[發明專利]一種基于核最小二乘回歸的青霉素發酵過程故障分離方法

在審

• 申請號: 201410336972.8
• 申請日: 2014-07-15
• 公開（公告）號: CN104133990A
• 公開（公告）日: 2014-11-05
• 發明（設計）人: 張穎偉;劉施濤
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 朱光林

技術領域

本發明屬于故障檢測與診斷技術領域，具體涉及一種基于核最小二乘回歸的青霉素發酵過程故障分離方法。

背景技術

青霉素作為抗生素的一種,具有廣泛的臨床醫用價值；作為二次代謝產物的一種，其生產設備是一個典型的非線性、動態生產過程，具有重要的學術研究和工業應用價值。青霉素發酵過程的流程示意圖如圖1所示，其中pH值和溫度采用閉環控制，而補料采用開環定值控制，通過控制過程的pH值和發酵期內的溫度，可以使反應在最佳的條件下進行。整個生產周期包含4個生理期,反應滯后期、菌體迅速生長期、青霉素合成期和菌體死亡(自溶)期；2個物理子階段：細胞培養階段(又稱為批量操作階段，對應后兩個生理期，大約持續45h)與青霉素補料發酵階段(又稱為間歇補料操作階段，對應后兩個生理期，大約持續355h)。作為二次發酵生物代謝過程，此為初始培養階段；然后，通過不斷的補充葡萄糖，促進青霉素的合成，此為青霉素發酵階段，此階段所需要的細胞都是在初始培養階段產生的。在發酵階段，青霉素作為代謝產物開始產生，經過指數生長期，一直持續到靜止期。

由于目前我國多數青霉素發酵過程自動化程度還比較低，往往在生產過程中會出現故障和異常情況頻繁發生的情況。其中，在控制泡沫時，若天然油脂使用過多則會影響菌體的呼吸代謝，若天然油脂的量過少則影響發酵的速度。在控制泡沫的時候，還需要加入酸、堿以調節發酵的pH值，過多或過少的酸、堿都會影響發酵的pH值，從而造成青霉素發酵失敗。

另外，在細胞培養階段，菌體的濃度低，培養基營養豐富，容易形成染菌。青霉素發酵前期，染菌后雜菌容易繁殖，與生產菌爭奪營養成分和氧分，嚴重干擾生產菌的生長繁殖和產物的生成，干擾生產秩序，破壞生產計劃；發酵中期染菌會嚴重干擾生產菌的代謝，影響產物的生成，此時，一般會采用“倒灌”的做法，這樣會造成大量原材料的浪費和操作費用的增加。因此需要及時地診斷青霉素發酵過程中出現的異常和故障。這些危險因素在一定條件下，使得過程失敗，甚至造成事故的發生、生產的擾亂、生活的不安全、環境的嚴重污染和經濟的大量損失。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明提供一種基于核最小二乘回歸的青霉素發酵過程故障分離方法。

本發明的技術方案是這樣實現的：

一種基于核最小二乘回歸的青霉素發酵過程故障分離方法，包括以下步驟：

步驟1：獲取青霉素發酵過程的歷史故障數據集，所述故障數據包括通風率、攪拌器的功率以及底物喂料的流速；

步驟2：根據青霉素發酵過程的歷史故障數據建立核最小二乘回歸學習模型，該模型的輸入為青霉素發酵過程的歷史故障數據集，輸出為青霉素發酵過程的故障類別；

步驟2.1：將青霉素發酵過程的歷史故障數據集X映射到高維特征空間，青霉素發酵過程的歷史故障數據集X的線性目標函數XW+e_nt^T≈Y，其相應的非線性目標函數Φ(X)W+e_nt^T≈Y，其中，Φ(X)是青霉素發酵過程的歷史故障數據X的投影函數，Y是故障類別矩陣，e_n是單位矩陣，W是轉換矩陣，t是平移向量；

步驟2.2：利用拖拽因子B⊙M對青霉素發酵過程的歷史故障數據集X的非線性目標函數Φ(X)W+e_nt^T≈Y進行優化，得到優化的非線性目標函數Φ(X)W+e_nt^T-(Y+B⊙M)≈0，B是拖拽方向矩陣、M是拖拽量矩陣；

步驟2.3：根據核最小二乘回歸學習LSR框架，建立基于核最小二乘回歸的青霉素發酵過程故障分離模型：

該模型以優化的非線性目標函數最小化為目標，以拖拽量矩陣M≥0為邊界條件；

步驟2.4：確定基于核最小二乘回歸的青霉素發酵過程故障分離模型的W、t和M；

步驟2.4.1：根據矩陣求導理論確定W；

步驟2.4.2：根據矩陣求導理論確定t；

步驟2.4.3：根據基于Frobenius范數平方按元素解耦理論確定M；

步驟2.5：確定最終的基于核最小二乘回歸的青霉素發酵過程故障分離模型；

步驟3：實時采集青霉素發酵過程數據，包括通風率、攪拌器的功率以及底物喂料的流速，并根據采集的青霉素發酵過程數據判斷當前青霉素發酵過程是否發生故障；

步驟3.1：實時采集青霉素發酵過程數據，包括通風率、攪拌器的功率以及底物喂料的流速，并進行中心化和標準化處理；