[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

技術領域

本發明屬于生物控制技術領域，具體涉及一種基于數據建模的蒸汽噴射器滅菌動態矩陣控制方法。

背景技術

以蒸汽噴射器對培養基加熱的連續滅菌系統及其裝置見于生物制藥生產過程中，在該系統的控制下，物料可以在消毒管路流動過程中被蒸汽加熱滅菌，殺死物料中的雜菌，同時對培養基進行一級換熱升溫、維持罐保溫和二級換熱降溫，為后續的發酵過程的成功提供保障。相比與傳統的實罐消毒，以蒸汽噴射器加熱的連續滅菌的方式生產無間斷、效率高，對培養基加熱均勻、消毒徹底，且可以降低蒸汽用量，因而該技術已經成為生物制藥中滅菌方法的發展趨勢。在以蒸汽噴射器加熱的連續滅菌控制系統中，物料和蒸汽混合后在噴射器出口處溫度的控制精度將作為主要技術指標。連續滅菌系統控制過程受到多個過程參數的影響，除主控制量即蒸汽管路上控制蒸汽流量的閥門開度外，還存在多個擾動，如用于滅菌的蒸汽溫度和壓力，培養基在管路中的流速，培養基在進入噴射器之前的溫度等。在滅菌過程中又存在很多影響滅菌系統過程參數的環節，如不同培養基容器，即物料罐之間的切換引起的培養基在管路中的溫度差異，不同批次培養基的比熱容、密度和粘稠度的不一致導致的培養基在管路中的流速變化、換熱效果差異，管路上的過濾器因隨系統運行而有不同程度的阻塞，從而也影響培養基在管路中的流速，以及消毒所用蒸汽因多個車間共用而存在蒸汽壓力和溫度的擾動等，以上因素均對滅菌過程的精確控制產生影響，且使多個過程參數不能恒定而使得該過程難以用精確數學模型來進行分析。

預測控制在當今工業控制過程中發揮著重要影響作用，該控制策略在上世紀七十年代被提出，現在已在多種過程工業中實現應用。動態矩陣控制作為預測控制方法中的一種，因其方法簡單，易于實現而在工業過程控制領域中多有使用。該方法基于實際運行數據建立系統模型，并根據所得模型獲得響應過程參數的階躍響應，從而形成動態矩陣，實現控制過程。該方法以滾動優化的方式計算系統運行過程中的控制量輸入，且在計算過程中可以加入的約束，從而有針對性的計算適合于被控對象的控制量輸入。該方法的使用可以避免復雜工業過程的精確建模難題，同時以有限時域滾動計算的方式保證了預測模型的預測效果。

發明內容

為了解決上述現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種基于數據建模的蒸汽噴射器滅菌動態矩陣控制方法，其主要控制對象是培養基即物料和蒸汽混合后在噴射器出口處的溫度，通過控制蒸汽流量，并加入對系統擾動的分析，實現對滅菌溫度的精確控制。

為了達到上述發明目的，本發明采取的技術方案是：

一種基于數據建模的蒸汽噴射器滅菌動態矩陣控制方法，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，y(t)為系統輸出，u(t-1)為系統輸入及擾動組成的向量，nb為為模型階次，b_i(i＝1,2,…nb)為四行一列待辨識參數矩陣，z^-1為延遲算子，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；

因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，本發明中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：

基于步驟一所獲得的系統模型，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；