生物發(fā)酵過程的Type-2模糊建模與控制.pdf

1、本文主要研究生物發(fā)酵過程的模糊建模與控制問題。生物發(fā)酵過程是一個(gè)具有復(fù)雜非線性、時(shí)變性、模型不確定性、關(guān)鍵變量如基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度等的不可在線測(cè)量的生化反應(yīng)系統(tǒng)。這使發(fā)酵過程的建模和控制等問題非常復(fù)雜。發(fā)酵過程中狀態(tài)的調(diào)節(jié)控制決定了產(chǎn)物效率，因此對(duì)生物發(fā)酵過程進(jìn)行建模與控制研究具有現(xiàn)實(shí)意義。相對(duì)Type-1模糊系統(tǒng)，Type-2模糊集具有描述更高層次不確定性以及其隸屬函數(shù)的三維特性和特有的“寬帶”性，使它成為解決復(fù)雜非線性系統(tǒng)問題的有效

2、途徑，目前生物發(fā)酵過程的建模與控制問題都是基于Type-1模糊系統(tǒng)，將Type-2模糊系統(tǒng)用于生物發(fā)酵過程的研究是一個(gè)新的研究的方向。
　　 本文采用Type-2模糊系統(tǒng)描述生物發(fā)酵過程，并針對(duì)經(jīng)典的生物發(fā)酵過程青霉素發(fā)酵進(jìn)行研究，建立發(fā)酵過程的Type-2模糊模型和軟測(cè)量模型，提出基于Type-2模糊系統(tǒng)直接自適應(yīng)控制方法并用于青霉素發(fā)酵過程的控制，取得主要研究成果如下：
　　 (1)利用青霉素發(fā)酵過程的機(jī)理模型產(chǎn)生實(shí)

3、驗(yàn)用數(shù)據(jù)，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)，并利用實(shí)際生產(chǎn)過程中專家經(jīng)驗(yàn)可以進(jìn)行模糊表示的特點(diǎn)，采用基于Type-2型模糊時(shí)間序列的預(yù)測(cè)方法對(duì)青霉素發(fā)酵過程進(jìn)行預(yù)測(cè)。
　　 (2)建立了青霉素發(fā)酵過程的Type-2模糊模型，而且在已知初始條件下，可以基于模型進(jìn)行仿真估計(jì)基質(zhì)濃度、產(chǎn)物濃度與菌絲濃度的變化趨勢(shì)。并用于動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)一些關(guān)鍵參數(shù)的擬合，給出了青霉素發(fā)酵過程的確定性方程，能夠方便的研究其動(dòng)力學(xué)行為。
　　 (3)根據(jù)青霉素發(fā)酵過程的

4、三個(gè)階段特性及每一個(gè)過程的部分專家經(jīng)驗(yàn)，利用Type-2模糊系統(tǒng)，可以很方便的建立每一個(gè)發(fā)酵階段的模糊數(shù)學(xué)模型，以及綜合階段和整個(gè)發(fā)酵過程的Type-2模糊數(shù)學(xué)模型。而且模型的逼近效果非常好。
　　 (4)青霉素發(fā)酵過程是一個(gè)非線性很強(qiáng)的系統(tǒng)。其中菌絲濃度X，產(chǎn)物濃度P以及殘?zhí)菨舛萐是很難測(cè)量的。利用Type-2模糊系統(tǒng)更強(qiáng)的表達(dá)能力，隸屬函數(shù)的“寬帶”特性，將feed rate F(t)，以及carbondioxide pro

5、duction rate CPR(t)、CPR(t-1)、CPR(t-2)作為系統(tǒng)輸入，系統(tǒng)的輸出為菌絲濃度X(t)。建立青霉素發(fā)酵過程的Type-2模糊軟測(cè)量模型。
　　 (5)針對(duì)青霉素發(fā)酵過程，建立了Type-2模糊系統(tǒng)，根據(jù)PH值的變化控制喂養(yǎng)率，得出模糊系統(tǒng)的控制規(guī)則、控制曲線，并與Type-1模糊系統(tǒng)比較。仿真結(jié)果表明區(qū)間型Type-2模糊系統(tǒng)的表現(xiàn)較Type-1模糊系統(tǒng)會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。
　　 (5)給出了一類新

6、的直接自適應(yīng)模糊控制方法，建立了青霉素補(bǔ)料分批發(fā)酵過程的模糊自適應(yīng)控制模型進(jìn)行研究，以添加基質(zhì)濃度作為操作變量控制菌絲生長。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于模糊系統(tǒng)的控制器可以用于青霉素發(fā)酵過程的控制，并具有良好的魯棒性。
　　 本文部分研究成果發(fā)表在國外和國內(nèi)核心期刊上論文共7篇，其中4篇論文被EI收錄。另有3篇己投稿，在審稿中。
　　 本課題得到了國家高科技研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863)：基于模糊神經(jīng)逆的生物反應(yīng)過程軟測(cè)量方法及優(yōu)