本文關(guān)鍵詞：間歇發(fā)酵非線性動力系統(tǒng)的魯棒最優(yōu)控制

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【摘要】：本文以微生物(克雷伯式桿菌)歧化甘油生成1,3-丙二醇(1,3-PD)的間歇發(fā)酵過程為研究背景,根據(jù)微生物的生長動態(tài)和間歇發(fā)酵的實際過程,研究其對應(yīng)的魯棒最優(yōu)控制問題。此項研究,不僅可以展示最優(yōu)控制理論在實際問題中的重要作用,同時還可以為大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。本課題得到了國家自然科學(xué)基金項目和中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金的支持。本文的主要內(nèi)容如下：1.本文的目標(biāo)是為間歇發(fā)酵過程設(shè)計一個最優(yōu)控制策略,目的是：(i)最大化目標(biāo)產(chǎn)物1,3-PD的最終產(chǎn)率；(ii)最小化參數(shù)不確定性對最終產(chǎn)率的影響。通常是以生物量、甘油的初始濃度以及終止時刻作為控制變量,以1,3-PD的最終產(chǎn)率為目標(biāo)函數(shù),以非線性動力系統(tǒng)為主要約束建立最優(yōu)控制模型。為考慮參數(shù)不確定性對最終產(chǎn)率的影響,本文在原有問題的性能指標(biāo)中增加了關(guān)于不確定參數(shù)的靈敏度項,通過引入權(quán)重因子,建立了非線性魯棒最優(yōu)控制模型,該模型同時考慮了這兩方面因素。2.新建立的非線性魯棒最優(yōu)控制模型其終端時刻是自由的而非固定的,而且性能指標(biāo)中包含新引入的靈敏度項,使得該問題不是一個標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)控制問題。本文通過時間尺度轉(zhuǎn)化技術(shù)引入新的時間變量,使該問題轉(zhuǎn)化為終端時刻固定的最優(yōu)控制問題。進(jìn)一步,本文引入輔助動力系統(tǒng)來計算關(guān)于不確定參數(shù)的靈敏度使該問題轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的Mayer型最優(yōu)控制問題。3.由于該魯棒最優(yōu)控制問題具有非線性和不可微性等因素,目前無法得到最優(yōu)控制問題和其對應(yīng)的非線性動力系統(tǒng)的解析解,只能通過數(shù)值計算的方法尋找問題的數(shù)值解。而許多基于梯度的優(yōu)化算法只能求得問題的局部最優(yōu)解,從而為了獲得問題的全局最優(yōu)解,本文引入了改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法,運用fortran語言,對該魯棒最優(yōu)控制進(jìn)行數(shù)值求解。數(shù)值結(jié)果表明,可以找到一個魯棒最優(yōu)的控制策略,既能保證產(chǎn)物具有較高的產(chǎn)率,又能確保不確定參數(shù)較強的魯棒性。
【關(guān)鍵詞】：非線性動力系統(tǒng) 微生物間歇發(fā)酵 魯棒控制 系統(tǒng)靈敏度 粒子群優(yōu)化算法
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O232
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 緒論8-12
• 1.1 研究背景和意義8
• 1.2 生物魯棒性及其研究現(xiàn)狀8-9
• 1.3 本文主要工作9-12
• 2 預(yù)備知識12-16
• 2.1 常微分方程的定性理論12-13
• 2.2 帶有不確定參數(shù)的最優(yōu)控制問題13-14
• 2.3 時間尺度轉(zhuǎn)化14-16
• 3 間歇發(fā)酵非線性動力系統(tǒng)的魯棒最優(yōu)控制問題16-28
• 3.1 引言16-17
• 3.2 動力學(xué)模型17-18
• 3.3 最優(yōu)控制與魯棒控制18-19
• 3.4 問題轉(zhuǎn)化19-28
• 3.4.1 時間尺度的轉(zhuǎn)化19-20
• 3.4.2 計算系統(tǒng)靈敏度20-26
• 3.4.3 轉(zhuǎn)化為Mayer型最優(yōu)控制問題26-28
• 4 數(shù)值算法及結(jié)果28-36
• 4.1 粒子群優(yōu)化算法28-31
• 4.2 數(shù)值結(jié)果31-36
• 結(jié)論與展望36-38
• 參考文獻(xiàn)38-42
• 附錄 導(dǎo)數(shù)展開式42-44
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況44-46
• 致謝46-48

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號：514403