[發明專利]連續發酵過程中估計培養基初始條件的方法

有效

• 申請號: 202110615110.9
• 申請日: 2021-06-02
• 公開（公告）號: CN113326618B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發明（設計）人: 趙順毅;張田雨;郭松杰;欒小麗;劉飛
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 蘇州市中南偉業知識產權代理事務所(普通合伙) 32257
• 代理人: 楊慧林

本發明公開了一種連續發酵過程中估計培養基初始條件的方法，包括建立連續發酵過程的三變量數學模型、線性化的連續發酵過程的狀態方程和系統測量方程，將連續的方程離散化得到離散狀態空間模型；在卡爾曼濾波的基礎上引入輔助變量得到服從學生分布的預測分布；使用變分貝葉斯理論表示系統狀態和輔助變量；預測系統狀態和輔助變量，更新系統狀態和輔助變量直到達到設置的迭代次數，輸出此時的系統狀態和輔助變量；直到達到設置的運行步數結束更新，得到初始時刻培養基中的關鍵變量的估計值。本發明通過建立連續發酵過程的三變量數學模型、引入學生分布，快速且準確地估計出培養基中關鍵變量初始條件，保證發酵過程安全和發酵質量。

技術領域

本發明涉及發酵培養基初始條件估計技術領域，具體涉及一種連續發酵過程中估計培養基初始條件的方法。

背景技術

在現有的連續發酵工藝中，由于傳感器設備的不完善或者工藝條件的限制，操作人員大多是采用離線分析的方法來分析培養基中關鍵變量的數值。但是離線分析的方法是間歇性的，在間歇性過程中進一步增大了時延特性，不利于發酵質量的實時監測或者發酵過程中故障的實時診斷。培養基的初始條件估計是分析培養基的關鍵一環，培養基初始條件估計不準確會影響整個發酵過程的質量。雖然目前有培養基初始化條件的估計方法，但存在計算量大、性能指標不確定等問題，使得這些估計方法在連續發酵過程中的應用受到限制。特別是針對連續發酵過程中的關鍵變量，目前沒有良好的估計方法來估計其初始條件。

發明內容

為此，本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術中的不足，提出一種快速且準確地估計連續發酵過程中的培養基初始化條件的連續發酵過程中估計培養基初始條件的方法。

為解決上述技術問題，本發明提供了一種連續發酵過程中估計培養基初始條件的方法，包括以下步驟：

步驟1：建立連續發酵過程的三變量數學模型和連續發酵過程的狀態方程，利用泰勒級數展開連續發酵過程的狀態方程得到線性化的連續發酵過程的狀態方程，建立系統測量方程；

步驟2：將線性化的連續發酵過程的狀態方程和系統測量方程所描述的連續狀態空間表達式離散化，得到離散狀態空間模型；

步驟3：在卡爾曼濾波的基礎上引入輔助變量，得到服從學生分布的預測分布；

步驟4：使用變分貝葉斯理論將每一時刻下的系統狀態和輔助變量的聯合后驗概率密度函數用兩個獨立的概率密度函數表示；

步驟5：設定系統參數初始值，總運行步數steps和每一步迭代的總次數N；

初始化離散狀態空間的時間索引n＝1；

步驟6：預測n時刻的狀態預測均值和伽馬分布的n時刻的輔助變量的預測形狀參數n時刻的輔助變量的預測逆尺度參數

初始化迭代次數j＝1；

步驟7：更新n時刻的輔助變量的形狀參數a_n、第j次迭代得到的n時刻的狀態變量的預測協方差第j次迭代得到的n時刻的狀態變量的均值第j次迭代得到的n時刻的狀態變量的協方差和第j次迭代得到的n時刻的輔助變量的預測逆尺度參數

步驟8：判斷迭代次數j是否滿足j＞N，若是則執行步驟9；若否則令j＝j+1，并跳轉執行步驟7；

步驟9：輸出當前時刻的狀態變量的均值、狀態變量的協方差、輔助變量的形狀參數和輔助變量的逆尺度參數；

步驟10：判斷時間索引n是否滿足n＞steps，若否則令n＝n+1，并跳轉執行步驟6；若是則結束更新，得到初始時刻培養基中的關鍵變量的估計值。

進一步地，所述步驟1中的三變量數學模型，具體為：

系統狀態系統輸入u＝s_f；