一、自动控制
在人工控制中，控制的精度大多数场合取决于工作人员的操作水平，而高素质的操作人员的劳动费用是非常高的。自动控制是借助于自动化仪表和控制元件组成的控制器，对过程变量进行有效的测量和控制，使过程按预定的目标进行。
在发酵过程的自动控制中，经常采用的是反馈控制，检测器（传感器）对发酵参数x（t）进行测量，测量结果转变为电信号形式的检测量y（t），传送给控制器，控制器将检测量与控制参数的设定值r（t）进行比较，得出偏差e，根据偏差采用某种控制算法确定控制动作，对过程参数进行调控。
（一）自动控制系统
自动控制系统主要分为四种类型：开关控制、比例控制、积分控制和微分控制。
1.开关控制
开关控制是反馈控制中最简单的控制系统，它是由一个全开或是全关的末端控制元件（阀、开关等）控制。它所作出的响应模型线是振荡的，控制阀的动作是全关或全开。
例如，发酵温度的开关控制系统，它通过温度传感器检知反应器内温度，如果低于设定值，冷水阀关闭，蒸汽或热水阀打开；如果高于设定值，蒸汽或热水阀关闭，冷水阀打开，从而使温度控制在一定的范围内。
2.比例控制
比例控制是指控制器的输出变化与通过传感器所检测到的由环境变化（通常叫做误差）所产生的输出信号成比例。可用数学方程式表示为：
M=M0+KCΣ
式中M――输出信号
M0――无误差时控制器的输出信号
KC――控制器放大系数或敏感度
Σ――误差信号
误差（环境变化）越大，则动作的起始
校正动作也越大。当控制器的放大系数很大时，此控制模式可以看成是一种高振荡的简单开关控制器。随着控制器放大系数的减小，振荡减小。比例控制的振荡时间比开关控制大大减少。
3.积分控制
积分控制器的控制信号与偏差相对于时间的积分成正比，因此：
由于控制器对误差的积分需要一定的时间，因此在起始阶段输出信号的变化是相当缓慢的。与采用比例控制的控制选定参数相比，积分控制器与设定值的最大偏差是相当大的。
4.微分控制
微分控制器的控制信号与误差信号的变化速率成正比，因此：
在微分控制器中，如果误差是一个常数，则无控制动作。
（二）自动控制系统的硬件
发酵自动控制系统通常由传感器、变送器和执行机构构成。
1.传感器
自动控制系统中除了有可以测量发酵系统中物理和化学等直接参数的传感器外，一些根据直接参数对不可测的变量进行估计的变量估计器，也可以称为传感器。它对过程参数进行检测，并产生一个相应的输出信号。
2.变送器
变送器是指一些特殊的电路装置，它可以将传感器获得的信号变成可以被控制器接受的标准信号。变送器有时与传感器安装在同一装置内。
3.执行机构
是指直接实施控制动作的元件，如电磁阀、气动控制阀、电动控制阀、变速电机、蠕动泵等，它反应于控制器输出的信号或者操作者手动干预而改变的控制变量。执行机构可以连续动作，也可以间歇动作。
二、计算机控制基本概念
计算机是现代科学技术发展中的一项重大成果。电子计算机具有快速运算能力，按运算方式可分模拟计算机和数字计算机，模拟计算机可以将控制对象的有关变量以连续变化的电流、电压表示，对反映对象的数学模型进行运算。数学模型可靠地反映了生产过程各量值之间的关系，可通过理论推导或经验归纳获得，也可由两者结合获得。计算机还具有逻辑分析、资料储存等功能。
如果仅用计算机计算，另由管理人员参考计算结果对生产过程进行调节，这种操作形式称为离线操作。如果用计算机对所得到的控制对象的有关变量进行计算，并输出计算结果至调节机构，由调节机构对生产过程进行调节，这种操作形式称为在线操作，即计算机控制。发酵生产上专用的计算机由工业控制机及外围设备组成，工业控制机包括主机CPU、存储器、通用外部设备。
工业控制机的控制系统有开环控制、闭环控制两种。开环控制系统是计算机与被控对象间只有单向控制结构的系统，即计算机只向控制对象输出数据和命令，不需要得到被控对象的状态信息。闭环系统是一种具有双向控制结构的系统，即带反馈的控制系统。发酵生产中适用的计算机控制系统，需向计算机输入被控对象的状态信息，计算机据此给出各种指令，指挥执行机构调节发酵罐工作，是一种闭环系统。如果控制单个发酵罐，可用小型机或微型机，如果控制多个发酵罐或进行全厂控制，还需建立分级控制系统，即由多台计算机按不同层次构成的、各层次有不同分工要求的控制系统。
（一）计算机控制的方式
1.程序控制
程序控制就是在发酵过程开始之前，将发酵过程的各项条件及其变化顺序编织成固定程序，发酵实施过程中采用自动化工具，按预定的工艺要求，对生产过程进行顺序控制。程序控制为开口控制，它不论过程执行效果的好坏，都按预定的程序执行，不对发酵的工艺过程进行实时调节。例如：分批式发酵过程的灭菌、加料、接种、搅拌与通风、补料、放罐、清洗等。
2.定值调节
定值调节是指对发酵过程中的某些参数给出固定要求，并对被调参数按偏差的情况进行连续调节。
偏差（e）=给定值-测定值
①调节增量：在测定过程中数据进行n次采样，（n-1）次测量时的输出信号加上增量ΔP，即为第n次输出信号。
②采样周期：如果采样周期Δt过长，可能信号严重失真；Δt过短则使测量的偏差值过小，可能造成无法计入，偏差值过小还会造成测量误差影响相对较大。
对变化较快的参数，Δt应取小值，如流量调节回路取1s，压力回路取1～5s等；对变化较慢的参数，Δt取长一些，如温度调节回路取30s左右等。
例如发酵过程温度的定值调节过程：工艺给定值30
若发酵液温度测定值为29，正偏差1，系统自动控制减小冷却水进量，或提高加热水的温度，以提高发酵液的温度达到给定值。偏差越大，冷却水的量减少得越多。
若发酵液温度测定值为31，也就是负偏差1，则系统自动控制加大冷却水用量，或降低加热水温度，偏差越大，冷却水的增加量越大。
3.最优控制
最优控制是指根据生产情况，随时改变某些参数给定值，以达到生产过程的最优化控制。最优控制常用观察指标：最高产量、最优质量、最佳经济效益等。
设产量P与n个控制参数之间的关系可用函数表示为：
P=（fy1，y2，Λ，yn）
发酵开始时，每一控制参数都有一初始给定值：
y10，y20，y30，Λ，yn0
最优化控制时，根据生产过程的变化情况，改变其中某些参数给定值，使产量P达最大。
例如某发酵生产，要求氧浓度c控制在0.5～2.0mg/L，空气中氧的利用率η在15%～25%范围内。
溶氧定值控制原理是溶氧浓度的测量值c与设定值的下限0.5%比较，如果c≤0.5%，再判断氧的利用率，如果η≥25%，表明溶氧不足，应加大通风量。如果η15%，表明溶氧效果较差，应提高搅拌转速。若η0.5%，则判断是否低于设定值的上限，若c≤2.0%，说明供氧正常，不需要调整。若c>；2.0%，且η>；25%，说明溶氧过量，应降低搅拌转速。若c>；2.0%，且15%2.0%，且η<；15%，表明通风量过大，应减小通风量。
（二）计算机控制原理
1.直接数字控制原理
直接数字控制的原理是，生产过程中，传感器在测量某一参数时，输出的是一个电信号，这个电信号的强弱就反映了被测参数的大小。传感器在测量时产生的模拟量的电信号，由采样控制器依照一定的周期及次序接入模数转换器。模数转换器将模拟量的电信号变成计算机能够接收的二进制数字信号。数模转换器将计算机输出的二进制数字信号重新转变成模拟量的电信号，去控制执行机构。由能自动根据模拟量电信号改变转速高低的伺服电机完成调节动作。
直接数字控制机的优点在于：
①控制性能平稳，控制规律各项之间互不牵制，每次系数可任意调整而不影响其他各项。
②反应比较迅速。
③在不增加任何设备情况下，可实现前馈、单级等复杂调节及其他新型控制规律。
2.过程最优化控制原理
过程最优化控制亦称二级控制或中央控制，它与生产过程的联系是改变常规调节器的给定值或指挥直接数字控制机。
过程最优控制机与直接数字控制机的不同点在于：
①直控仪对每一参数是单独进行控制的，而最优控制机是根据生产过程最优化的数学模型进行控制，所以必须建立最优化的数学模型。
②过程最优化控制，要求计算机的存储量较大，运算速度高。
③过程最优化控制机不直接控制执行机构，而是改变常规模拟式调节器的给定值或在分级控制系统中与直接数字控制机互通信息。当过程最优控制系统出现故障时，生产仍能正常进行；但若直接数字控制系统出现故障，则生产过程失去控制。
3.间接测量计算发酵液组分
在发酵过程中，一部分参数可以通过生物传感器或其他测定方法直接获取，但还有部分需要调控的参数无法用传感器直接测得，这些参数对最优控制来说是必不可少的。完善的最优化控制必须控制全部有关的参数，而获得所需参数又必须依赖于相应的数学模型。因此，可以认为，数学模型的适用范围和完善程度直接影响最优化控制的范围和程度。
在发酵过程中，作为必须监测和控制的细胞浓度x、细胞生长速率dx/dt等重要参数，很难直接测定，计算机可以通过联机操作根据其他可测的状态参数间接测量计算得到。微生物生长动力学中产物生成偶联能量代谢的公式，可作为数学模型算出细胞浓度和比生长速率。
例如用计算机间接计算酵母培养过程中的细胞生长速率，酵母在增殖过程中，NH4OH的流加速率可以根据pH控制，因为发酵液内H+浓度的增加是由于NH4+中的NH3被酵母利用的结果，加入NH4OH将使H+得到中和。酵母细胞中氮的含量是一定的，因此，根据NH4OH的流加速率可以计算出酵母细胞的生长速率μx1.此结果与由呼吸商计算得到的酒精生成速率进行碳平衡，进而可计算酵母的耗糖速率-dS/dt和酵母对碳的生长得率YX/S及对氧的生长得率YX/O。另一方面根据氧平衡也可以得到酵母的生长速率μx2，比较μx1与μx2，若两者不一致，取平均值再进行碳平衡，直至获得满意的结果。
（三）数据分析
使用计算机对发酵过程中的有关参数进行数据分析，可深入了解发酵过程的物理、化学、生理和生化条件，指导生产，调整操作参数，获取新的信息。否则这些条件或者无从了解或者由于测定或计算费事、费时而只能在事后才能加以测定。
由直接测定的数据，如密度、搅拌功率、搅拌转速等，可计算出其他间接的数据。这些直接或间接的数据可进一步用作其他研究目的，如放大、过程控制等，这就把物理化学特性与发酵放大结合起来。
就生理性质而言，采用可靠的气体（氧及二氧化碳）分析仪所得的结果可用来对微生物的二氧化碳排出和氧吸收进行实时研究。就这一点来说，生化反应器起到微分呼吸仪的作用。通过测量微生物的氧吸收量和二氧化碳排出量可取得其实际呼吸活动的信息。另外可将呼吸商、糖代谢数据以及传质系数三者联系起来作出对过程控制的决定。
由生物化学性质可得到呼吸活动及糖代谢等信息，这对了解发酵的代谢途径是很重要的。通过计算机可确定碳平衡的变化，运用寄存数据可得细胞产量。糖代谢类型确定后就可计算YATP的数值，二者又可以和细胞产量或某些产物的形成量联系起来。
采用不同的底物并将计算得到的细胞产率和有机能量产率加以比较，可能反映出有机化合物的分解代谢机制。这些变量之间的关系将有助于阐明发酵过程的主要代谢途径以及发酵生产的效率。
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