[發明專利]一種基于數據建模的蒸汽噴射器滅菌動態矩陣控制方法

有效

• 申請號: 201510159007.2
• 申請日: 2015-04-03
• 公開（公告）號: CN104793491B
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 張士良;曹暉;張彥斌;賈立新;司剛全
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所61215
• 代理人: 何會俠

1.一種基于數據建模的蒸汽噴射器滅菌動態矩陣控制方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1：建立基于工業運行數據的蒸汽噴射器加熱滅菌系統逼近模型

根據連續滅菌過程中蒸汽噴射器加熱過程運行的采樣數據，通過對采樣到的過程參數進行分析，找出對系統輸出，即物料和蒸汽混合后在噴射器出口處溫度影響明顯的過程參數，形成連續滅菌控制系統的控制量和擾動量；并通過數學方法建立逼近模型；經過分析，系統輸入，即控制量確定噴射器蒸汽流量，在系統模型中表現為噴射器蒸汽管路上的閥門開度；擾動量有：噴射器處物料入口溫度，物料流速，蒸汽溫度；被控量即系統輸出為噴射器物料出口溫度；經過系統辨識，得到連續滅菌系統的逼近模型，其形式如下：

y(t)＝B(z)u(t-1）

B(z)＝b₁+b₂z^-1+…b_nbZ^-nb+1

其中，z^-1為延遲算子，y(t)為系統輸出，u(t-1)為系統輸入及擾動組成的向量，nb為模型階次，b_i，i＝1，2，...，nb，為四行一列待辨識參數矩陣，B(z)為延遲因子構成的多項式；

步驟2：過程參數階躍響應辨識

得到逼近模型后，為獲得用以控制的動態矩陣，首先要獲得控制量和擾動量的階躍響應；

實際工業運行過程中，階躍響應涉及到物料的使用和能量的消耗，工業現場不允許操作者進行階躍實驗，因此，以基于數據驅動的仿真辨識的方式實現階躍響應；具體操作如下：

基于步驟1所獲得的系統逼近模型，在仿真環境中給予對應過程參數以階躍輸入，所獲得的仿真輸出經過擬合后，辨識得到該過程參數的傳遞函數F(s)，其形式如下：

其中，A、B、C為待辨識參數，s為復參數；

基于所得到的傳遞函數和控制步長、預測步長，計算該過程參數的動態矩陣；

因為在連續滅菌控制過程中，包括有一個控制量和三個擾動量，故所獲得的動態矩陣包括四部分：G,D₁,D₂,D₃分別對應控制量即噴射器蒸汽管路上的閥門開度和三個擾動，即物料流速，噴射器處物料入口溫度和蒸汽溫度所對應的動態矩陣，以G為例，動態矩陣的形式如下：

其中，m為控制步長，N為預測步長，g_i，i＝1，2，...，N，為i時刻對應的階躍響應值；

步驟3：控制量的計算

基于步驟2所得的各參數動態矩陣，系統預測輸出值y′表達為：

上式中，u為控制量按時間序列構成的矩陣，d_i為第i個擾動量按時間順序構成的列向量，D_i為第i個擾動量對應的動態矩陣，f_u為控制量中影響預測值的只與過去時刻數值有關的部分所構成的列向量,f_u＝[f_u(t+1)，f_u(t+2)，...，f_u(t+N)]^T，f_i為擾動d_i中影響預測值的只與過去時刻數值有關的部分所構成的列向量，f_i＝[f_i(t+1)，f_i(t+2)，...，f_i(t+N)]^T；其中：

其中N為預測步長，Δu(t-i)為t-i時刻的控制量增量，g_i為動態矩陣G中第i行第一列的值，gi_j為動態矩陣D_i第j行第一列的值；f_i(t+k)，k＝1，2，...，N，為f_i的第k個元素數值，f_u(t+k)，k＝1，2，...，N，為f_u的第k個元素數值；

為簡便起見，將系統預測輸出值y′記為：

y′＝Gu+f

其中確定目標函數J為：

其中m為控制步長，λ為平衡預測誤差和控制耗能權重的系數，Δu(t+j-1)為t+j-1時刻控制量的變化量，y′(t+j|t)為在t時刻預測的t+j時刻的系統輸出值，w(t+j)為t+j時刻的輸出參考軌跡，設置為如下形式：

w(t+j)＝αw(t+j-1)+(1-α)r(t+j)

w(t)＝y(t)

其中r(t+j)為系統輸出在t+j時刻的設定值，α為0到1之間的常數，y(t)為當前時刻系統輸出量；

求目標函數的最小值，即獲得當前時刻最優的控制量u：

u＝(G^TG+λI)^-1G^T(w-f)

其中，w為輸出軌跡按時間順序構成的序列，T為轉置符號，I為單位對角矩陣，上標-1為矩陣逆運算符號；

按照滾動優化的方式，每次計算u都只需要計算第一行第一列的數值即可。

2.權利要求1所述的一種基于數據建模的蒸汽噴射器滅菌動態矩陣控制方法，其特征在于：應用于生化工業和生物制藥中以蒸汽噴射器對各種培養基進行加熱滅菌的控制系統。