【摘要】：本文以微生物連續(xù)發(fā)酵甘油生產(chǎn)1,3-丙二醇為背景,研究了該發(fā)酵過程的非線性(時(shí)滯)動(dòng)力系統(tǒng)以及反饋?zhàn)顑?yōu)控制問題.微生物發(fā)酵法生產(chǎn)1,3-丙二醇較傳統(tǒng)的化學(xué)合成法有生產(chǎn)過程簡(jiǎn)易、無有毒副產(chǎn)物等優(yōu)勢(shì),但由于其產(chǎn)量上較傳統(tǒng)辦法有明顯劣勢(shì),因此對(duì)其提高產(chǎn)量的研究具有很高的價(jià)值.在該背景下,學(xué)者們通過最優(yōu)控制理論以及優(yōu)化算法等手段對(duì)提高目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量做了很多研究.由于這類問題具有高度非線性以及連續(xù)狀態(tài)不等式約束等特點(diǎn),很難用經(jīng)典的Riccati方程的方法得到最優(yōu)反饋控制律.本文將致力于微生物連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)1,3-丙二醇的最優(yōu)控制問題,考慮了時(shí)滯因素的影響并且討論設(shè)計(jì)了該最優(yōu)控制問題的反饋控制律的設(shè)計(jì)方法,該項(xiàng)研究對(duì)于提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量具有一定的理論依據(jù)和參考應(yīng)用價(jià)值.本文的主要內(nèi)容可以概括如下:· 1.我們將微生物連續(xù)發(fā)酵過程中的稀釋速率D和注入的甘油濃度Cs0作為控制變量,根據(jù)微生物發(fā)酵的機(jī)理分析,影響1,3-丙二醇終濃度的主要因素是生物量濃度和甘油濃度,基于線性反饋理論、建立了關(guān)于生物量濃度和甘油濃度的線性反饋控制器使得1,3-丙二醇的產(chǎn)量最大化.我們首先通過引入線性反饋策略,將最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)半無限優(yōu)化問題,利用精確罰方法處理約束條件并使用基于梯度的優(yōu)化算法得到原優(yōu)化問題的最優(yōu)解.數(shù)值結(jié)果表明,我們所使用的線性反饋控制策略可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制.· 2.研究了微生物連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)1,3-丙二醇的非線性時(shí)滯動(dòng)力系統(tǒng),目的是通過控制稀釋速率和注入的甘油濃度,最大限度地提高1,3-丙二醇的濃度.因此,以終端時(shí)刻1,3-丙二醇的濃度為目標(biāo)函數(shù),以稀釋速率、注入的甘油濃度為控制變量,提出了時(shí)滯系統(tǒng)和連續(xù)不等式約束控制的最優(yōu)控制模型.在控制參數(shù)化方法的基礎(chǔ)上,使用基于一種靈敏度的自適應(yīng)優(yōu)化方法來尋找最優(yōu)控制問題的解,這里的自適應(yīng)指的是控制參數(shù)化方法中對(duì)時(shí)間區(qū)間的分割次數(shù)及每一時(shí)間區(qū)間的長(zhǎng)度是基于靈敏度信息的算法自適應(yīng)調(diào)整的.此外,為了避免陷入局部最優(yōu)解,我們還將改進(jìn)的粒子群算法與基于靈敏度的自適應(yīng)優(yōu)化算法相結(jié)合來克服這一局限.數(shù)值結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化算法的有效性,表明優(yōu)化后的最優(yōu)控制策略能顯著提高最終時(shí)刻的1,3-丙二醇濃度.· 3.研究了微生物連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)1,3-丙二醇的多階段反饋控制策略.反饋控制策略據(jù)我們所知,這是它第一次應(yīng)用于克雷伯氏桿菌歧化生產(chǎn)1,3-丙二醇的微生物發(fā)酵法的生產(chǎn)過程中.區(qū)別于傳統(tǒng)的線性反饋控制器,在假設(shè)反饋控制器與生物量和甘油濃度的線性相關(guān)的基礎(chǔ)上,令控制器中的系數(shù)是關(guān)于t的連續(xù)函數(shù)而非常數(shù).利用系數(shù)函數(shù)的控制參數(shù)化方法,將連續(xù)函數(shù)離散化從而簡(jiǎn)化原問題進(jìn)而得到了多級(jí)反饋控制律.然后將最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)參數(shù)選擇問題.我們的策略使得時(shí)間區(qū)間的個(gè)數(shù)和長(zhǎng)度是自適應(yīng)的.推導(dǎo)出相應(yīng)的梯度,最后通過數(shù)值計(jì)算表明該策略是靈活有效的.· 4.為進(jìn)一步提高終端時(shí)刻1,3-丙二醇的濃度,我們將稀釋速率D和注入甘油的濃度Cs。作為控制變量來研究該最優(yōu)控制問題的多階段線性反饋策略.在線性系數(shù)的選擇上反饋控制作為部分狀態(tài)變量的線性組合函數(shù),由于連續(xù)發(fā)酵本身大時(shí)間尺度的特點(diǎn),我們將線性組合中的系數(shù)選取為時(shí)間t的連續(xù)函數(shù).通過控制參數(shù)化方法將這兩個(gè)連續(xù)函數(shù)轉(zhuǎn)化為分段常值函數(shù),我們同時(shí)采用了自適應(yīng)調(diào)整分段次數(shù)的策略,再結(jié)合粒子群算法,給出了終端時(shí)刻1,3-丙二醇的濃度的計(jì)算值,證明了該控制策略對(duì)提高產(chǎn)量的有效性.
【圖文】：

控制變量DFigu}3.1ControlvariableD

０邐１０邐２０邐３０邐４０邐５０邐６０邐７０邐８０邐９０邐１００逡逑１（ｈ）逡逑圖３．１控制變量Ｄ逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋３．１邋Ｃｏｎｔｒｏｌ邋ｖａｒｉａｂｌｅ
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O232;TQ920.6

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 喻羅嬌;彭云飛;;常微分方程支配的最優(yōu)控制問題的二階必要條件[J];貴州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2018年02期

2 周丹丹;張文娟;;一類最優(yōu)控制問題的最大值原理[J];數(shù)學(xué)雜志;2009年05期

3 代麗麗;劉珊珊;李效民;;長(zhǎng)白山森林發(fā)展系統(tǒng)中的最優(yōu)控制問題探研[J];通化師范學(xué)院學(xué)報(bào);2009年10期

4 錢偉懿;張進(jìn);;一類非線性多階段最優(yōu)控制問題解的研究[J];渤海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2006年01期

5 錢偉懿;多階段最優(yōu)控制問題的最優(yōu)性條件[J];渤海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2004年02期

6 陳學(xué)華;帶不變凸的非光滑約束分式最優(yōu)控制問題的對(duì)偶[J];蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué));2001年03期

7 梁治安,葉慶凱;一類多目標(biāo)分式最優(yōu)控制問題的真有效性條件(英文)[J];北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1999年05期

8 梁治安,葉慶凱;一類多目標(biāo)分式最優(yōu)控制問題的對(duì)偶模型(英文)[J];北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1999年05期

9 李攀;受到干擾的仿射非線性系統(tǒng)超二次最優(yōu)控制問題[J];復(fù)旦學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1997年06期

10 李大侃,邵劍;求最優(yōu)控制問題直接解的不動(dòng)點(diǎn)方法及其應(yīng)用[J];信息與控制;1990年03期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 潘立平;周淵;;線性非二次最優(yōu)控制問題的一種解法[A];第二十七屆中國(guó)控制會(huì)議論文集[C];2008年

2 張寶琳;樊銘渠;;一類奇異時(shí)滯系統(tǒng)奇異二次指標(biāo)最優(yōu)控制問題的近似方法[A];第二十七屆中國(guó)控制會(huì)議論文集[C];2008年

3 張光澄;張國(guó)川;;求解最優(yōu)控制問題的直接方法[A];1988年控制理論及其應(yīng)用年會(huì)論文集（中）[C];1988年

4 高彩霞;馮恩民;;一類以脈沖系統(tǒng)為約束最優(yōu)控制問題的優(yōu)化算法[A];中國(guó)運(yùn)籌學(xué)會(huì)第八屆學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2006年

5 王水;朱經(jīng)浩;;線性規(guī)劃在半定二次最優(yōu)控制問題中的應(yīng)用[A];中國(guó)運(yùn)籌學(xué)會(huì)第八屆學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2006年

6 雍炯敏;;具有狀態(tài)約束的二階半線性橢圓型方程的最優(yōu)控制問題[A];1991年控制理論及其應(yīng)用年會(huì)論文集（下）[C];1991年

7 李春發(fā);陳華;;古地溫度場(chǎng)系統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別及最優(yōu)控制問題[A];中國(guó)運(yùn)籌學(xué)會(huì)第六屆學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集（上卷）[C];2000年

8 郭磊;于瑞林;田發(fā)中;;跳變時(shí)刻狀態(tài)受約束的跳變系統(tǒng)的最優(yōu)控制[A];第二十四屆中國(guó)控制會(huì)議論文集（上冊(cè)）[C];2005年

9 唐萬生;李光泉;;時(shí)變廣義系統(tǒng)最優(yōu)控制問題[A];全國(guó)青年管理科學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)論文集（第1卷）[C];1991年

10 徐一生;;具有脈沖控制的最優(yōu)控制問題的最大值原理[A];1989年控制理論及其應(yīng)用年會(huì)論文集（中）[C];1989年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 貝泓涵;一類微生物發(fā)酵中反饋?zhàn)顑?yōu)控制問題研究[D];大連理工大學(xué);2019年

2 李波;不確定線性二次參數(shù)最優(yōu)控制問題[D];南京理工大學(xué);2017年

3 孫琪;隨機(jī)系統(tǒng)的最優(yōu)控制理論、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

4 Chernov Artem;若干帶有小參數(shù)的最優(yōu)控制問題研究[D];華東師范大學(xué);2019年

5 王開;非線性Schr(?)dinger系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題[D];蘭州大學(xué);2018年

6 Fesko Oles;基于擴(kuò)張?jiān)淼目刂聘倪M(jìn)方法[D];華東師范大學(xué);2018年

7 李彬;含狀態(tài)和控制約束的最優(yōu)控制問題和應(yīng)用[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2011年

8 郭磊;混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、穩(wěn)定性及最優(yōu)控制問題研究[D];山東大學(xué);2006年

9 許亞善;滿足一致Lipschitz條件的最優(yōu)反饋控制問題[D];復(fù)旦大學(xué);2006年

10 雷玲;具備k-近似周期解的拋物系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題[D];浙江大學(xué);2007年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 申柳肖;兩類基于個(gè)體尺度的種群系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題[D];天津師范大學(xué);2019年

2 丁雪瑩;一類隨機(jī)演化布爾博弈的分析與控制[D];山東師范大學(xué);2019年

3 張晨陽(yáng);時(shí)間分?jǐn)?shù)階最優(yōu)控制問題的有限元算法研究[D];山東師范大學(xué);2019年

4 高新;橢圓方程最優(yōu)控制問題的算法研究[D];北京郵電大學(xué);2019年

5 陳力;具有爆破性質(zhì)的一類拋物型偏微分方程的最優(yōu)控制問題[D];東北師范大學(xué);2019年

6 周熒;一類邏輯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最優(yōu)控制問題的研究[D];貴州大學(xué);2019年

7 張國(guó)平;對(duì)流擴(kuò)散最優(yōu)控制問題的簡(jiǎn)化算法[D];貴州大學(xué);2019年

8 符繁強(qiáng);一類多值邏輯動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題[D];貴州民族大學(xué);2019年

9 崔興邦;布爾控制網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)控制問題的圖論方法及標(biāo)稱布爾網(wǎng)絡(luò)[D];山東大學(xué);2018年

10 李勝悅;分?jǐn)?shù)階最優(yōu)控制問題的譜配置法數(shù)值模擬[D];山東師范大學(xué);2018年

，

本文編號(hào)：2677119