生物发酵过程的Type-2模糊建模与控制

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中文摘要：本文主要研究生物发酵过程的模糊建模与控制问题。生物发酵过程是一个具有复杂非线性、时变性、模型不确定性、关键变量如基质浓度和产物浓度等的不可在线测量的生化反应系统。这使发酵过程的建模和控制等问题非常复杂。发酵过程中状态的调节控制决定了产物效率，因此对生物发酵过程进行建模与控制研究具有现实意义。相对Type-1模糊系统，Type-2模糊集具有描述更高层次不确定性以及其隶属函数的三维特性和特有的“宽带”性，使它成为解决复杂非线性系统问题的有效途径，目前生物发酵过程的建模与控制问题都是基于Type-1模糊系统，将Type-2模糊系统用于生物发酵过程的研究是一个新的研究的方向。本文采用Type-2模糊系统描述生物发酵过程，并针对经典的生物发酵过程青霉素发酵进行研究，建立发酵过程的Type-2模糊模型和软测量模型，提出基于Type-2模糊系统直接自适应控制方法并用于青霉素发酵过程的控制，取得主要研究成果如下： (1)利用青霉素发酵过程的机理模型产生实验用数据，根据得到的数据，并利用实际生产过程中专家经验可以进行模糊表示的特点，采用基于Type-2型模糊时间序列的预测方法对青霉素发酵过程进行预测。 (2)建立了青霉素发酵过程的Type-2模糊模型，而且在已知初始条件下，可以基于模型进行仿真估计基质浓度、产物浓度与菌丝浓度的变化趋势。并用于动力学系统一些关键参数的拟合，给出了青霉素发酵过程的确定性方程，能够方便的研究其动力学行为。 (3)根据青霉素发酵过程的三个阶段特性及每一个过程的部分专家经验，利用Type-2模糊系统，可以很方便的建立每一个发酵阶段的模糊数学模型，以及综合阶段和整个发酵过程的Type-2模糊数学模型。而且模型的逼近效果非常好。 (4)青霉素发酵过程是一个非线性很强的系统。其中菌丝浓度X，产物浓度P以及残糖浓度S是很难测量的。利用Type-2模糊系统更强的表达能力，隶属函数的“宽带”特性，将feed rate F(t)，以及carbondioxide production rate CPR(t)、CPR(t-1)、CPR(t-2)作为系统输入，系统的输出为菌丝浓度X(t)。建立青霉素发酵过程的Type-2模糊软测量模型。 (5)针对青霉素发酵过程，建立了Type-2模糊系统，根据PH值的变化控制喂养率，得出模糊系统的控制规则、控制曲线，并与Type-1模糊系统比较。仿真结果表明区间型Type-2模糊系统的表现较Type-1模糊系统会更有优势。 (5)给出了一类新的直接自适应模糊控制方法，建立了青霉素补料分批发酵过程的模糊自适应控制模型进行研究，以添加基质浓度作为操作变量控制菌丝生长。仿真实验结果表明，基于模糊系统的控制器可以用于青霉素发酵过程的控制，并具有良好的鲁棒性。本文部分研究成果发表在国外和国内核心期刊上论文共7篇，其中4篇论文被EI收录。另有3篇己投稿，在审稿中。本课题得到了国家高科技研究发展计划项目(863)：基于模糊神经逆的生物反应过程软测量方法及优化控制研究(2007AA04Z179)。

作者：

李莉

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关键词：

生物发酵青霉素发酵 Type-2模糊系统软测量模型模糊控制自适应控制

授予学位：

博士

学科专业：

农业电气化与自动化

导师：

孙玉坤

学位年度：

2009

学位授予单位：

江苏大学

语种：

中文

中图分类号：