[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

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。

主权项

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+…bnbZ‑nb+1其中，z‑1为延迟算子，y(t)为系统输出，u(t‑1)为系统输入及扰动组成的向量，nb为模型阶次，bi，i＝1，2，...，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；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，因此，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；因为在连续灭菌控制过程中，包括有一个控制量和三个扰动量，故所获得的动态矩阵包括四部分：G,D1,D2,D3分别对应控制量即喷射器蒸汽管路上的阀门开度和三个扰动，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，以G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，...，N，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，di为第i个扰动量按时间顺序构成的列向量，Di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+1)，fu(t+2)，...，fu(t+N)]T，fi为扰动di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，fi＝[fi(t+1)，fi(t+2)，...，fi(t+N)]T；其中：其中N为预测步长，Δu(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fi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其中确定目标函数J为：其中m为控制步长，λ为平衡预测误差和控制耗能权重的系数，Δu(t+j‑1)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)＝αw(t+j‑1)+(1‑α)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，α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＝(GTG+λI)‑1GT(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。