一類(lèi)生化過(guò)程的優(yōu)化及控制方法研究.pdf

1、隨著生物工程技術(shù)的迅速發(fā)展，生化工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位已越來(lái)越重要。但是由于生化過(guò)程本身具有非線(xiàn)性、時(shí)變性和不確定性等特點(diǎn)，一般很難對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和控制。因此，有必要發(fā)展和建立與這類(lèi)系統(tǒng)的特點(diǎn)相適應(yīng)的過(guò)程控制和最優(yōu)化技術(shù)，這將有助于提高目的產(chǎn)物的產(chǎn)率和原材料的轉(zhuǎn)化率，從而可以提高生化過(guò)程的整體生產(chǎn)水平。 本文以色氨酸生物合成系統(tǒng)和甘油生物歧化為l，3-丙二醇過(guò)程作為主要應(yīng)用研究背景，對(duì)一類(lèi)生化過(guò)程的優(yōu)化和控制方法進(jìn)行了深入研究，不

2、僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生化過(guò)程的最優(yōu)操作和最優(yōu)控制，而且對(duì)非線(xiàn)性系統(tǒng)的優(yōu)化和控制方法研究，也具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。論文研究的內(nèi)容和取得的主要結(jié)果概括如下： (1)為實(shí)現(xiàn)對(duì)色氨酸生物合成過(guò)程的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化，利用色氨酸生物合成過(guò)程的三維非線(xiàn)性動(dòng)力系統(tǒng)，建立了使色氨酸消耗和分泌的綜合項(xiàng)最大的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化模型。根據(jù)間接優(yōu)化方法(Indirect Optimization Method，IOM)，首先將描述色氨酸生物合成的非線(xiàn)性模型轉(zhuǎn)化為S-系統(tǒng)形

3、式，然后將非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題近似轉(zhuǎn)化為線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題來(lái)求解，最后得到了一個(gè)穩(wěn)定而且魯棒的穩(wěn)態(tài)。在該穩(wěn)態(tài)下，色氨酸產(chǎn)率提高為基本穩(wěn)態(tài)時(shí)的9倍。與已有的優(yōu)化結(jié)果相比，本文不僅獲得了更高的色氨酸產(chǎn)率，而且得到了魯棒性更好的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)。 (2)通過(guò)對(duì)色氨酸生物合成的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化研究可知，標(biāo)準(zhǔn)迭代IOM方法在一般情況下難以保證收斂到系統(tǒng)的真正最優(yōu)解。為了克服標(biāo)準(zhǔn)迭代IOM方法的這一缺點(diǎn)，本文通過(guò)在直接IOM方法的線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題中引入一個(gè)說(shuō)明S-系統(tǒng)解和

4、原模型解一致性的等式約束，應(yīng)用Lagrangian乘子法將上述修正后的非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)等價(jià)的線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題，提出了一種可用于求解生化系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化問(wèn)題的修正迭代IOM方法。最后將該方法應(yīng)用于不同類(lèi)型生化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化中，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，本文提出的優(yōu)化算法可以收斂到真正的系統(tǒng)最優(yōu)解。 (3)針對(duì)生化過(guò)程所同有的不確定性這一特點(diǎn)，研究了生化過(guò)程的H-控制問(wèn)題。根據(jù)連續(xù)生化過(guò)程的物料平衡方程，給出了這類(lèi)過(guò)程的一個(gè)統(tǒng)一的建模框架。

5、應(yīng)用雙線(xiàn)性變換和H∞混合靈敏度方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)使系統(tǒng)在產(chǎn)物體積產(chǎn)率最大的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)附近工作的魯棒控制器。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程是通過(guò)調(diào)整變換參數(shù)和性能加權(quán)函數(shù)的增益來(lái)實(shí)現(xiàn)的，前者決定了閉環(huán)系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)的位置，而后者則決定了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差。最后研究了甘油生物歧化為l，3-丙二醇過(guò)程的H-控制。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的魯棒控制器不僅保證了系統(tǒng)對(duì)模型的參數(shù)變化具有魯棒穩(wěn)定性，而且使系統(tǒng)具有很好的魯棒跟蹤性能，從而說(shuō)明了所設(shè)計(jì)H∞控制器的有效性。

6、 (4)為實(shí)現(xiàn)生化過(guò)程的在線(xiàn)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制，基于增廣的系統(tǒng)優(yōu)化與參數(shù)估計(jì)集成方法(Integrated System Optimization and Parameter Estimation，ISOPE)，提出了一種可用于生化過(guò)程在對(duì)象/模型不匹配和輸入約束下穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制的在線(xiàn)迭代優(yōu)化策略。為了避免要事先選擇一個(gè)合適罰系數(shù)的困難，在算法中引入了目標(biāo)函數(shù)的線(xiàn)性化形式，并在迭代過(guò)程中不斷對(duì)罰系數(shù)值進(jìn)行修正，加速了優(yōu)化算法的收斂速度。此外，還

7、對(duì)所提算法在有量測(cè)噪聲、可測(cè)擾動(dòng)和不可測(cè)擾動(dòng)影響情況下的性能進(jìn)行了討論。仿真結(jié)果表明，本文算法具有快速的在線(xiàn)尋優(yōu)能力。 (5)為了刻化真實(shí)生化過(guò)程的非線(xiàn)性本質(zhì)特性，通?？捎靡粋€(gè)具有冪函數(shù)結(jié)構(gòu)形式的非線(xiàn)性函數(shù)來(lái)近似穩(wěn)態(tài)模型。本文提出了一種在對(duì)數(shù)空間求解生化過(guò)程穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制問(wèn)題的改進(jìn)的系統(tǒng)優(yōu)化與參數(shù)估計(jì)集成方法(ISOPEN2)。首先，通過(guò)對(duì)數(shù)變換將原問(wèn)題化為一個(gè)等價(jià)的而且可在對(duì)數(shù)空間求解的新的優(yōu)化控制問(wèn)題；然后，通過(guò)對(duì)目標(biāo)函數(shù)和約