[发明专利]一种基于特征模型的连续灭菌反复学习自适应控制器

说明书

一种基于特征模型的连续灭菌反复学习自适应控制器，包括特征模型辨识模块、全系数控制律模块、反复学习前馈模块、总控制量计算模块；特征模型辨识模块获取当前蒸汽喷射器的出口培养基温度、蒸汽阀门开度得到辨识参数，全系数控制律模块接收辨识参数、培养基温度与参考温度的误差得到反馈控制量；反复学习前馈模块构建更新前馈查找表；总控制量计算模块根据反馈控制量、前馈控制量得到当前蒸汽阀门开度。本发明系统通过反复学习不断优化前馈查找表，消除了物料入口温度和物料流量等可测快变量的扰动，降低了连续灭菌过程中物料入口温度、流量等的可测量的影响，同时具有鲁棒性强、实现简单的优点。

技术领域

本发明涉及生物制药生产过程中连续灭菌自动控制系统的控制器，属于生物控制技术领域，特别是一种基于特征模型的连续灭菌反复学习自适应控制器。

背景技术

生物制药生产过程连续灭菌自动控制系统是用于生物发酵工程的连续灭菌(简称连消，下同)设备，可以自动实现培养基的加热升温、保温和冷却降温，在短时间内达到杀死无用杂菌的目的。目前，自动连续灭菌工艺已经成为生物发酵企业急需采用的新技术之一，也是灭菌技术的主要发展趋势。连消过程主要采用蒸汽喷射器对培养基(简称物料，下同)进行加热来实现灭菌的目的，以蒸汽喷射器出口温度的控制精度作为主要技术指标，其具体控制过程存在如下难点：蒸汽喷射器的加热过程是一个较为复杂的物理过程，主要受到蒸汽压力、温度、流量和物料入口温度、流量的影响，难以用明确的数学模型进行描述；根据工艺要求连消过程又分为若干个阶段，在不同阶段系统工况差异较大，导致在各个阶段被控对象呈现出完全不同的状态并具有不同的控制指标和控制要求；系统受到各种外部扰动，且对扰动较为敏感，如蒸汽压力的随机变化和温度的波动，管路中的物料温度存在二次换热变化较大，物料罐的频繁切换导致物料流量变化较大，这些扰动都会对出口温度产生较大的影响；在工作过程中物料的特性不断变化，如不同阶段流过的物料不同，不同工艺加工的物料也不同，导致物料的比热、密度都不断变化，且蒸汽存在过热状态，此时蒸汽的比热也是变化的，而这些量都难以测量。综上所述，蒸汽喷射器的温度控制是一个受到外部各种扰动、并具有时变非线性特点的控制系统，其精确的温度控制是一个具有极大挑战性的问题。

目前工业控制中常用的PID控制器或者基于模糊逻辑的控制器普遍存在难以根据生产状况自适应调节的特点，在控制参数或模糊逻辑一旦确定后不能根据当前的扰动状态自动调节，导致喷射器出口培养基温度在各种快变扰动下难以实现高精度的温度保持等问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种利用在线历史数据构建前馈查找表形成前馈补偿环节，并进行不断优化来克服外部可测扰动，利用基于特征模型的全系数自适应控制作为反馈环节以达到对不同应用环境具有较强自适应性的自动控制系统。

本发明的技术解决方案是：一种基于特征模型的连续灭菌反复学习自适应控制器，包括特征模型辨识模块、全系数控制律模块、反复学习前馈模块、总控制量计算模块，其中

特征模型辨识模块，获取当前蒸汽喷射器出口的培养基温度Tk+1、蒸汽阀门开度uk，进而得到辨识参数并送至全系数控制律模块，其中，k表示第k个控制周期；所述的辨识参数为