一種基于數(shù)據(jù)建模的蒸汽噴射器滅菌動(dòng)態(tài)矩陣控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于數(shù)據(jù)建模的蒸汽噴射器滅菌動(dòng) 態(tài)矩陣控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 以蒸汽噴射器對(duì)培養(yǎng)基加熱的連續(xù)滅菌系統(tǒng)及其裝置見于生物制藥生產(chǎn)過程中， 在該系統(tǒng)的控制下，物料可以在消毒管路流動(dòng)過程中被蒸汽加熱滅菌，殺死物料中的雜菌， 同時(shí)對(duì)培養(yǎng)基進(jìn)行一級(jí)換熱升溫、維持罐保溫和二級(jí)換熱降溫，為后續(xù)的發(fā)酵過程的成功 提供保障。相比與傳統(tǒng)的實(shí)罐消毒，以蒸汽噴射器加熱的連續(xù)滅菌的方式生產(chǎn)無間斷、效率 高，對(duì)培養(yǎng)基加熱均勻、消毒徹底，且可以降低蒸汽用量，因而該技術(shù)已經(jīng)成為生物制藥中 滅菌方法的發(fā)展趨勢(shì)。在以蒸汽噴射器加熱的連續(xù)滅菌控制系統(tǒng)中，物料和蒸汽混合后在 噴射器出口處溫度的控制精度將作為主要技術(shù)指標(biāo)。連續(xù)滅菌系統(tǒng)控制過程受到多個(gè)過程 參數(shù)的影響，除主控制量即蒸汽管路上控制蒸汽流量的閥門開度外，還存在多個(gè)擾動(dòng)，如用 于滅菌的蒸汽溫度和壓力，培養(yǎng)基在管路中的流速，培養(yǎng)基在進(jìn)入噴射器之前的溫度等。在 滅菌過程中又存在很多影響滅菌系統(tǒng)過程參數(shù)的環(huán)節(jié)，如不同培養(yǎng)基容器，即物料罐之間 的切換引起的培養(yǎng)基在管路中的溫度差異，不同批次培養(yǎng)基的比熱容、密度和粘稠度的不 一致導(dǎo)致的培養(yǎng)基在管路中的流速變化、換熱效果差異，管路上的過濾器因隨系統(tǒng)運(yùn)行而 有不同程度的阻塞，從而也影響培養(yǎng)基在管路中的流速，以及消毒所用蒸汽因多個(gè)車間共 用而存在蒸汽壓力和溫度的擾動(dòng)等，以上因素均對(duì)滅菌過程的精確控制產(chǎn)生影響，且使多 個(gè)過程參數(shù)不能恒定而使得該過程難以用精確數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行分析。
[0003] 預(yù)測(cè)控制在當(dāng)今工業(yè)控制過程中發(fā)揮著重要影響作用，該控制策略在上世紀(jì)七十 年代被提出，現(xiàn)在已在多種過程工業(yè)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。動(dòng)態(tài)矩陣控制作為預(yù)測(cè)控制方法中的一 種，因其方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)而在工業(yè)過程控制領(lǐng)域中多有使用。該方法基于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù) 建立系統(tǒng)模型，并根據(jù)所得模型獲得響應(yīng)過程參數(shù)的階躍響應(yīng)，從而形成動(dòng)態(tài)矩陣，實(shí)現(xiàn)控 制過程。該方法以滾動(dòng)優(yōu)化的方式計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行過程中的控制量輸入，且在計(jì)算過程中可 以加入的約束，從而有針對(duì)性的計(jì)算適合于被控對(duì)象的控制量輸入。該方法的使用可以避 免復(fù)雜工業(yè)過程的精確建模難題，同時(shí)以有限時(shí)域滾動(dòng)計(jì)算的方式保證了預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè) 效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于數(shù)據(jù)建模的 蒸汽噴射器滅菌動(dòng)態(tài)矩陣控制方法，其主要控制對(duì)象是培養(yǎng)基即物料和蒸汽混合后在噴射 器出口處的溫度，通過控制蒸汽流量，并加入對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)滅菌溫度的精確控 制。
[0005] 為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：
[0006] -種基于數(shù)據(jù)建模的蒸汽噴射器滅菌動(dòng)態(tài)矩陣控制方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟I:建立基于工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)的蒸汽噴射器加熱滅菌系統(tǒng)逼近模型
[0008] 根據(jù)連續(xù)滅菌過程中蒸汽噴射器加熱過程運(yùn)行的采樣數(shù)據(jù)，通過對(duì)采樣到的過程 參數(shù)進(jìn)行分析，找出對(duì)系統(tǒng)輸出，即物料和蒸汽混合后在噴射器出口處溫度影響明顯的過 程參數(shù)，形成連續(xù)滅菌控制系統(tǒng)的控制量和擾動(dòng)量。并通過數(shù)學(xué)方法建立逼近模型；經(jīng)過分 析，系統(tǒng)輸入，即控制量確定噴射器蒸汽流量，在系統(tǒng)模型中表現(xiàn)為噴射器蒸汽管路上的閥 門開度；擾動(dòng)量有：噴射器處物料入口溫度，物料流速，蒸汽溫度；被控量即系統(tǒng)輸出為噴 射器物料出口溫度；經(jīng)過系統(tǒng)辨識(shí)，得到連續(xù)滅菌系統(tǒng)的逼近模型，其形式如下：
[0009] y(t) =B(z)u(t_l)
[0010] B(z) =I^b2Z丄+…bnbznb+1
[0011] 其中，y(t)為系統(tǒng)輸出，u(t-l)為系統(tǒng)輸入及擾動(dòng)組成的向量，nb為為模型階次，Mi= 1，2,…nb)為四行一列待辨識(shí)參數(shù)矩陣，廠1為延遲算子，B(Z)為延遲因子構(gòu)成的多 項(xiàng)式；
[0012] 步驟2 :過程參數(shù)階躍響應(yīng)辨識(shí)
[0013] 得到逼近模型后，為獲得用以控制的動(dòng)態(tài)矩陣，首先要獲得控制量和擾動(dòng)量的階 躍響應(yīng)；
[0014] 因?qū)嶋H工業(yè)運(yùn)行過程中，階躍響應(yīng)涉及到物料的使用和能量的消耗，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不 允許操作者進(jìn)行階躍實(shí)驗(yàn)，本發(fā)明中以基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的仿真辨識(shí)的方式實(shí)現(xiàn)階躍響應(yīng)；具 體操作如下：
[0015] 基于步驟一所獲得的系統(tǒng)模型，在仿真環(huán)境中給予對(duì)應(yīng)過程參數(shù)以階躍輸入，所 獲得的仿真輸出經(jīng)過擬合后，辨識(shí)得到該過程參數(shù)的傳遞函數(shù)F(S)，其形式如下：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于數(shù)據(jù)建模的蒸汽噴射器滅菌動(dòng)態(tài)矩陣控制方法，其特征在于：包括如下步 驟： 步驟1;建立基于工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)的蒸汽噴射器加熱滅菌系統(tǒng)逼近模型 根據(jù)連續(xù)滅菌過程中蒸汽噴射器加熱過程運(yùn)行的采樣數(shù)據(jù)，通過對(duì)采樣到的過程參數(shù) 進(jìn)行分析，找出對(duì)系統(tǒng)輸出，即物料和蒸汽混合后在噴射器出口處溫度影響明顯的過程參 數(shù)，形成連續(xù)滅菌控制系統(tǒng)的控制量和擾動(dòng)量；并通過數(shù)學(xué)方法建立逼近模型；經(jīng)過分析， 系統(tǒng)輸入，即控制量確定噴射器蒸汽流量，在系統(tǒng)模型中表現(xiàn)為噴射器蒸汽管路上的閥口 開度；擾動(dòng)量有：噴射器處物料入口溫度，物料流速，蒸汽溫度；被控量即系統(tǒng)輸出為噴射 器物料出口溫度；經(jīng)過系統(tǒng)辨識(shí)，得到連續(xù)滅菌系統(tǒng)的逼近模型，其形式如下： y(t) =B(z)u(t-1) B(z) =bi+b2Z-i+...bnbZ-址+1 其中，z^i為延遲算子，y(t)為系統(tǒng)輸出，u(t-l)為系統(tǒng)輸入及擾動(dòng)組成的向量，nb為 模型階次，bi(i=l，2，一nb)為四行一列待辨識(shí)參數(shù)矩陣，B(z)為延遲因子構(gòu)成的多項(xiàng)式； 步驟2 ;過程參數(shù)階躍響應(yīng)辨識(shí) 得到逼近模型后，為獲得用W控制的動(dòng)態(tài)矩陣，首先要獲得控制量和擾動(dòng)量的階躍響 應(yīng)； 實(shí)際工業(yè)運(yùn)行過程中，階躍響應(yīng)設(shè)及到物料的使用和能量的消耗，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不允許操 作者進(jìn)行階躍實(shí)驗(yàn)，因此，W基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的仿真辨識(shí)的方式實(shí)現(xiàn)階躍響應(yīng)；具體操作如 下： 基于步驟1所獲得的系統(tǒng)逼近模型，在仿真環(huán)境中給予對(duì)應(yīng)過程參數(shù)W階躍輸入，所 獲得的仿真輸出經(jīng)過擬合后，辨識(shí)得到該過程參數(shù)的傳遞函數(shù)F(S)，其形式如下：
其中，A、B、C為待辨識(shí)參數(shù)，S為復(fù)參數(shù)； 基于所得到的傳遞函數(shù)和控制步長、預(yù)測(cè)步長，計(jì)算該過程參數(shù)的動(dòng)態(tài)矩陣； 因?yàn)樵谶B續(xù)滅菌控制過程中，包括有一個(gè)控制量和=個(gè)擾動(dòng)量，故所獲得的動(dòng)態(tài)矩陣 包括四部分；G，Di，〇2, 分別對(duì)應(yīng)控制量即噴射器蒸汽管路上的閥口開度和S個(gè)擾動(dòng)，即物 料流速，噴射器處物料入口溫度和蒸汽溫度所對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)矩陣，WG為例，動(dòng)態(tài)矩陣的形式 如下：
其中，m為控制步長，N為預(yù)測(cè)步長，gi(i= 1，2,……腳為i時(shí)刻對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)值； 步驟3 ;控制量的計(jì)算 基于步驟2所得的各參數(shù)動(dòng)態(tài)矩陣，系統(tǒng)預(yù)測(cè)輸出值y表達(dá)為：
上式中，U為控制量按時(shí)間序列構(gòu)成的矩陣，中為第i個(gè)擾動(dòng)量按時(shí)間順序構(gòu)成的列向 量，町為第i個(gè)擾動(dòng)量對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)矩陣，fu為控制量中影響預(yù)測(cè)值的只與過去時(shí)刻數(shù)值有 關(guān)的部分所構(gòu)成的列向量，fu=[fu(t+l)，fu(t+2)……fu(t+N) ]T，為擾動(dòng)d沖影響預(yù)測(cè) 值的只與過去時(shí)刻數(shù)值有關(guān)的部分所構(gòu)成的列向量，fi=[fi(t+l)，fi(t+2)……fi(t+N)] T.且中.
其中N為預(yù)測(cè)步長，Au(t-i)為t-i時(shí)刻的控制量增量，gi為動(dòng)態(tài)矩陣G中第i行第 一列的值，gij為動(dòng)態(tài)矩陣Di第j行第一列的值；fi(t+k)，k= 1，2,……N為的第k個(gè)元 素?cái)?shù)值，fu(t+k)，k= 1，2,......N為fu的第k個(gè)元素?cái)?shù)值； 為簡便起見，將系統(tǒng)預(yù)測(cè)輸出值y記為： y=Gu+f 其中f二fu+Sf=lfi，確定目標(biāo)函數(shù)J為：
其中m為控制步長，A為平衡目標(biāo)函數(shù)兩部分（即預(yù)測(cè)誤差和控制耗能）權(quán)重的系數(shù)，Au(t+j-l)為t+j-1時(shí)刻控制量的變化量，y' (t+j|t)為在t時(shí)刻預(yù)測(cè)的t+j時(shí)刻的系 統(tǒng)輸出值，w(t+j)為t+j時(shí)刻的輸出參考軌跡，設(shè)置為如下形式： w(t+j)=曰w(t+j-l) + (l-曰）r(t+j) w(t) =y(t) 其中r(t+j)為系統(tǒng)輸出在t+j時(shí)刻的設(shè)定值，a為0到1之間的常數(shù)，y(t)為當(dāng)前時(shí) 刻系統(tǒng)輸出量； 求目標(biāo)函數(shù)的最小值，即獲得當(dāng)前時(shí)刻最優(yōu)的控制量U: U=佑了6+AI)-屯了 (w-f) 其中，W為輸出軌跡按時(shí)間順序構(gòu)成的序列，T為轉(zhuǎn)置符號(hào)，I為單位對(duì)角矩陣，上標(biāo)-1 為矩陣逆運(yùn)算符號(hào)； 按照滾動(dòng)優(yōu)化的方式，每次計(jì)算U都只需要計(jì)算第一行第一列的數(shù)值即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)據(jù)建模的蒸汽噴射器滅菌動(dòng)態(tài)矩陣控制方法，其 特征在于：所述蒸汽噴射器加熱滅菌動(dòng)態(tài)矩陣控制方法采用可編程邏輯控制器和工控機(jī)組 成的分布式控制系統(tǒng)，系統(tǒng)過程參數(shù)的數(shù)據(jù)采集由可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)，為使控制過程 具有實(shí)時(shí)性和精確性，數(shù)據(jù)采集速率應(yīng)在500msW上；由控制器滾動(dòng)優(yōu)化計(jì)算出系統(tǒng)輸入 量后，由可編程邏輯控制器輸出給對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)控制過程。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于數(shù)據(jù)建模的蒸汽噴射器滅菌動(dòng)態(tài)矩陣控制方法，以生物制藥過程中以蒸汽噴射器對(duì)物料加熱滅菌控制過程為對(duì)象，以蒸汽在噴射器入口處流量為控制量，物料和蒸汽混合后在噴射器出口處溫度為被控制量，以噴射器物料入口溫度、物料流速、噴射器蒸汽入口溫度為擾動(dòng)量；該方法根據(jù)工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)模型，并基于所獲得的模型通過系統(tǒng)辨識(shí)得到控制量階躍響應(yīng)及擾動(dòng)量的階躍響應(yīng)；基于系統(tǒng)階躍響應(yīng)建立動(dòng)態(tài)矩陣，并實(shí)現(xiàn)控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行預(yù)測(cè)控制；本發(fā)明控制方法簡單，分析過程和控制器設(shè)計(jì)基于工業(yè)過程數(shù)據(jù)，減少了分析和設(shè)計(jì)過程對(duì)滅菌設(shè)備和相關(guān)工藝環(huán)節(jié)的依賴，在工程上較易實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。
【IPC分類】G05B13-04
【公開號(hào)】CN104793491
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510159007
【發(fā)明人】張士良, 曹暉, 張彥斌, 賈立新, 司剛?cè)?
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年4月3日