[发明专利]一种基于数据建模的蒸汽喷射器灭菌动态矩阵控制方法

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

为了达到上述发明目的，本发明采取的技术方案是：

一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：

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：

y(t)＝B(z)u(t-1)

B(z)＝b₁+b₂z^-1+…b_nbz^-nb+1

其中，y(t)为系统输出，u(t-1)为系统输入及扰动组成的向量，nb为为模型阶次，b_i(i＝1,2,…nb)为四行一列待辨识参数矩阵，z^-1为延迟算子，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；

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：

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：

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；