基于支持向量机的微生物发酵过程软测量方法分析

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1、江苏大学硕士学位论文示的补料控制模块的操作曲线。图1．3分批补料控制模块的操作曲线F一流加速率；S一基质流加量；y一流加体积各控制模块的相互联系程度不同，温度模块与PH值模块相对独立。电机转速控制模块、溶氧模块与压力模块则联系较紧密，它们共同实现对反应器溶氧的控制。控制器部分是模块工作的核心，它的控制算法和控制策略决定了控制模块的控制方式。基于多变量解耦的PD组合控制方式是目前发酵控制过程中最常用的控制算法了错算法实现容易，响应速度快等特点，在工业现场获得了较广泛的应用。新出现的许多先进的控制算法，如

2、神经网络PID、模糊PID、小波PID等也丌始在具体的控制模块中应用，取得了良好的控制效果。广一一一一一一一一一t_一一一一一一一一]lLP：熬f弗PID刊蠢温度I簿控制器IA，洋一控制器AP_一一一一一一二．一I二}一一一一一一一一一j图1．4采用串级模糊PID的发酵罐温度控制器控制系统的结构也是影响控制效果的另一个重要因素。各个模块需要在工业计算机的控制下才能协调统一的工作。利用计算机强大的数据处理能力，可以实时监控所有模块的工作状况，自动完成报表生成，生产同况曲线打印，预告报警和故障诊断。一个典

3、型的单罐计算机控制系统如图1．5所示。工控机图1．5单罐算计机控制系统这个控制系统是分批发酵优化控制的一个基本的系统，其中的控制模块能够完成闭环控制功能。对于发酵厂来说，尤其是大规模的发酵厂中，一般会有多个反应器在同时工作。要求计算机能够监测控制多个反应器(甚至是全厂)的工作4江苏大学硕士学位论文状态。与单罐的情况不同，这时需要采用结构较复杂豹计算橇集数控制系统来完成优化控制任务，图1．6为基于CAN总线的多罐发酵过程机算机集散控制系统。网1．6基予e惩总线瓣发酵过稷谤髯撬控猫系统现代发酵工业应该提供

4、一系列可及时满足市场需求的产品。产品制造必须以经济的，环境能接受的方式来进行。理想的情况是工厂是能内部邀调节酶，只需较少主动过程控制，不需人工干预。这需要快速和高效的产品设计能力，运用先进控制技术和优化技术。自动化和信息系统功能所能产生的整体效益只有在充分集成所有糟关功能的基础上方可能实现。充分集成包括整个工厂在横向和纵向上的集成，横向集成涉及工厂所有区域、机组和单元，纵向集成涉及工厂的所有层次，发酵过程成套专用控制装置在这样的条{孛下应运面生。罄翦在嚣内随着计算机技术的不断发展，发酵过程计算机控制系

5、统所采用的技术方案很多，常见的控制方案包括：工业pC机控制的发酵系统，用pl￡控割的发酵系统，用EICS控制的发酵系统。PLC主要用在小型生化企业过程控制中，由于PLC本身的局限性，它难以实现高级的控制算法。DCS系统主要应用在大型生化企业的发酵过程控制中。其实施的成本较高，但易于维护和升级，并且可以和企业中的其它控制系统以及管理系统通讯。对于模块中的微控制器也在向着运算速度更快，控制熊力更强的基予嵌入式微处理器的方向发展。{。{，3微生物发酵优化控制面临的问题先进的控制方法和控制策略以控制参数精确测

6、量为前提条件。要实现发酵工业过程的优化控制豳的，必须准确实时地检测到发酵过程中重要的生物化学参数。目前，应用于生物发酵工业能够实现自动检测的参数，主要集中在一些相对比较容易实现，有成熟的仪器仪表可以直接进行测量的物理参数上。比如温度、P飘值、溶解氧、罐压、搅拌电视转速、蠕动泵和消泡桨转速、流加速率(流量)等。而其他一些极为重要的作为控制对象的生物化学参数，如菌体细胞浓度、代5江苏大学硕士学位论文谢生成产物浓度、发酵液中的总糖浓度、营养素金属离子浓度等，则必须采用离线化验分析的方法得到。离线化验时滞性很

7、大，无法满足现场实时优化控制的需要，因此发酵过程关键参量的测量是一个关键问题。对于测量问题，解决的办法有两个，一个是开发研制新型的生物传感器，使现场的生物参数可以通过传感器来准确实时测定并驱动控制系统。然而到目前为止，生物传感器还不能很好解决这一问题【l巧】，另一个办法就是软测量技术(SonSeIlsor)。采用软测量技术对参数进行在线估计，是解决上述问题的有效途径睁¨】。利用计算机的信息处理能力，通过模式辩识的方法由数值计算间接估算出发酵过程参数是软测量技术应用的基本思想。将软测量技术应用到发酵过程

8、中，对关键变量进行在线估计是当前学术界和工程界一个的研究热点。此外，发酵过程是一个多变量强耦合的过程，多变量解耦控制也是一个需要充分解决的重要问题。1．2软测量技术概述软测量(SofISensin曲的思想以及由此形成的软测量技术是过程控制和检测领域出现的一种新思路与新技术，其理论体系正在逐渐形成，是目前检测和过程控制领域研究的重要方向【24】。软测量技术的基本思路是根据某种最优化准则，选择一组既与主导变量(Prima叫Ⅷable)有着密切联系又容易测量的