间歇发酵非线性动力系统的鲁棒最优控制

发布时间：2017-07-03 16:34

  本文关键词：间歇发酵非线性动力系统的鲁棒最优控制

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【摘要】：本文以微生物(克雷伯式杆菌)歧化甘油生成1,3-丙二醇(1,3-PD)的间歇发酵过程为研究背景,根据微生物的生长动态和间歇发酵的实际过程,研究其对应的鲁棒最优控制问题。此项研究,不仅可以展示最优控制理论在实际问题中的重要作用,同时还可以为大规模工业化生产提供一定的理论依据。本课题得到了国家自然科学基金项目和中央高校基本科研业务费专项资金的支持。本文的主要内容如下：1.本文的目标是为间歇发酵过程设计一个最优控制策略,目的是：(i)最大化目标产物1,3-PD的最终产率；(ii)最小化参数不确定性对最终产率的影响。通常是以生物量、甘油的初始浓度以及终止时刻作为控制变量,以1,3-PD的最终产率为目标函数,以非线性动力系统为主要约束建立最优控制模型。为考虑参数不确定性对最终产率的影响,本文在原有问题的性能指标中增加了关于不确定参数的灵敏度项,通过引入权重因子,建立了非线性鲁棒最优控制模型,该模型同时考虑了这两方面因素。2.新建立的非线性鲁棒最优控制模型其终端时刻是自由的而非固定的,而且性能指标中包含新引入的灵敏度项,使得该问题不是一个标准的最优控制问题。本文通过时间尺度转化技术引入新的时间变量,使该问题转化为终端时刻固定的最优控制问题。进一步,本文引入辅助动力系统来计算关于不确定参数的灵敏度使该问题转化成标准的Mayer型最优控制问题。3.由于该鲁棒最优控制问题具有非线性和不可微性等因素,目前无法得到最优控制问题和其对应的非线性动力系统的解析解,只能通过数值计算的方法寻找问题的数值解。而许多基于梯度的优化算法只能求得问题的局部最优解,从而为了获得问题的全局最优解,本文引入了改进的粒子群优化算法,运用fortran语言,对该鲁棒最优控制进行数值求解。数值结果表明,可以找到一个鲁棒最优的控制策略,既能保证产物具有较高的产率,又能确保不确定参数较强的鲁棒性。
【关键词】：非线性动力系统 微生物间歇发酵 鲁棒控制 系统灵敏度 粒子群优化算法
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O232
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-12
• 1.1 研究背景和意义8
• 1.2 生物鲁棒性及其研究现状8-9
• 1.3 本文主要工作9-12
• 2 预备知识12-16
• 2.1 常微分方程的定性理论12-13
• 2.2 带有不确定参数的最优控制问题13-14
• 2.3 时间尺度转化14-16
• 3 间歇发酵非线性动力系统的鲁棒最优控制问题16-28
• 3.1 引言16-17
• 3.2 动力学模型17-18
• 3.3 最优控制与鲁棒控制18-19
• 3.4 问题转化19-28
• 3.4.1 时间尺度的转化19-20
• 3.4.2 计算系统灵敏度20-26
• 3.4.3 转化为Mayer型最优控制问题26-28
• 4 数值算法及结果28-36
• 4.1 粒子群优化算法28-31
• 4.2 数值结果31-36
• 结论与展望36-38
• 参考文献38-42
• 附录 导数展开式42-44
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况44-46
• 致谢46-48

【共引文献】

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本文编号：514403