一種金霉素發(fā)酵過程補糖速率優(yōu)化控制的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種金霉素發(fā)酵過程補糖速率優(yōu)化控制的方法和系統(tǒng)。所述方法包括：建立補糖速率設定模型；建立可在線預測的、發(fā)酵罐中總糖濃度的軟測量模型；對總糖濃度的軟測量模型的參數(shù)進行校正，并按照校正后的軟測量模型得出預測的總糖濃度目標值；對補糖速率設定模型進行校正，并按照校正后的補糖速率設定模型得出發(fā)酵過程中補糖速率的計算值；按照預置的金霉素發(fā)酵過程中的補糖控制算法、預測的總糖濃度目標值以及發(fā)酵過程中補糖速率的目標值，計算發(fā)酵罐在相應發(fā)酵階段的補糖速率；按照補糖速率進行補糖操作，以實現(xiàn)對發(fā)酵過程中補糖速率的智能控制。
【專利說明】一種金霉素發(fā)酵過程補糖速率優(yōu)化控制的方法和系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及控制科學與工程、化學工程與【技術領域】，特別是涉及一種金霉素發(fā)酵過程補糖速率優(yōu)化控制的方法，以及一種金霉素發(fā)酵過程補糖速率優(yōu)化控制的系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]金霉素是屬于四環(huán)素類的一種廣譜抗生素，對革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、螺旋體、立克次氏體、支原體、衣原體等均可產(chǎn)生抑制作用，在醫(yī)藥、畜牧業(yè)等領域具有廣泛的用途。尤其在畜牧業(yè)上，金霉素具有抑菌、促生長、飼料利用率高、在肌體內殘余量低等特點，生產(chǎn)技術成熟，生產(chǎn)成本低，是目前和未來較長一段時間內在飼料工業(yè)中用量最大的抑菌促生長劑。
[0003]金霉素發(fā)酵是一個復雜的非線性、時變過程。發(fā)酵過程中的菌體細胞濃度、基質中的糖濃度、生成物濃度等始終是最重要的參數(shù)。發(fā)酵過程的主要特征表現(xiàn)為:①其動力學模型呈高度的非線性隨著生物反應的進行，過程的動力學模型參數(shù)將發(fā)生變化，即具有強烈的時變特性；③除了某些物理(或化學)狀態(tài)變量，如溫度、壓力、pH、溶解氧濃度(DO)等可在線測量外，有一些生物狀態(tài)變量(如生物量、基質濃度、總糖濃度、產(chǎn)物濃度、生物活性等)很難實現(xiàn)在線測量。
[0004]目前，在金霉素發(fā)酵過程中，pH、溫度、溶氧、壓力均可實現(xiàn)自動控制，只有補糖過程仍屬手動控制模式。其主要原因為:由于缺乏可靠的在線傳感器，發(fā)酵罐總糖濃度不能在線檢測，只能通過手工取樣，離線分析獲得總糖濃度值。取樣分析時間長，補糖速率調控滯后大。此外，補糖控制仍停留在手動控制階段，控制效果很大程度上取決于操作人員的歷史經(jīng)驗，自動化程度低，控制方式較為粗糙，補糖速率調整波動較大，對發(fā)酵罐效價和反應體積影響很大。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種金霉素發(fā)酵過程補糖速率優(yōu)化控制的機制，以實現(xiàn)對金霉素發(fā)酵過程補糖速率優(yōu)化控制。
[0006]為了解決上述問題，本發(fā)明公開了一種金霉素發(fā)酵過程補糖速率優(yōu)化控制的方法，包括:
[0007]根據(jù)預置的金霉素發(fā)酵過程的歷史操作經(jīng)驗數(shù)據(jù)和操作規(guī)則數(shù)據(jù)，建立補糖速率設定模型，所述補糖速率設定模型包括針對金霉素發(fā)酵過程進行補糖操作設定的補糖速率的變化范圍；
[0008]基于所述發(fā)酵過程的歷史數(shù)據(jù)，以及可在線檢測的、發(fā)酵罐的相關參數(shù)值，采用數(shù)據(jù)挖掘算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡算法和最優(yōu)化算法，建立可在線預測的、發(fā)酵罐中總糖濃度的軟測量模型；
[0009]根據(jù)所述歷史數(shù)據(jù)和可在線檢測以及離線分析的、發(fā)酵罐的相關參數(shù)值，對所述總糖濃度的軟測量模型的參數(shù)進行校正，并按照校正后的軟測量模型得出預測的總糖濃度目標值，進行校正時，使預測的總糖濃度值與離線分析的總糖濃度的偏差達到最小；
[0010]根據(jù)可在線檢測的、發(fā)酵罐的相關參數(shù)值，對所述補糖速率設定模型進行校正，并按照校正后的補糖速率設定模型得出發(fā)酵過程中補糖速率的計算值，使所述計算值與校正前所述補糖速率設定模型輸出的補糖速率的目標值的偏差達到最??；
[0011]按照預置的金霉素發(fā)酵過程中的補糖控制算法、預測的總糖濃度目標值以及發(fā)酵過程中補糖速率的目標值，計算發(fā)酵罐在相應發(fā)酵階段的補糖速率；
[0012]按照所述補糖速率進行補糖操作，以實現(xiàn)對發(fā)酵過程中補糖速率的智能控制。
[0013]優(yōu)選地，所述補糖控制算法如式(I):
[0014]U(t)^U(t) + AU(t)(I)
[0015]式(I)中，U(t)為t時刻的補糖速率；P(0為t時刻的補糖速率目標值；AU (t)
為t時刻的補糖速率增量值；
[0016]所述補糖速率增量值如式(2):
[0017]Δ U(t)= δ (t).σ F(t) (2)
[0018]式(2)中有:
【權利要求】
1.一種金霉素發(fā)酵過程補糖速率優(yōu)化控制的方法，其特征在于，包括: 根據(jù)預置的金霉素發(fā)酵過程的歷史操作經(jīng)驗數(shù)據(jù)和操作規(guī)則數(shù)據(jù)，建立補糖速率設定模型，所述補糖速率設定模型包括針對金霉素發(fā)酵過程進行補糖操作設定的補糖速率的變化范圍； 基于所述發(fā)酵過程的歷史數(shù)據(jù)，以及可在線檢測的、發(fā)酵罐的相關參數(shù)值，采用數(shù)據(jù)挖掘算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡算法和最優(yōu)化算法，建立可在線預測的、發(fā)酵罐中總糖濃度的軟測量模型； 根據(jù)所述歷史數(shù)據(jù)和可在線檢測以及離線分析的、發(fā)酵罐的相關參數(shù)值，對所述總糖濃度的軟測量模型的參數(shù)進行校正，并按照校正后的軟測量模型得出預測的總糖濃度目標值，進行校正時，使預測的總糖濃度值與離線分析的總糖濃度的偏差達到最小； 根據(jù)可在線檢測的、發(fā)酵罐的相關參數(shù)值，對所述補糖速率設定模型進行校正，并按照校正后的補糖速率設定模型得出發(fā)酵過程中補糖速率的計算值，使所述計算值與校正前所述補糖速率設定模型輸出的補糖速率的目標值的偏差達到最?。? 按照預置的金霉素發(fā)酵過程中的補糖控制算法、預測的總糖濃度目標值以及發(fā)酵過程中補糖速率的目標值，計算發(fā)酵罐在相應發(fā)酵階段的補糖速率； 按照所述補糖速率進行補糖操作，以實現(xiàn)對發(fā)酵過程中補糖速率的智能控制。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述補糖控制算法如式(I): U {t) = U (r) +AU (t)(I) 式(I)中，U⑴為t時刻的補糖速率;n(t)為t時刻的補糖速率目標值；Λ U⑴為t時刻的補糖速率增量值； 所述補糖速率增量值如式(2):
Δ U(t) = δ (t).σ F(t) (2) 式(2)中有:.
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，對所述總糖濃度的軟測量模型的參數(shù)進行校正包括: 將？卜?中的歷史罐批數(shù)據(jù)對(Xhaf)JhafM和pn+1中待預測罐批發(fā)酵時間截至到tf時刻的已知輸入輸出數(shù)據(jù)對{Xn+1(tf)，Yn+1(tf)}組合成修正遞歸模糊神經(jīng)網(wǎng)絡權值的數(shù)據(jù)庫pn+1}，其中，每進行一次修正時，就將新產(chǎn)生的輸入輸出數(shù)據(jù)對更新到歷史罐批數(shù)據(jù)中，實現(xiàn)滾動修正算法的效果； 其中，P11表示歷史數(shù)據(jù)集,包括I~η個歷史數(shù)據(jù)；Ρη+1表示預測數(shù)據(jù)集，X1-Jtf)表示I~η個歷史罐批依序在發(fā)酵時刻tf_i τ對應的數(shù)據(jù)組成的在軟測量模型輸入的數(shù)據(jù)向量，Y1-Jtf)表示與X1Jtf)對應的發(fā)酵tf_i τ時刻實際輸出值，Xn+1 (tf)表示發(fā)酵~時刻的軟測量模型實時輸入的數(shù)據(jù)向量，Yn+1 (tf)表示發(fā)酵tf時刻的軟測量模型輸出的數(shù)據(jù)向量，其中，i=n, L, I, τ為預設的發(fā)酵時間間隔。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述歷史數(shù)據(jù)包括本次預設采樣周期以及上次預設采樣周期中檢測的、發(fā)酵罐的相關參數(shù)值以及軟測量模型的輸出值，所述預設采樣周期為4~8小時，在所述預設采樣周期中可包括多個間隔均勻的采樣點。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括: 通過統(tǒng)計分析所述金霉素發(fā)酵罐中的二氧化碳的含量的變化趨勢確定金霉素發(fā)酵階段，所述金霉素發(fā)酵階段分為菌體生長的停滯期、生長期、穩(wěn)定期和衰亡期四個階段。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括: 采用數(shù)據(jù)場聚類法對所述歷史數(shù)據(jù)進行模糊化預處理，所述數(shù)據(jù)場聚類法用于分析數(shù)據(jù)的形狀、個數(shù)、大小和密度的聚類屬性。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述可在線檢測的、發(fā)酵罐的相關參數(shù)值包括在線檢測的所述發(fā)酵罐的溫度、壓力、PH和溶解氧值。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述總糖濃度值為通過在2~10小時之間，從現(xiàn)場發(fā)酵罐取樣，采用離線分析方式獲得取樣時刻的總糖濃度值。
9.一種金霉素發(fā)酵過程補糖速率優(yōu)化控制的系統(tǒng)，其特征在于，包括: 金霉素發(fā)酵單元，用于采用金霉素發(fā)酵罐進行金霉素發(fā)酵； 參數(shù)在線檢測單元，用于在線檢測金霉素發(fā)酵罐的相關參數(shù)值； 參數(shù)離線獲取單元，用于在2~10小時之間，從現(xiàn)場發(fā)酵罐取樣，通過離線分析方式獲得取樣時刻的相關參數(shù)值； 補糖速率設定模型建立單元，用于根據(jù)預置的金霉素發(fā)酵過程的歷史操作經(jīng)驗數(shù)據(jù)和操作規(guī)則數(shù)據(jù)，建立補糖速率設定模型，所述補糖速率設定模型包括針對金霉素發(fā)酵過程進行補糖操作設定的補糖速率的變化范圍； 軟測量模型建立單元，用于基于所述發(fā)酵過程的歷史數(shù)據(jù)，以及可在線檢測的、發(fā)酵罐的相關參數(shù)值，采用數(shù)據(jù)挖掘算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡算法和最優(yōu)化算法，建立可在線預測的、發(fā)酵罐中總糖濃度的軟測量模型； 軟測量模型校正單元，用于根據(jù)所述歷史數(shù)據(jù)和可在線檢測以及離線分析的、發(fā)酵罐的相關參數(shù)值，對所述總糖濃度的軟測量模型的參數(shù)進行校正，并按照校正后的軟測量模型得出預測的總糖濃度值，進行校正時，使預測的總糖濃度值與離線分析的總糖濃度的偏差達到最小； 補糖速率設定模型校正單元，用于根據(jù)可在線檢測的、發(fā)酵罐的相關參數(shù)值，對所述補糖速率設定模型進行校正，并按照校正后的補糖速率設定模型得出發(fā)酵過程中補糖速率的計算值，使所述計算值與校正前所述補糖速率設定模型輸出的補糖速率的目標值的偏差達到最?。? 補糖控制算法運算單元，用于按照預置的金霉素發(fā)酵過程中的補糖控制算法、預測的總糖濃度目標值以及發(fā)酵過程中補糖速率的目標值，計算發(fā)酵罐在相應發(fā)酵階段的補糖速率； 補糖執(zhí)行單元，用于按照所述補糖速率進行補糖操作，以實現(xiàn)對發(fā)酵過程中補糖速率的智能控制。
【文檔編號】G05B13/04GK103792845SQ201410037883
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月26日 優(yōu)先權日:2014年1月26日
【發(fā)明者】陳祥光, 姚民仆, 王震, 張惠康, 楊建文, 金懷平, 黃蘇一, 余慶 申請人:浦城正大生化有限公司