一种基于数据建模的蒸汽喷射器灭菌动态矩阵控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物控制技术领域，具体涉及一种基于数据建模的蒸汽喷射器灭菌动 态矩阵控制方法。
【背景技术】
[0002] 以蒸汽喷射器对培养基加热的连续灭菌系统及其装置见于生物制药生产过程中， 在该系统的控制下，物料可以在消毒管路流动过程中被蒸汽加热灭菌，杀死物料中的杂菌， 同时对培养基进行一级换热升温、维持罐保温和二级换热降温，为后续的发酵过程的成功 提供保障。相比与传统的实罐消毒，以蒸汽喷射器加热的连续灭菌的方式生产无间断、效率 高，对培养基加热均匀、消毒彻底，且可以降低蒸汽用量，因而该技术已经成为生物制药中 灭菌方法的发展趋势。在以蒸汽喷射器加热的连续灭菌控制系统中，物料和蒸汽混合后在 喷射器出口处温度的控制精度将作为主要技术指标。连续灭菌系统控制过程受到多个过程 参数的影响，除主控制量即蒸汽管路上控制蒸汽流量的阀门开度外，还存在多个扰动，如用 于灭菌的蒸汽温度和压力，培养基在管路中的流速，培养基在进入喷射器之前的温度等。在 灭菌过程中又存在很多影响灭菌系统过程参数的环节，如不同培养基容器，即物料罐之间 的切换引起的培养基在管路中的温度差异，不同批次培养基的比热容、密度和粘稠度的不 一致导致的培养基在管路中的流速变化、换热效果差异，管路上的过滤器因随系统运行而 有不同程度的阻塞，从而也影响培养基在管路中的流速，以及消毒所用蒸汽因多个车间共 用而存在蒸汽压力和温度的扰动等，以上因素均对灭菌过程的精确控制产生影响，且使多 个过程参数不能恒定而使得该过程难以用精确数学模型来进行分析。
[0003] 预测控制在当今工业控制过程中发挥着重要影响作用，该控制策略在上世纪七十 年代被提出，现在已在多种过程工业中实现应用。动态矩阵控制作为预测控制方法中的一 种，因其方法简单，易于实现而在工业过程控制领域中多有使用。该方法基于实际运行数据 建立系统模型，并根据所得模型获得响应过程参数的阶跃响应，从而形成动态矩阵，实现控 制过程。该方法以滚动优化的方式计算系统运行过程中的控制量输入，且在计算过程中可 以加入的约束，从而有针对性的计算适合于被控对象的控制量输入。该方法的使用可以避 免复杂工业过程的精确建模难题，同时以有限时域滚动计算的方式保证了预测模型的预测 效果。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于数据建模的 蒸汽喷射器灭菌动态矩阵控制方法，其主要控制对象是培养基即物料和蒸汽混合后在喷射 器出口处的温度，通过控制蒸汽流量，并加入对系统扰动的分析，实现对灭菌温度的精确控 制。
[0005] 为了达到上述发明目的，本发明采取的技术方案是：
[0006] -种基于数据建模的蒸汽喷射器灭菌动态矩阵控制方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤I:建立基于工业运行数据的蒸汽喷射器加热灭菌系统逼近模型
[0008] 根据连续灭菌过程中蒸汽喷射器加热过程运行的采样数据，通过对采样到的过程 参数进行分析，找出对系统输出，即物料和蒸汽混合后在喷射器出口处温度影响明显的过 程参数，形成连续灭菌控制系统的控制量和扰动量。并通过数学方法建立逼近模型；经过分 析，系统输入，即控制量确定喷射器蒸汽流量，在系统模型中表现为喷射器蒸汽管路上的阀 门开度；扰动量有：喷射器处物料入口温度，物料流速，蒸汽温度；被控量即系统输出为喷 射器物料出口温度；经过系统辨识，得到连续灭菌系统的逼近模型，其形式如下：
[0009] y(t) =B(z)u(t_l)
[0010] B(z) =I^b2Z丄+…bnbznb+1
[0011] 其中，y(t)为系统输出，u(t-l)为系统输入及扰动组成的向量，nb为为模型阶次，Mi= 1，2,…nb)为四行一列待辨识参数矩阵，厂1为延迟算子，B(Z)为延迟因子构成的多 项式；
[0012] 步骤2 :过程参数阶跃响应辨识
[0013] 得到逼近模型后，为获得用以控制的动态矩阵，首先要获得控制量和扰动量的阶 跃响应；
[0014] 因实际工业运行过程中，阶跃响应涉及到物料的使用和能量的消耗，工业现场不 允许操作者进行阶跃实验，本发明中以基于数据驱动的仿真辨识的方式实现阶跃响应；具 体操作如下：
[0015] 基于步骤一所获得的系统模型，在仿真环境中给予对应过程参数以阶跃输入，所 获得的仿真输出经过拟合后，辨识得到该过程参数的传递函数F(S)，其形式如下：
【主权项】
1. 一种基于数据建模的蒸汽喷射器灭菌动态矩阵控制方法，其特征在于：包括如下步 骤： 步骤1;建立基于工业运行数据的蒸汽喷射器加热灭菌系统逼近模型 根据连续灭菌过程中蒸汽喷射器加热过程运行的采样数据，通过对采样到的过程参数 进行分析，找出对系统输出，即物料和蒸汽混合后在喷射器出口处温度影响明显的过程参 数，形成连续灭菌控制系统的控制量和扰动量；并通过数学方法建立逼近模型；经过分析， 系统输入，即控制量确定喷射器蒸汽流量，在系统模型中表现为喷射器蒸汽管路上的阀口 开度；扰动量有：喷射器处物料入口温度，物料流速，蒸汽温度；被控量即系统输出为喷射 器物料出口温度；经过系统辨识，得到连续灭菌系统的逼近模型，其形式如下： y(t) =B(z)u(t-1) B(z) =bi+b2Z-i+...bnbZ-址+1 其中，z^i为延迟算子，y(t)为系统输出，u(t-l)为系统输入及扰动组成的向量，nb为 模型阶次，bi(i=l，2，一nb)为四行一列待辨识参数矩阵，B(z)为延迟因子构成的多项式； 步骤2 ;过程参数阶跃响应辨识 得到逼近模型后，为获得用W控制的动态矩阵，首先要获得控制量和扰动量的阶跃响 应； 实际工业运行过程中，阶跃响应设及到物料的使用和能量的消耗，工业现场不允许操 作者进行阶跃实验，因此，W基于数据驱动的仿真辨识的方式实现阶跃响应；具体操作如 下： 基于步骤1所获得的系统逼近模型，在仿真环境中给予对应过程参数W阶跃输入，所 获得的仿真输出经过拟合后，辨识得到该过程参数的传递函数F(S)，其形式如下：
其中，A、B、C为待辨识参数，S为复参数； 基于所得到的传递函数和控制步长、预测步长，计算该过程参数的动态矩阵； 因为在连续灭菌控制过程中，包括有一个控制量和=个扰动量，故所获得的动态矩阵 包括四部分；G，Di，〇2, 分别对应控制量即喷射器蒸汽管路上的阀口开度和S个扰动，即物 料流速，喷射器处物料入口温度和蒸汽温度所对应的动态矩阵，WG为例，动态矩阵的形式 如下：
其中，m为控制步长，N为预测步长，gi(i= 1，2,……脚为i时刻对应的阶跃响应值； 步骤3 ;控制量的计算 基于步骤2所得的各参数动态矩阵，系统预测输出值y表达为：
上式中，U为控制量按时间序列构成的矩阵，中为第i个扰动量按时间顺序构成的列向 量，町为第i个扰动量对应的动态矩阵，fu为控制量中影响预测值的只与过去时刻数值有 关的部分所构成的列向量，fu=[fu(t+l)，fu(t+2)……fu(t+N) ]T，为扰动d冲影响预测 值的只与过去时刻数值有关的部分所构成的列向量，fi=[fi(t+l)，fi(t+2)……fi(t+N)] T.且中.
其中N为预测步长，Au(t-i)为t-i时刻的控制量增量，gi为动态矩阵G中第i行第 一列的值，gij为动态矩阵Di第j行第一列的值；fi(t+k)，k= 1，2,……N为的第k个元 素数值，fu(t+k)，k= 1，2,......N为fu的第k个元素数值； 为简便起见，将系统预测输出值y记为： y=Gu+f 其中f二fu+Sf=lfi，确定目标函数J为：
其中m为控制步长，A为平衡目标函数两部分（即预测误差和控制耗能）权重的系数，Au(t+j-l)为t+j-1时刻控制量的变化量，y' (t+j|t)为在t时刻预测的t+j时刻的系 统输出值，w(t+j)为t+j时刻的输出参考轨迹，设置为如下形式： w(t+j)=曰w(t+j-l) + (l-曰）r(t+j) w(t) =y(t) 其中r(t+j)为系统输出在t+j时刻的设定值，a为0到1之间的常数，y(t)为当前时 刻系统输出量； 求目标函数的最小值，即获得当前时刻最优的控制量U: U=佑了6+AI)-屯了 (w-f) 其中，W为输出轨迹按时间顺序构成的序列，T为转置符号，I为单位对角矩阵，上标-1 为矩阵逆运算符号； 按照滚动优化的方式，每次计算U都只需要计算第一行第一列的数值即可。
2.根据权利要求1所述的一种基于数据建模的蒸汽喷射器灭菌动态矩阵控制方法，其 特征在于：所述蒸汽喷射器加热灭菌动态矩阵控制方法采用可编程逻辑控制器和工控机组 成的分布式控制系统，系统过程参数的数据采集由可编程逻辑控制器实现，为使控制过程 具有实时性和精确性，数据采集速率应在500msW上；由控制器滚动优化计算出系统输入 量后，由可编程逻辑控制器输出给对应的执行机构，实现控制过程。
【专利摘要】本发明公开了一种基于数据建模的蒸汽喷射器灭菌动态矩阵控制方法，以生物制药过程中以蒸汽喷射器对物料加热灭菌控制过程为对象，以蒸汽在喷射器入口处流量为控制量，物料和蒸汽混合后在喷射器出口处温度为被控制量，以喷射器物料入口温度、物料流速、喷射器蒸汽入口温度为扰动量；该方法根据工业运行数据建立系统模型，并基于所获得的模型通过系统辨识得到控制量阶跃响应及扰动量的阶跃响应；基于系统阶跃响应建立动态矩阵，并实现控制器的设计进行预测控制；本发明控制方法简单，分析过程和控制器设计基于工业过程数据，减少了分析和设计过程对灭菌设备和相关工艺环节的依赖，在工程上较易实现应用。
【IPC分类】G05B13-04
【公开号】CN104793491
【申请号】CN201510159007
【发明人】张士良, 曹晖, 张彦斌, 贾立新, 司刚全
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月3日