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微生物发酵过程的建模与优化控制研究

作　者: 王巧立
导　师: 陈铁军
学　校: 郑州大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 发酵过程建模量子粒子群优化最小二乘支持向量机仿射传播聚类优化控制
分类号: TQ920.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

微生物发酵工程是生物技术的应用基础,是生物技术产业的核心。一次成功的发酵同时受到两方面因素的制约：一是生产菌种的遗传特性,二是发酵条件。保证微生物菌种在最适的发酵条件下大量生长并合成代谢产物,才能获得工业规模的最大生产效率。近几十年中,发酵工业发展迅速,规模越来越大,对发酵条件进行优化控制也变得越发重要。合适的数学模型是进行过程优化和控制的基础和前提条件,本文首先研究了发酵过程的建模,继而对过程的控制与优化进行了研究。在建模方面,研究了发酵过程的非结构模型和“黑箱”建模。针对发酵过程非结构动力学模型参数众多难以确定的问题,利用量子粒子群优化算法进行参数寻优。通过对发酵过程的分析确定适当的模型结构,利用最小二乘支持向量机对发酵数据进行学习来建立“黑箱”模型。进一步考虑数据间的差异及模型复杂度,将仿射传播聚类引入建模中,先利用聚类算法对数据进行分类,对每一类作支持向量机回归,最后对子模型的输出进行加权融合。在诺西肽发酵过程的建模仿真中,该多模型建模方法具有更好的性能,能很好描述发酵过程的变量关系。在优化控制方面,首先根据温度和pH值各自的特点,分别设计了模糊-PI、双模和基于误差平面的分区域控制。最后,在前面所建立的“黑箱”模型基础上对过程进行仿真优化,通过量子粒子群算法寻优发酵过程中的操作条件,实现了提高产物浓度的目标。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-14
  1.1 课题研究的背景和意义  9-11
    1.1.1 微生物发酵工程概述  9-10
    1.1.2 本课题研究的意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-12
  1.3 本文的主要研究内容  12-14
第二章发酵过程中的微生物与生物反应器  14-23
  2.1 微生物的生长与代谢  14-16
    2.1.1 微生物的生长  14-15
    2.1.2 代谢产物的合成  15-16
  2.2 生物反应器中的参数  16-18
    2.2.1 参数分类  17
    2.2.2 参数的检测  17-18
  2.3 反应器中的主要环境变量  18-21
    2.3.1 温度  18-19
    2.3.2 酸碱度pH  19-20
    2.3.3 溶解氧DO  20
    2.3.4 基质浓度  20-21
  2.4 本章小结  21-23
第三章发酵过程的建模  23-42
  3.1 基于QPSO算法参数优化的非结构动力学模型  24-29
    3.1.1 QPSO优化算法  24-26
    3.1.2 QPSO算法确定发酵动力学模型参数  26-29
  3.2 其于支持向量机的的发酵过程建模  29-35
    3.2.1 LS-SVM建模原理  30-33
    3.2.2 模型结构及数据预处理  33-34
    3.2.3 建模仿真  34-35
  3.3 基于AP聚类算法的多SVM模型建模  35-41
    2.3.1 AP聚类算法  35-38
    3.3.2 基于AP聚类的多LS-SVM模型结构  38-40
    3.3.3 建模仿真  40-41
  3.4 本章小结  41-42
第四章发酵过程的控制与优化  42-50
  4.1 发酵过程温度与pH的控制  42-47
    4.1.1 发酵过程温度的Fuzzy-PI双模控制  42-45
    4.1.2 发酵过程pH的智能分区控制  45-47
  4.2 基于发酵过程模型的优化操作  47-49
  4.3 本章小结  49-50
第五章总结与展望  50-52
参考文献  52-55
致谢  55-56
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  56

微生物发酵过程的建模与优化控制研究

内容摘要

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