【摘要】：本文以微生物連續(xù)發(fā)酵甘油生產(chǎn)1,3-丙二醇為背景,研究了該發(fā)酵過程的非線性(時滯)動力系統(tǒng)以及反饋最優(yōu)控制問題.微生物發(fā)酵法生產(chǎn)1,3-丙二醇較傳統(tǒng)的化學(xué)合成法有生產(chǎn)過程簡易、無有毒副產(chǎn)物等優(yōu)勢,但由于其產(chǎn)量上較傳統(tǒng)辦法有明顯劣勢,因此對其提高產(chǎn)量的研究具有很高的價值.在該背景下,學(xué)者們通過最優(yōu)控制理論以及優(yōu)化算法等手段對提高目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量做了很多研究.由于這類問題具有高度非線性以及連續(xù)狀態(tài)不等式約束等特點,很難用經(jīng)典的Riccati方程的方法得到最優(yōu)反饋控制律.本文將致力于微生物連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)1,3-丙二醇的最優(yōu)控制問題,考慮了時滯因素的影響并且討論設(shè)計了該最優(yōu)控制問題的反饋控制律的設(shè)計方法,該項研究對于提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量具有一定的理論依據(jù)和參考應(yīng)用價值.本文的主要內(nèi)容可以概括如下:· 1.我們將微生物連續(xù)發(fā)酵過程中的稀釋速率D和注入的甘油濃度Cs0作為控制變量,根據(jù)微生物發(fā)酵的機理分析,影響1,3-丙二醇終濃度的主要因素是生物量濃度和甘油濃度,基于線性反饋理論、建立了關(guān)于生物量濃度和甘油濃度的線性反饋控制器使得1,3-丙二醇的產(chǎn)量最大化.我們首先通過引入線性反饋策略,將最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為一個半無限優(yōu)化問題,利用精確罰方法處理約束條件并使用基于梯度的優(yōu)化算法得到原優(yōu)化問題的最優(yōu)解.數(shù)值結(jié)果表明,我們所使用的線性反饋控制策略可以實現(xiàn)閉環(huán)控制.· 2.研究了微生物連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)1,3-丙二醇的非線性時滯動力系統(tǒng),目的是通過控制稀釋速率和注入的甘油濃度,最大限度地提高1,3-丙二醇的濃度.因此,以終端時刻1,3-丙二醇的濃度為目標(biāo)函數(shù),以稀釋速率、注入的甘油濃度為控制變量,提出了時滯系統(tǒng)和連續(xù)不等式約束控制的最優(yōu)控制模型.在控制參數(shù)化方法的基礎(chǔ)上,使用基于一種靈敏度的自適應(yīng)優(yōu)化方法來尋找最優(yōu)控制問題的解,這里的自適應(yīng)指的是控制參數(shù)化方法中對時間區(qū)間的分割次數(shù)及每一時間區(qū)間的長度是基于靈敏度信息的算法自適應(yīng)調(diào)整的.此外,為了避免陷入局部最優(yōu)解,我們還將改進(jìn)的粒子群算法與基于靈敏度的自適應(yīng)優(yōu)化算法相結(jié)合來克服這一局限.數(shù)值結(jié)果驗證了優(yōu)化算法的有效性,表明優(yōu)化后的最優(yōu)控制策略能顯著提高最終時刻的1,3-丙二醇濃度.· 3.研究了微生物連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)1,3-丙二醇的多階段反饋控制策略.反饋控制策略據(jù)我們所知,這是它第一次應(yīng)用于克雷伯氏桿菌歧化生產(chǎn)1,3-丙二醇的微生物發(fā)酵法的生產(chǎn)過程中.區(qū)別于傳統(tǒng)的線性反饋控制器,在假設(shè)反饋控制器與生物量和甘油濃度的線性相關(guān)的基礎(chǔ)上,令控制器中的系數(shù)是關(guān)于t的連續(xù)函數(shù)而非常數(shù).利用系數(shù)函數(shù)的控制參數(shù)化方法,將連續(xù)函數(shù)離散化從而簡化原問題進(jìn)而得到了多級反饋控制律.然后將最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)參數(shù)選擇問題.我們的策略使得時間區(qū)間的個數(shù)和長度是自適應(yīng)的.推導(dǎo)出相應(yīng)的梯度,最后通過數(shù)值計算表明該策略是靈活有效的.· 4.為進(jìn)一步提高終端時刻1,3-丙二醇的濃度,我們將稀釋速率D和注入甘油的濃度Cs。作為控制變量來研究該最優(yōu)控制問題的多階段線性反饋策略.在線性系數(shù)的選擇上反饋控制作為部分狀態(tài)變量的線性組合函數(shù),由于連續(xù)發(fā)酵本身大時間尺度的特點,我們將線性組合中的系數(shù)選取為時間t的連續(xù)函數(shù).通過控制參數(shù)化方法將這兩個連續(xù)函數(shù)轉(zhuǎn)化為分段常值函數(shù),我們同時采用了自適應(yīng)調(diào)整分段次數(shù)的策略,再結(jié)合粒子群算法,給出了終端時刻1,3-丙二醇的濃度的計算值,證明了該控制策略對提高產(chǎn)量的有效性.
【圖文】：

控制變量DFigu}3.1ControlvariableD

０邐１０邐２０邐３０邐４０邐５０邐６０邐７０邐８０邐９０邐１００逡逑１（ｈ）逡逑圖３．１控制變量Ｄ逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋３．１邋Ｃｏｎｔｒｏｌ邋ｖａｒｉａｂｌｅ
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O232;TQ920.6

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本文編號：2677119