提供了一种非常有效的方法。细胞的培养扩增过程是极其复杂的生物化学反应过程,其代谢必须在适宜的周围环境中才能有效进行。国外已经有比较成熟的生物反应器,但国内还没有商品化的动物细胞生物反应器。本文对波浪式生物反应器的控制系统进行研究,旨在完成一套基于波浪式生物反应器的细胞培养条件的控制系统,使其能更好的应用在细胞的扩增培养上,进而推动我国生物反应器行业向前发展。方法:通过对当前生物反应器培养条件的控制方法和控制系统进行分析和讨论,提出适合波浪式生物反应器培养系统的控制方法。控制系统的设计主要可以分为三部分:培养条件控制方法的设计、控制系统软/硬件部分设计、仿真及实际实验验证部分。关于控制方法的设计,根据温度控制要求及温度控制大滞后的特点,设计出Fuzzy-PID控制算法;根据PH控制要求及PH过程强烈非线性的特性,对分段式变增益PID进行改进,设计出四区段变增益PID控制算法;根据溶解氧浓度非定值控制的特点,设计出TP-PID的控制算法。关于控制系统软/硬件部分的设计,采用单片机为主控芯片,结合MPLAB、MATLAB等实现上、下位机的连接与配合。实验部分,在仿真实验的基础上进一步通过实际实验验证控制算法的效果以及控制系统的性能。内容:本文研究工作主要包括以下几个方面:（1）生物反应器控制系统分类及参数控制方法调研、控制系统控制方案设计。通过大量查阅文献并与相关行业人士接触,调研生物反应器细胞培养的最新进展情况。分析各类控制方法和控制系统的优缺点,从而为文章控制系统的选择和控制方法的提出提供研发的现实意义与应用前景。设计系统整体控制方案,通过比较硬件元器件的性能以及满足应用的情况,选出最佳的系统方案。（2）控制系统硬件设计与实现。系统硬件设计主要包括下位机执行部件的选择、上位机主控部件的选择以及上、下位机之间的集成。下位机硬件部分由主控芯片、检测器件、执行器件、传输线等几部分组成。主控芯片选择dspic30f6014a单片机为控制系统下位机的核心,该芯片将核心处理层及整个外围电路层如输入/输出端口、内存、定时器、计数器等全部都集成在一块芯片上,实现了实验数据的一整套的接收、计算、存储、发送功能;检测器件根据需要控制的T、PH、DO三个培养条件分别选择Pt100、在线PH仪、在线溶解氧仪;执行器件根据控制原理选择电热毯、蠕动泵、电磁阀等。上位机主控部件根据需要选择集显示、控制、存储等功能于一体的DGUS屏,实现对控制系统的整体监控。上、下位机集成主要由它们之间的通讯线连接及统一的通讯协议实现。（3）控制系统控制算法设计与实现。本文主要设计完成了三个控制算法,即针对温度控制的Fuzzy-PID控制算法、针对PH控制的四区段变增益PID控制算法和针对溶解氧浓度控制的TP-PID控制算法。其中,Fuzzy-PID控制算法并非采用传统的并联使用的模式,而是将两种方法整合到一起,以检测信号作为模糊控制的输入,以模糊控制的输出作为PID控制的输入,最后以PID控制的输出作为系统控制信号的输出;四区段变增益PID控制是在分段式变增益PID的基础上根据生物反应器的实际情况进行改进得到的,充分考虑了PH控制的强烈的非线性特性;溶解氧浓度控制算法的设计考虑只需将其控制在某一范围内即可,主要是参考传统控制的模式。（4）人机交互界面设计及触控配置完成。上位机人机交互界面选用DGUS屏,型号为DWT80600T080₀6WT,使用Microsoft Visio Premium 2010进行图片制作,需要显示的图片主要包括系统初始化部分、主界面部分、数据输入界面部分等。触控配置使用DGUS配置工具V49,将制作好的图片导入配置工具,按照显示屏操作要求在相应区域位置添加文本显示、按键返回、RTC显示等配置操作,并设置好相应配置的变量地址、文本长度、按键值、案件效果等。将配置好触控功能的显示图片导入到DGUS屏里就完成了人机交互界面的设计。（5）仿真实验加实际实验验证算法可靠性及控制系统性能。为验证控制算法的可靠性,首先使用MATLAB软件中的Simulink软件包设计Fuzzy-PID的温度控制仿真实验和分段式变增益PID的PH控制仿真实验,两个仿真实验均以控制时间和控制精度作为控制算法性能可靠的判断依据。仿真实验验证算法可靠性之后设计实际实验进行验证。使用MPLAB软件按照算法设计编写三种控制算法的程序并将其导入单片机进行实际实验,验证标准依然是控制的时间和稳定后的控制精度。结果:本文根据细胞培养的要求,完成了波浪式生物反应器控制系统中T、PH、DO三个培养条件控制算法的设计,完成了控制系统硬件选择,完成了控制系统电路设计,完成了上、下位机通讯设计,完成了人机交互界面的选择和设计,完成了单片机对应程序的编写,最后在仿真实验基础上设计实际实验完成了算法可靠性的验证工作。发表了两篇论文。结论:本文介绍了各类生物反应器控制系统及控制方法,具体分析了各控制系统的优缺点,提出采用单片机作为主控芯片对波浪式生物反应器控制系统进行研究,并根据要调节的培养条件的特性设计出不同的控制方法。在实际实验进行控制时,温度控制精度可达到±0.1℃,PH控制精度可达到±0.05,溶解氧浓度精度可达到±6%。表明本文所研制的控制系统能够稳定可靠的运行且控制效果良好,说明控制系统能很好地维持细胞生长需要的适宜的环境,满足细胞培养过程的控制要求。本文的创新点在于根据不同被控条件设计出相应的控制方法,如针对温度控设计了模糊PID控制、针对PH控制设计了四区段变增益PID控制;使用dsPIC30f6014a型号单片机作为主控芯片,不仅降低了研发成本,还提高了系统灵活性,缩短了开发周期;使用DGUS屏作为人机交互界面,实现了对控制界面的搭配式设计;将系统进行模块化设计,最后集合到一起,降低了故障的影响率。