專利名稱：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的生物發(fā)酵自適應(yīng)控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物發(fā)酵過(guò)程的控制領(lǐng)域，具體而言涉及一種生物發(fā)酵過(guò)程中基于神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的無(wú)模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)及控制方法。
背景技術(shù)：
生物發(fā)酵在食品、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域起著越來(lái)越重要的影響，生物發(fā)酵過(guò)程是利用 某一特定的微生物在純種培養(yǎng)條件下進(jìn)行的反應(yīng)過(guò)程，涉及到微生物的生長(zhǎng)，受操作條件 和環(huán)境等諸多因素影響，微生物的生長(zhǎng)代謝依賴于多個(gè)過(guò)程變量，不同的過(guò)程變量對(duì)微生 物的生長(zhǎng)及產(chǎn)物的形成影響不同。為實(shí)現(xiàn)微生物生長(zhǎng)的最優(yōu)軌跡，保證發(fā)酵產(chǎn)物品質(zhì)，提高 產(chǎn)物得率，降低經(jīng)濟(jì)損失和能源消耗，研究滿足工業(yè)發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化控制技術(shù)具有重要意 義。
生物發(fā)酵系統(tǒng)是一類具有時(shí)變性、不確定性和強(qiáng)耦合性的多輸入多輸出非線性系 統(tǒng)，傳統(tǒng)的非線性控制方法難以實(shí)現(xiàn)過(guò)程變量的優(yōu)化控制。針對(duì)多輸入多輸出的非線性系 統(tǒng)，一般先采用某種規(guī)則將系統(tǒng)線性化成多個(gè)線性子系統(tǒng)，然后對(duì)各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)線性閉環(huán) 控制器實(shí)現(xiàn)解耦控制的目的。將逆系統(tǒng)方法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法相結(jié)合的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制方 法，不依賴系統(tǒng)的精確模型，只需知道系統(tǒng)的相對(duì)階即可實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)的線性化和解耦， 在實(shí)際工程中得到許多成功應(yīng)用。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制的原理是離線訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似逆系統(tǒng)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)與原 系統(tǒng)串聯(lián)成偽線性系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的線性化解耦，再對(duì)解耦后的偽線性復(fù)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)線性 閉環(huán)控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的解耦控制。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制方法應(yīng)用于生物發(fā)酵過(guò)程控制中，雖 不依賴系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，但其解耦控制性能與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化能力、外界干擾有很大關(guān)系。 離線訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不充分或者控制過(guò)程中系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，都會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化能 力下降，從而使閉環(huán)控制性能下降。若發(fā)酵過(guò)程參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，重新訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又不能 滿足過(guò)程控制的實(shí)時(shí)性。因此，有必要尋求一種方法以提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的解耦控制性能，使 其更適合具有參數(shù)時(shí)變性和不確定性的生物發(fā)酵過(guò)程控制。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種生物發(fā)酵過(guò)程中基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的無(wú)模型自適應(yīng)控制 系統(tǒng)及其控制方法，可實(shí)現(xiàn)多變量發(fā)酵系統(tǒng)的解耦控制，并且不依賴過(guò)程的模型和參數(shù)，避 免逆動(dòng)態(tài)建模誤差對(duì)閉環(huán)穩(wěn)定性的影響，提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆對(duì)生物發(fā)酵過(guò)程的控制性能。
本發(fā)明的上述目的通過(guò)獨(dú)立權(quán)利要求的技術(shù)特征實(shí)現(xiàn)，從屬權(quán)利要求以另選或有 利的方式發(fā)展獨(dú)立權(quán)利要求的技術(shù)特征。
為達(dá)成上述目的，本發(fā)明提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的生物發(fā)酵自適應(yīng)控制方法， 生物發(fā)酵系統(tǒng)以進(jìn)料流量U1和進(jìn)料基質(zhì)濃度U2為控制輸入，以菌體濃度yi和基質(zhì)濃度y2 為輸出，包括以下步驟
利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和時(shí)分多路延時(shí)環(huán)節(jié)(TDL)構(gòu)造生物發(fā)酵系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆，以生物發(fā)酵系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻輸出及其前一時(shí)刻輸出為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量，以生物發(fā)酵系統(tǒng)的控制輸入作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出量，通過(guò)調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)生物發(fā)酵系統(tǒng)的逆系統(tǒng)功能；
將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆串聯(lián)于生物發(fā)酵系統(tǒng)之前，組成偽線性復(fù)合系統(tǒng)；
將偽線性復(fù)合系統(tǒng)線性化解耦為兩個(gè)單輸入單輸出的偽線性子系統(tǒng)；
采用無(wú)模型自適應(yīng)控制器和參數(shù)自適應(yīng)模塊分別串聯(lián)于每個(gè)偽線性子系統(tǒng)之前以進(jìn)行自適應(yīng)控制，該無(wú)模型自適應(yīng)控制器和參數(shù)自適應(yīng)模塊構(gòu)成線性閉環(huán)控制器；
給定的生物發(fā)酵系統(tǒng)的期望輸出信號(hào)，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻和前一時(shí)刻每個(gè)偽線性子系統(tǒng)的控制輸入及生物發(fā)酵系統(tǒng)的輸出，不斷更新無(wú)模型自適應(yīng)控制器的參數(shù)和下一時(shí)刻每個(gè)偽線性子系統(tǒng)的控制輸入，使生物發(fā)酵系統(tǒng)的輸出有效跟蹤前述給定的期望輸出信號(hào)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)生物發(fā)酵系統(tǒng)的無(wú)模型自適應(yīng)控制。
進(jìn)一步，前述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆由具有四輸入、雙輸出的單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及TDL環(huán)節(jié)構(gòu)成，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆具有雙輸入和雙輸出節(jié)點(diǎn)，其中
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的第一個(gè)輸入為單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)輸入yi (k+1)，該第一個(gè)輸入yi(k+l)經(jīng)過(guò)時(shí)分多路延時(shí)環(huán)節(jié)(TDL)后的變量作為單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第二個(gè)輸 A ；
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的第二個(gè)輸入為單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第三個(gè)輸入y2(k+l)，該第二個(gè)輸入y2(k+l)經(jīng)過(guò)時(shí)分多路延時(shí)環(huán)節(jié)(TDL)后的變量作為單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第四個(gè)輸 A ；
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的兩個(gè)輸出為單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出U1GO和U2 (k)。
進(jìn)一步，前述無(wú)模型自適應(yīng)控制器的輸出Vi (k)連接至每個(gè)偽線性子系統(tǒng)的控制輸入，其中Vi (k)采用如下公式計(jì)算
權(quán)利要求
1.一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的生物發(fā)酵自適應(yīng)控制方法，生物發(fā)酵系統(tǒng)以進(jìn)料流量U1和進(jìn)料基質(zhì)濃度U2為控制輸入，以菌體濃度yi和基質(zhì)濃度J2為輸出，其特征在于，包括以下步驟利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和時(shí)分多路延時(shí)環(huán)節(jié)(TDL)構(gòu)造生物發(fā)酵系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆，以生物發(fā)酵系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻輸出及其前一時(shí)刻輸出為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量，以生物發(fā)酵系統(tǒng)的控制輸入作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出量，通過(guò)調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)生物發(fā)酵系統(tǒng)的逆系統(tǒng)功能；將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆串聯(lián)于生物發(fā)酵系統(tǒng)之前，組成偽線性復(fù)合系統(tǒng)；將偽線性復(fù)合系統(tǒng)線性化解耦為兩個(gè)單輸入單輸出的偽線性子系統(tǒng)；采用無(wú)模型自適應(yīng)控制器和參數(shù)自適應(yīng)模塊分別串聯(lián)于每個(gè)偽線性子系統(tǒng)之前以進(jìn)行自適應(yīng)控制，該無(wú)模型自適應(yīng)控制器和參數(shù)自適應(yīng)模塊構(gòu)成線性閉環(huán)控制器；給定的生物發(fā)酵系統(tǒng)的期望輸出信號(hào)，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻和前一時(shí)刻每個(gè)偽線性子系統(tǒng)的控制輸入及生物發(fā)酵系統(tǒng)的輸出，不斷更新無(wú)模型自適應(yīng)控制器的參數(shù)和下一時(shí)刻每個(gè)偽線性子系統(tǒng)的控制輸入，使生物發(fā)酵系統(tǒng)的輸出有效跟蹤前述給定的期望輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物發(fā)酵系統(tǒng)的無(wú)模型自適應(yīng)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的生物發(fā)酵自適應(yīng)控制方法，其特征在于， 前述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆由具有四輸入、雙輸出的單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及TDL環(huán)節(jié)構(gòu)成，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆具有雙輸入和雙輸出節(jié)點(diǎn)，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的第一個(gè)輸入為單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)輸入yi (k+1)，該第一個(gè)輸入 yi(k+l)經(jīng)過(guò)時(shí)分多路延時(shí)環(huán)節(jié)(TDL)后的變量作為單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第二個(gè)輸入；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的第二個(gè)輸入為單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第三個(gè)輸入I2 (k+1)，該第二個(gè)輸入 Y2(k+1)經(jīng)過(guò)時(shí)分多路延時(shí)環(huán)節(jié)(TDL)后的變量作為單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第四個(gè)輸入；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的兩個(gè)輸出為單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出U1GO和U2(k)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的生物發(fā)酵自適應(yīng)控制方法，其特征在于， 前述無(wú)模型自適應(yīng)控制器的輸出Vi (k)連接至每個(gè)偽線性子系統(tǒng)的控制輸入，其中Vi (k)采用如下公式計(jì)算
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的生物發(fā)酵自適應(yīng)控制方法，其特征在于，無(wú)模型自適應(yīng)控制器的參數(shù)Φ ΟΟ的估計(jì)值^(幻按照以下自適應(yīng)律進(jìn)行調(diào)整
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的生物發(fā)酵自適應(yīng)控制方法，其特征在于， 前述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)的確定方法為根據(jù)生物發(fā)酵系統(tǒng)的控制輸入和輸出，確定生物發(fā)酵系統(tǒng)逆系統(tǒng)輸
6.一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的生物發(fā)酵自適應(yīng)控制系統(tǒng)，該生物發(fā)酵系統(tǒng)以進(jìn)料流量七和進(jìn)料基質(zhì)濃度U2為控制輸入，以菌體濃度yi和基質(zhì)濃度y2為輸出，其特征在于一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與兩個(gè)時(shí)分多路延時(shí)環(huán)節(jié)(TDL)構(gòu)成生物發(fā)酵系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆并與生物發(fā)酵系統(tǒng)串聯(lián)組成偽線性復(fù)合系統(tǒng)；前述偽線性復(fù)合系統(tǒng)線性解耦形成兩個(gè)單輸入單輸出的偽線性子系統(tǒng)，并在每個(gè)偽線性子系統(tǒng)之前串聯(lián)線性閉環(huán)控制器，該線性閉環(huán)控制器包括無(wú)模型自適應(yīng)控制器和參數(shù)自適應(yīng)模塊，通過(guò)不斷更新無(wú)模型自適應(yīng)控制器的參數(shù)和每個(gè)偽線性子系統(tǒng)的控制輸入實(shí)現(xiàn)對(duì)偽線性子系統(tǒng)實(shí)施自適應(yīng)控制；前述線性閉環(huán)控制器與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆共同構(gòu)成生物發(fā)酵系統(tǒng)的無(wú)模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)， 對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行無(wú)模型自適應(yīng)控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的生物發(fā)酵自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于， 前述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆由具有四輸入、雙輸出的單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及時(shí)分多路延時(shí)環(huán)節(jié)(TDL) 構(gòu)成，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆具有雙輸入和雙輸出節(jié)點(diǎn)，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的第一個(gè)輸入為單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)輸入yi (k+1)，該第一個(gè)輸入 Y1 (k+Ι)經(jīng)過(guò)時(shí)分多路延時(shí)環(huán)節(jié)(TDL)后的變量作為單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第二個(gè)輸入； 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的第二個(gè)輸入為單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第三個(gè)輸入I2 (k+Ι)，該第二個(gè)輸入 Y2(k+Ι)經(jīng)過(guò)時(shí)分多路延時(shí)環(huán)節(jié)(TDL)后的變量作為單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第四個(gè)輸入； 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的兩個(gè)輸出即為單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出U1GO和U2 (k)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的生物發(fā)酵自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于， 前述無(wú)模型自適應(yīng)控制器的輸出vi (k)連接至每個(gè)偽線性子系統(tǒng)的控制輸入，其中vi (k) 采用如下公式計(jì)算
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的生物發(fā)酵系統(tǒng)的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的無(wú)模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，無(wú)模型自適應(yīng)控制器的參數(shù)Φ ΟΟ的估計(jì)值&幻按照以下自適應(yīng)律進(jìn)行調(diào)
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的生物發(fā)酵自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于， 前述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)的確定方法為根據(jù)生物發(fā)酵系統(tǒng)的控制輸入和輸出，確定生物發(fā)酵系統(tǒng)逆系統(tǒng)輸入輸出方程為
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的生物發(fā)酵自適應(yīng)控制系統(tǒng)和控制方法，該控制方法包括以下步驟利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和時(shí)分多路延時(shí)環(huán)節(jié)構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆，通過(guò)調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)生物發(fā)酵系統(tǒng)的逆系統(tǒng)功能；將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆與生物發(fā)酵系統(tǒng)串聯(lián)組成偽線性復(fù)合系統(tǒng)；將偽線性復(fù)合系統(tǒng)線性化解耦為兩個(gè)單輸入單輸出的偽線性子系統(tǒng)；給定期望信號(hào)，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻和前一時(shí)刻每個(gè)偽線性子系統(tǒng)的控制輸入及生物發(fā)酵系統(tǒng)的輸出，不斷更新無(wú)模型自適應(yīng)控制器的參數(shù)和下一時(shí)刻每個(gè)偽線性子系統(tǒng)的控制輸入，使生物發(fā)酵系統(tǒng)的輸出有效跟蹤前述給定的期望輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物發(fā)酵系統(tǒng)的無(wú)模型自適應(yīng)控制，提高生物發(fā)酵過(guò)程的控制性能。
文檔編號(hào)G05B13/04GK103064292SQ20131001467
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月15日
發(fā)明者劉國(guó)海, 于霜, 丁煜函, 梅從立 申請(qǐng)人:鎮(zhèn)江市江大科技有限責(zé)任公司, 江蘇大學(xué)