本文關(guān)鍵詞：一類批式流加和連續(xù)發(fā)酵非線性系統(tǒng)辨識(shí)與控制　出處：《大連理工大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：本文以微生物發(fā)酵生產(chǎn)1,3-丙二醇為背景,研究了批式流加發(fā)酵脈沖系統(tǒng)與自治切換系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題和酶催化批式流加發(fā)酵系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)問題.另外對(duì)基因調(diào)控連續(xù)發(fā)酵非線性系統(tǒng)研究了參數(shù)辨識(shí)問題.該項(xiàng)研究對(duì)提高1,3-丙二醇產(chǎn)量提供參考,并且對(duì)微生物發(fā)酵甘油生產(chǎn)1,3-丙二醇過程的胞內(nèi)代謝機(jī)理具有重要的參考價(jià)值,本文工作具有一定的理論意義與應(yīng)用價(jià)值,得到國家自然科學(xué)基金、“973”和“863”等項(xiàng)目的資助.本論文研究的內(nèi)容與取得的主要結(jié)果可概括如下：1.批式流加發(fā)酵過程中將甘油和堿的流加看作一個(gè)脈沖過程,以甘油的流加體積和流加時(shí)刻作為控制變量,以終端時(shí)刻1,3-丙二醇的濃度為目標(biāo)函數(shù),給出了脈沖最優(yōu)控制問題.利用懲罰函數(shù)和障礙函數(shù)方法處理連續(xù)狀態(tài)變量約束.結(jié)合多群體粒子群優(yōu)化算法和基于梯度的優(yōu)化算法求解脈沖最優(yōu)控制問題.數(shù)值結(jié)果表明得到的最優(yōu)流加策略提高產(chǎn)物濃度.2.考慮批式流加發(fā)酵魯棒脈沖最優(yōu)控制問題.以甘油流加體積和流加時(shí)刻為控制變量,以終端時(shí)刻1,3-丙二醇的濃度及其關(guān)于不確定系統(tǒng)參數(shù)的靈敏度為目標(biāo)函數(shù).發(fā)酵過程中生物量,甘油和產(chǎn)物濃度限制在一定范圍內(nèi),最優(yōu)控制問題中帶有狀態(tài)變量連續(xù)約束.應(yīng)用伴隨系統(tǒng)方法將魯棒脈沖最優(yōu)控制問題等價(jià)轉(zhuǎn)換為一般形式的脈沖最優(yōu)控制問題.結(jié)合粒子群優(yōu)化算法和基于梯度的優(yōu)化算法求解脈沖最優(yōu)控制問題.數(shù)值結(jié)果表明模型與算法的有效性.3.研究了耦合批式流加發(fā)酵自治切換系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題.以甘油和堿的流加速度比例函數(shù)為控制函數(shù),建立了自治切換系統(tǒng)最優(yōu)控制問題.應(yīng)用靈敏度函數(shù)方法求出目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的梯度,結(jié)合隨機(jī)搜索算法和基于梯度的優(yōu)化算法求解最優(yōu)控制問題.數(shù)值結(jié)果表明最優(yōu)流加策略可以控制產(chǎn)物和底物濃度.4.研究了非線性酶催化批式流加發(fā)酵系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)問題.系統(tǒng)狀態(tài)變量包括胞外物質(zhì)濃度和胞內(nèi)物質(zhì)濃度.胞外物質(zhì)濃度的模擬數(shù)值結(jié)果可以與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)比較.但是胞內(nèi)物質(zhì)濃度很難有測(cè)量數(shù)據(jù).為了更準(zhǔn)確描述胞內(nèi)物質(zhì)濃度,定義胞內(nèi)物質(zhì)濃度的魯棒性值.以胞內(nèi)物質(zhì)魯棒性值和胞外物質(zhì)相對(duì)誤差為目標(biāo)函數(shù),給出酶催化批式流加系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)問題.魯棒性值的計(jì)算過程中會(huì)有大量數(shù)值計(jì)算,給出改進(jìn)的并行遺傳算法求解參數(shù)辨識(shí)問題.數(shù)值結(jié)果表明最優(yōu)參數(shù)下數(shù)學(xué)模型比較好的模擬實(shí)際發(fā)酵過程.5.研究了非線性基因調(diào)控連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)問題.系統(tǒng)狀態(tài)變量包括胞外物質(zhì)濃度和胞內(nèi)物質(zhì)濃度.辨識(shí)參數(shù)包括系統(tǒng)參數(shù)和路徑參數(shù).胞外物質(zhì)濃度的模擬數(shù)值結(jié)果可以與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)比較.但是胞內(nèi)物質(zhì)濃度很難有測(cè)量數(shù)據(jù).為了更準(zhǔn)確描述胞內(nèi)物質(zhì)濃度,定義胞內(nèi)物質(zhì)濃度的魯棒性值.魯棒性值考慮的是連續(xù)發(fā)酵過程到達(dá)穩(wěn)態(tài)后在參數(shù)擾動(dòng)下胞內(nèi)物質(zhì)濃度的變化率.以胞內(nèi)物質(zhì)魯棒性值為目標(biāo)函數(shù),給出基因調(diào)控連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)的的參數(shù)辨識(shí)問題.胞外物質(zhì)濃度相對(duì)誤差限制在一定范圍內(nèi).魯棒性值的計(jì)算過程中會(huì)有大量數(shù)值計(jì)算,給出改進(jìn)的并行粒子群優(yōu)化算法求解參數(shù)辨識(shí)問題.
[Abstract]:In this paper , the optimal control problem of batch - type flow plus fermentation system is studied by using the method of penalty function and obstacle function .

【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】：2016
【分類號(hào)】：O231

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本文編號(hào)：1401758