[發明專利]多批次間歇反應過程二維多模型預測迭代學習控制方法

有效

• 申請號: 201410566073.7
• 申請日: 2014-10-20
• 公開（公告）號: CN104460319B
• 公開（公告）日: 2019-04-12
• 發明（設計）人: 薄翠梅;黃慶慶;陸兵;易輝;楊世品
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種多批次間歇反應過程二維多模型預測迭代學習控制方法。首先根據采集的輸入輸出數據樣本集，采用遞推增廣最小二乘算法辨識間歇反應過程基于加權時變函數的多組合線性模型，并通過迭代學習控制理論構建二維(批次域+時間域)等效模型；然后基于二維等效模型構造新型的二次型成本性能指標，合理選擇權重系數；最后通過性能指標最小化求解控制信號的最優更新策略，給出二維廣義預測迭代學習方法具體實現結構模式。本發明針對現有間歇生物反應裝置傳統控制的不足之處，將批次域和時間域結合成為二維動態系統，通過多批次間迭代學習策略與當前批次多模型廣義預測控制相融合，對間歇生物反應裝置的批次反應過程進行優化控制，確保多批次高品質產品質量的一致性。

技術領域

本發明涉及工業優化領域，尤其是對批次間歇生物反應裝置產品質量優化控制。

背景技術

間歇生物反應器適用于批量小、產值高、多品種物料的反應體系，有很好的經濟性和操作靈活性，在制藥、精細化工、香料、食品等行業中應用極為廣泛。間歇生物反應器受多工序、多變量、時變性、工序運行時間不確定等諸多因素影響，決定了多批次間歇生物反應器控制要比連續生物反應器控制復雜，需要新的非傳統的控制技術保證不同批次之間產品品質的一致性。

在生物反應器控制的過程中，精確的溫度快速跟蹤控制是保障生物產品生產可靠性和穩定性的關鍵。多批次間歇生物反應過程一方面在不同批次之間具有操作的可重復性，另一方面在每個不同批次內部因原料性質和外界擾動的影響存在著個體差異，在不同工序時段操作模式也不同。因此急需發明一種新型控制方法，將批次域可重復性與當前批次時間域質量閉環控制相結合，保證不同批次之間高品質產品的一致性。

本發明針對多批次間歇生物反應裝置，構建二維等效過程模型，提出二維多模型預測迭代學習控制方法，即將前批次動態信息和當前批次動態信息引入二維(批次域+時間域)成本函數優化性能指標中，通過優化計算更新當前批次當前時刻輸入信號，進行產品質量溫度閉環控制，提高系統的魯棒性，實現在多重擾動下多批次產品高品質的一致性控制目標。

發明內容

本發明針對現有間歇生物反應器傳統的溫度PID閉環控制不足之處，構建一個二維(時間域+批次域)多模型預測迭代學習控制系統(如圖1所示)，改善間歇生物反應器的控制效果。本發明公開的控制系統包括兩個部分：一是使用當前批次實時系統信息的時間域廣義預測控制，確保隨著時間軸移動的預測域的最優控制性能；二是使用前批次信息的批次域迭代學習控制，提高批到批的質量閉環控制性能的快速動態調節功能。

本發明的技術方案是將實際多工序間歇反應過程中的數據采集樣本，采用遞推增廣最小二乘法辨識間歇過程加權時變多組合線性模型，將該模型與迭代學習控制算法結合構建二維等效模型，利用上一批次信息，對下一批次進行迭代學習控制。同時，通過廣義預測控制方法對當前批次進行實時優化控制，并將前一批次迭代學習控制算法引入性能優化目標函數，進行批次間的補償動態調節，有效快速克服批次間重復性擾動和批次內的未知擾動，實現裝置平穩、高品質運行。

本發明方法的具體步驟是：

步驟(1)通過實際反應過程采集數據，利用輸入控制信息和輸出信息，使用時變加權因子構建多組合線性模型。間歇生物反應過程通常比連續過程有更復雜的操作規則和多級特性，其操作模式通常隨著時間變化，比如，整個運行過程中，輸入量變化多次，很多操作在特定的時間和特定的時間間隔進行。同時，整個運行過程分為幾個階段，一般間歇反應中存在預熱階段，加料階段，反應階段和出料階段，采用遞推增廣最小二乘法辨識算法辨識間歇反應過程多階段操作過程子模型，并通過時變加權因子建立多組合線性模型：