基于迭代学习算法的海洋碱性蛋白酶发酵控制系统设计

发布时间：2020-05-21 09:42

【摘要】：蛋白酶是市面上销量最高、应用范围最广的酶类,品类繁多,在自然界中分布广泛,海洋碱性蛋白酶MP作为一种新型来源的蛋白酶,具有比传统陆源蛋白酶更优良的物化特性,生产及使用过程清洁无污染,已广泛地应用于医药、洗涤、橡胶制造等行业。在海洋碱性蛋白酶MP的工业生产中,为了使产品得率最大化、提高产品质量、节约成本,需要对其发酵过程的环境参量进行控制。然而细胞的生长繁殖与产物代谢具有一定的不可预测性,受到诸多环境参量的影响,发酵过程呈现很强的非线性,解耦困难,常规的工业生产控制方法难以取得较好的控制效果,严重制约了该酶的大规模生产与应用。基于上述问题,本文在国家自然科学基金、江苏高校优势学科建设工程项目的资助下,针对海洋碱性蛋白酶MP的发酵过程控制问题展开了研究。论文主要工作内容及取得的成果如下。首先,海洋碱性蛋白酶MP的发酵过程虽然复杂多变,但是批次之间却具有重复性,针对此特征,提出了一种人工鱼群算法优化增益参数的迭代学习控制策略,实现控制器增益参数的动态跟踪;为提高寻优算法的精度,减少运算时间,针对人工鱼群算法本身进行了包括动态视野、剔除拥挤度因子、自动缩减鱼群规模、探路鱼在内的优化工作;设计了优化后的控制器结构并分析了其收敛性,以单输入单输出(SISO)的线性与非线性系统为对象,在仿真实验中初步验证了该方法的控制效果。其次,为了将该控制模型应用到海洋碱性蛋白酶MP的多输入多输出(MIMO)发酵控制过程,本文构建了发酵过程简要动力学模型,以模糊神经网络建立起人工鱼群的寻优模型,同时针对算法跟踪过程中可能存在的误差与干扰设计了误差补偿器,提高了系统的鲁棒性与控制精度。最后,本文以S3C44B0x芯片为核心,基于ARM平台设计了可用于实际生产过程的海洋碱性蛋白酶MP发酵控制装置。首先在上位机以Visual C++编写了控制算法的COM组件,将该组件嵌入至芯片中,负责所有发酵罐数据的集中处理,而发酵现场的数据采集与控制操作则由与发酵罐一一对应的单片机SST89E89516RD实现;为了实现多个发酵罐的集散控制,保证数据可靠传输,编写了无线模块CC1101的驱动程序;最后设计了发酵过程中的补料及消泡装置。经过实际应用调试,验证了该设备的有效性。
【图文】：

无线模块,连接方式

当中存在的程序不能运行、接触不良等问题；单片机的空间使用灵活，可储数据与运行程序之间便捷转换。.2 硬件电路设计（1）无线通讯模块如图 4.1 所示的海洋碱性蛋白酶 MP 发酵过程集散控制系统，ARM 主与单片机之间的通讯如果依靠物理连线，存在诸如位置挪动不便、通讯线磨损的问题，因此数据交换采用无线通讯模式。本文采用 CC1101 工业级射频透传模块，该模块能够实现 2km 范围内的讯，且功耗仅有 100mW，与 ARM 的 SPI 总线接口以如图 4.4 的所示的方。

无线模块,连接方式,单片机

图 4.5 无线模块与单片机的连接方式Fig.4.5 The connection diagram between wireless module and single chip（2）采集与控制模块由于海洋碱性蛋白酶 MP 发酵过程的跟踪控制需要大量实时数据的采液 pH 值、温度、溶解氧浓度、罐压等，，对应的传感器测出结果为模拟被单片机直接利用，因此需要设计 A/D 转换模块，将模拟信号转换为为了保证数据采集的实时性与采集精度，本文选择具有跟踪保持、数字的 AD7606 芯片，来组成 16 通道的采集模块，单片机 SST89E89516选信号来对 AD7606 进行控制，完成数据的采集，如图 4.6 所示。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ925;TP273

【相似文献】