一类批式流加和连续发酵非线性系统辨识与控制

发布时间：2018-01-09 14:22

  本文关键词：一类批式流加和连续发酵非线性系统辨识与控制　出处：《大连理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：本文以微生物发酵生产1,3-丙二醇为背景,研究了批式流加发酵脉冲系统与自治切换系统的最优控制问题和酶催化批式流加发酵系统的参数辨识问题.另外对基因调控连续发酵非线性系统研究了参数辨识问题.该项研究对提高1,3-丙二醇产量提供参考,并且对微生物发酵甘油生产1,3-丙二醇过程的胞内代谢机理具有重要的参考价值,本文工作具有一定的理论意义与应用价值,得到国家自然科学基金、“973”和“863”等项目的资助.本论文研究的内容与取得的主要结果可概括如下：1.批式流加发酵过程中将甘油和碱的流加看作一个脉冲过程,以甘油的流加体积和流加时刻作为控制变量,以终端时刻1,3-丙二醇的浓度为目标函数,给出了脉冲最优控制问题.利用惩罚函数和障碍函数方法处理连续状态变量约束.结合多群体粒子群优化算法和基于梯度的优化算法求解脉冲最优控制问题.数值结果表明得到的最优流加策略提高产物浓度.2.考虑批式流加发酵鲁棒脉冲最优控制问题.以甘油流加体积和流加时刻为控制变量,以终端时刻1,3-丙二醇的浓度及其关于不确定系统参数的灵敏度为目标函数.发酵过程中生物量,甘油和产物浓度限制在一定范围内,最优控制问题中带有状态变量连续约束.应用伴随系统方法将鲁棒脉冲最优控制问题等价转换为一般形式的脉冲最优控制问题.结合粒子群优化算法和基于梯度的优化算法求解脉冲最优控制问题.数值结果表明模型与算法的有效性.3.研究了耦合批式流加发酵自治切换系统的最优控制问题.以甘油和碱的流加速度比例函数为控制函数,建立了自治切换系统最优控制问题.应用灵敏度函数方法求出目标函数和约束函数的梯度,结合随机搜索算法和基于梯度的优化算法求解最优控制问题.数值结果表明最优流加策略可以控制产物和底物浓度.4.研究了非线性酶催化批式流加发酵系统的参数辨识问题.系统状态变量包括胞外物质浓度和胞内物质浓度.胞外物质浓度的模拟数值结果可以与实验测量数据比较.但是胞内物质浓度很难有测量数据.为了更准确描述胞内物质浓度,定义胞内物质浓度的鲁棒性值.以胞内物质鲁棒性值和胞外物质相对误差为目标函数,给出酶催化批式流加系统参数辨识问题.鲁棒性值的计算过程中会有大量数值计算,给出改进的并行遗传算法求解参数辨识问题.数值结果表明最优参数下数学模型比较好的模拟实际发酵过程.5.研究了非线性基因调控连续发酵系统的参数辨识问题.系统状态变量包括胞外物质浓度和胞内物质浓度.辨识参数包括系统参数和路径参数.胞外物质浓度的模拟数值结果可以与实验测量数据比较.但是胞内物质浓度很难有测量数据.为了更准确描述胞内物质浓度,定义胞内物质浓度的鲁棒性值.鲁棒性值考虑的是连续发酵过程到达稳态后在参数扰动下胞内物质浓度的变化率.以胞内物质鲁棒性值为目标函数,给出基因调控连续发酵系统的的参数辨识问题.胞外物质浓度相对误差限制在一定范围内.鲁棒性值的计算过程中会有大量数值计算,给出改进的并行粒子群优化算法求解参数辨识问题.
[Abstract]:In this paper , the optimal control problem of batch - type flow plus fermentation system is studied by using the method of penalty function and obstacle function .

【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O231

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本文编号：1401758