一種基于特征模型的連續(xù)滅菌自適應雙重控制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種應用于生物制藥生產(chǎn)過程連續(xù)滅菌自動控制系統(tǒng)的控制器，屬于 生物控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是指一種基于特征模型的連續(xù)滅菌自適應雙重控制器。
【背景技術(shù)】
[0002] 生物制藥生產(chǎn)過程連續(xù)滅菌自動控制系統(tǒng)是用于生物發(fā)酵工程的連續(xù)滅菌（簡 稱連消，下同）設(shè)備，可以在不同的裝置里自動實現(xiàn)培養(yǎng)基的加熱升溫、保溫和冷卻降溫， 在短時間內(nèi)達到殺死無用雜菌的目的。目前，自動連續(xù)滅菌工藝已經(jīng)成為生物發(fā)酵企業(yè)急 需采用的新技術(shù)之一，也是滅菌技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。連消過程主要采用蒸汽噴射器對培 養(yǎng)基（簡稱物料，下同）進行加熱來實現(xiàn)滅菌的目的，蒸汽噴射器出口物料溫度（簡稱為 噴射器出口溫度）的控制精度作為主要技術(shù)指標，其具體控制過程存在如下難點：蒸汽噴 射器的加熱過程是一個較為復雜的物理過程，主要受到蒸汽壓力、溫度、流量和物料入口溫 度、流量的影響，難以用明確的數(shù)學模型進行描述；根據(jù)工藝要求連消過程又分為若干個階 段，在不同階段系統(tǒng)工況差異較大，導致在各個階段被控對象呈現(xiàn)出完全不同的狀態(tài)并具 有不同的控制指標和控制要求；系統(tǒng)受到各種外部擾動，且對擾動較為敏感，如蒸汽壓力的 隨機變化和溫度的波動，管路中的物料溫度存在二次換熱變化較大，物料罐的頻繁切換導 致物料流量變化較大，這些擾動都會對出口溫度產(chǎn)生較大的影響；在工作過程中物料的特 性不斷變化，如不同階段流過的物料不同，不同工藝加工的物料也不同，導致物料的比熱、 密度都不斷變化，且蒸汽存在過熱狀態(tài)，此時蒸汽的比熱也是變化的，而這些量都難以測 量。綜上所述，蒸汽噴射器的溫度控制是一個受到外部各種擾動、并具有時變非線性特點的 控制系統(tǒng)，其精確的溫度控制是一個具有極大挑戰(zhàn)性的問題。
[0003] 基于特征模型的全系數(shù)自適應控制方法是吳宏鑫院士提出的，經(jīng)過20多年的研 宄，在理論和應用上均取得了重要進展，形成了一套實用性很強的自適應控制理論和方法。 該方法具有辨識參數(shù)少，魯棒性和自適應性強，易于工程應用的特點。迄今為止已成功應用 于10大類400多個系統(tǒng)?；谔卣髂Ｐ偷娜禂?shù)自適應控制的基本思想是，首先根據(jù)被控 對象的機理或動力學特征，結(jié)合環(huán)境特征和控制性能要求建立反映系統(tǒng)主要輸入輸出關(guān)系 和控制目標的較為簡單的特征模型，一般為二階時變差分方程形式，并以此為辨識模型進 行在線辨識，與全系數(shù)自適應控制律構(gòu)成一套完整的控制系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種應用于生物制藥生產(chǎn)過程連續(xù)滅菌自動控制系統(tǒng)的自 適應雙重控制器，其主要控制對象是蒸汽噴射器的出口溫度，通過控制蒸汽和培養(yǎng)基（或 物料）的流量，綜合連消過程的各種信息以實現(xiàn)蒸汽噴射器出口溫度的精確控制。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)目標是：通過合理規(guī)劃使得在整個連消過程中既保證最大生產(chǎn)效率 (即物料流量盡可能大），又能使得蒸汽噴射器出口溫度實現(xiàn)精確控制。具體技術(shù)解決方案 是：以控制蒸汽噴射器蒸汽入口流量和物料入口流量的蒸汽閥門開度和物料閥門開度作為 控制量，以蒸汽噴射器出口溫度作為被控制量。整個系統(tǒng)為以蒸汽和物料流量控制為內(nèi)環(huán)、 以蒸汽噴射器出口溫度控制為外環(huán)的內(nèi)外環(huán)控制結(jié)構(gòu)，并輔以雙重控制分配策略以實現(xiàn)連 消過程物料罐的無縫切換；采用雙重控制分配策略以實現(xiàn)溫度偏差的快速減小和生產(chǎn)效率 的最大化；利用基于特征模型的自適應控制方法以實現(xiàn)對過程慢變參數(shù)的自適應和魯棒控 制。
[0006] 本發(fā)明可應用于以蒸汽噴射器對各種培養(yǎng)基進行加熱滅菌的生物制藥連續(xù)滅菌 自動控制系統(tǒng)。
[0007] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0008] (1)能夠消除連續(xù)滅菌過程中影響較大的可測量（如蒸汽噴射器物料入口溫度和 流量）的影響。以特征模型為主要工具，重新組織了系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系，把經(jīng)過蒸汽噴射 器加熱后物料的溫度變化梯度作為狀態(tài)變量，把蒸汽和物料流量組合為一種統(tǒng)一的控制輸 入，并在不同階段分別以物料流量和蒸汽流量作為一種主次控制量，消除了物料入口溫度 和物料流量等可測快變量的擾動。
[0009] (2)能夠消除蒸汽和物料的變化較慢的物理參數(shù)的影響。通過用特征模型對系統(tǒng) 進行重新描述，把變化較慢的物理參數(shù)（如比熱、密度等）壓縮到特征參量中，并利用在線 辨識和全系數(shù)自適應控制方法，克服了慢變參數(shù)的影響。
[0010] (3)采用雙重控制的策略，快速消除溫度偏差，并使得生產(chǎn)效率最大化。充分利用 物料流量對溫度偏差影響大而蒸汽流量影響小的特點，在蒸汽噴射器出口溫度偏差較大時 以物料流量為主控制量消除大偏差，實現(xiàn)溫度偏差的快速消除，在達到穩(wěn)態(tài)時以蒸汽流量 為主控制量消除小偏差，保證生產(chǎn)效率最大化。
[0011] (4)通過采用蒸汽和物料流量在不同條件下的分配策略，減小物料切換引起的擾 動。
[0012] (5)基于特征模型的自適應控制系統(tǒng)具有魯棒性強和實現(xiàn)簡單等優(yōu)勢，所設(shè)計的 控制器計算量小，可調(diào)參數(shù)少，適于工程應用。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明提供的基于特征模型的連續(xù)滅菌自適應雙重控制器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014] 圖中：
[0015] T表示蒸汽噴射器物料出口溫度；
[0016] Twin表示蒸汽噴射器物料入口溫度；
[0017] Tr表示蒸汽噴射器出口目標（或參考）溫度；
[0018] T-Twin為物料溫度變化梯度；
[0019] e表示蒸汽噴射器出口溫度與參考溫度的偏差（e = Τ-?；);
[0020] <表示分配后的蒸汽流量，作為內(nèi)環(huán)蒸汽閥門控制器的參考輸入；
[0021] <表示分配后的物料流量，作為內(nèi)環(huán)物料閥門控制器的參考輸入；
[0022] u為外環(huán)控制器輸出控制量；
[0023] /(<，<)為蒸汽流量與物料流量的一種組合函數(shù)，滿足W = /(?!,<);
[0024] Ua表示蒸汽閥門開度；
[0025] Uw表示物料閥門開度；
[0026] ./;，./2，會表示辨識參數(shù)；
[0027] SPW，SPa分別表示物料流量和蒸汽流量最大值。
【具體實施方式】
[0028] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
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