CN104698852A - 一种基于特征模型的连续灭菌自适应双重控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于特征模型的连续灭菌自适应双重控制器，属于生物控制技术领域。所述控制器以控制蒸汽喷射器蒸汽入口流量和物料入口流量的蒸汽阀门和物料阀门作为控制量，以喷射器出口物料温度作为被控制量。利用基于特征模型的自适应控制方法并采用双重控制分配策略合理规划蒸汽流量和物料流量的分配关系，使得在整个连消过程中既保证最大生产效率(即物料流量尽可能大)又能使得喷射器出口温度实现精确控制。该控制器有效考虑了各种可测快变扰动和不可测慢变参数的影响，计算量小，可调参数少，适于工程应用。可广泛应用于以蒸汽喷射器对各种培养基进行加热灭菌的生物制药连续灭菌自动控制系统。

Description

一种基于特征模型的连续灭菌自适应双重控制器

技术领域

本发明涉及一种应用于生物制药生产过程连续灭菌自动控制系统的控制器，属于生物控制技术领域，具体地说，是指一种基于特征模型的连续灭菌自适应双重控制器。

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，可以在不同的装置里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，蒸汽喷射器出口物料温度(简称为喷射器出口温度)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。

基于特征模型的全系数自适应控制方法是吴宏鑫院士提出的，经过20多年的研究，在理论和应用上均取得了重要进展，形成了一套实用性很强的自适应控制理论和方法。该方法具有辨识参数少，鲁棒性和自适应性强，易于工程应用的特点。迄今为止已成功应用于10大类400多个系统。基于特征模型的全系数自适应控制的基本思想是，首先根据被控对象的机理或动力学特征，结合环境特征和控制性能要求建立反映系统主要输入输出关系和控制目标的较为简单的特征模型，一般为二阶时变差分方程形式，并以此为辨识模型进行在线辨识，与全系数自适应控制律构成一套完整的控制系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于生物制药生产过程连续灭菌自动控制系统的自适应双重控制器，其主要控制对象是蒸汽喷射器的出口温度，通过控制蒸汽和培养基(或物料)的流量，综合连消过程的各种信息以实现蒸汽喷射器出口温度的精确控制。

本发明的技术目标是：通过合理规划使得在整个连消过程中既保证最大生产效率(即物料流量尽可能大)，又能使得蒸汽喷射器出口温度实现精确控制。具体技术解决方案是：以控制蒸汽喷射器蒸汽入口流量和物料入口流量的蒸汽阀门开度和物料阀门开度作为控制量，以蒸汽喷射器出口温度作为被控制量。整个系统为以蒸汽和物料流量控制为内环、以蒸汽喷射器出口温度控制为外环的内外环控制结构，并辅以双重控制分配策略以实现连消过程物料罐的无缝切换；采用双重控制分配策略以实现温度偏差的快速减小和生产效率的最大化；利用基于特征模型的自适应控制方法以实现对过程慢变参数的自适应和鲁棒控制。

本发明可应用于以蒸汽喷射器对各种培养基进行加热灭菌的生物制药连续灭菌自动控制系统。

本发明的优点在于：

(1)能够消除连续灭菌过程中影响较大的可测量(如蒸汽喷射器物料入口温度和流量)的影响。以特征模型为主要工具，重新组织了系统的输入输出关系，把经过蒸汽喷射器加热后物料的温度变化梯度作为状态变量，把蒸汽和物料流量组合为一种统一的控制输入，并在不同阶段分别以物料流量和蒸汽流量作为一种主次控制量，消除了物料入口温度和物料流量等可测快变量的扰动。

(2)能够消除蒸汽和物料的变化较慢的物理参数的影响。通过用特征模型对系统进行重新描述，把变化较慢的物理参数(如比热、密度等)压缩到特征参量中，并利用在线辨识和全系数自适应控制方法，克服了慢变参数的影响。

(3)采用双重控制的策略，快速消除温度偏差，并使得生产效率最大化。充分利用物料流量对温度偏差影响大而蒸汽流量影响小的特点，在蒸汽喷射器出口温度偏差较大时以物料流量为主控制量消除大偏差，实现温度偏差的快速消除，在达到稳态时以蒸汽流量为主控制量消除小偏差，保证生产效率最大化。

(4)通过采用蒸汽和物料流量在不同条件下的分配策略，减小物料切换引起的扰动。

(5)基于特征模型的自适应控制系统具有鲁棒性强和实现简单等优势，所设计的控制器计算量小，可调参数少，适于工程应用。

附图说明

图1为本发明提供的基于特征模型的连续灭菌自适应双重控制器结构示意图。

图中：

T表示蒸汽喷射器物料出口温度；

T_win表示蒸汽喷射器物料入口温度；

T_r表示蒸汽喷射器出口目标(或参考)温度；

T-T_win为物料温度变化梯度；

e表示蒸汽喷射器出口温度与参考温度的偏差(e＝T-T_r)；

表示分配后的蒸汽流量，作为内环蒸汽阀门控制器的参考输入；

表示分配后的物料流量，作为内环物料阀门控制器的参考输入；

u为外环控制器输出控制量；

为蒸汽流量与物料流量的一种组合函数，满足

u_a表示蒸汽阀门开度；

u_w表示物料阀门开度；

表示辨识参数；

SP_w，SP_a分别表示物料流量和蒸汽流量最大值。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种基于特征模型的连续灭菌自适应双重控制器，如图1所示，所示的控制器包括蒸汽阀门控制器、物料阀门控制器、特征模型辨识模块和全系数控制律模块。

(1)全系数控制律模块；

基于特征建模思想，提取可测的主要变量作为状态变量，把其他不可测的量或慢变的物理参数压缩为待辨识模型参数，构建一个时变的二阶差分方程作为特征模型。对本连消系统来说，以蒸汽喷射器输入输出的物料温度变化梯度(可表示为y＝T-T_win)作为状态变量，以蒸汽阀门控制器和物料阀门控制器的入口流量的一种组合函数作为控制量构建如下特征模型来描述喷射器的基本加热过程。

y_k+2＝f_1,ky_k+1+f_2,ky_k+g_ku_k+1         (1)

实际喷射器出口温度T_k可写为，

T_k＝y_k+T_win,k           (2)

其中，y_k表示第k个控制周期的物料温度变化梯度，T_win,k表示蒸汽喷射器的物料入口温度， $u_{k+1}=f(u_{a,k+1}^r,u_{w,k+1}^r),$ $f(u_{a,k+1}^r,u_{w,k+1}^r)$ 为根据系统特性设定的组合函数(一般可取 $\frac{u_{a,k+1}^r}{u_{w,k+1}^r}$ )，f_1,k,f_2,k,g_k表示时变的特征参量，k表示第k个控制周期，k≥1。

利用(1)作为特征模型辨识模块中的辨识模型进行实时辨识，从特征模型辨识模块得到的辨识参数输入给全系数控制律模块，所述的全系数控制律模块中具体的控制律包含如下四个部分：

黄金分割控制律: $u_{g,k+1}=-\frac{1}{{\hat{g}}_k+{\mathrm{\λ}}_1}(l_1{\hat{f}}_{1,k}(y_{k+1}-y_{r,k+1})+l_2{\hat{f}}_{2,k}(y_k-y_{r,k}))$

其中，l₁＝0.382，l₂＝0.618，λ₁为调节参量，y_k为式(1)的第k个控制周期的物料温度变化梯度，y_k＝T_k-T_win,k，y_r,k为第k个控制周期的参考温度，y_r,k＝T_r,k-T_win,k，为从特征模型辨识模块得到的辨识参数。

逻辑积分控制律：u_i,k+1＝u_k+ke_k+1

$k=\left\{\begin{array}{cc}{k}_1& e_k(e_k-e_{k-1})\≤\mathrm{\Δ}\\ k_2& e_k(e_k-e_{k-1})>\mathrm{\Δ}\end{array}\right.$

其中，k₂＞k₁＞0，Δ为一小正数，e_k＝y_k-y_r,k u_k为第k个控制周期的控制量。

逻辑微分控制律： $u_{d,k+1}=c_d\sqrt{\underset{n=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\left|e_{k-n}\right|}(e_{k+1}-e_k)$

其中，c_d为可调参数，e_k＝y_k-y_r,k,l为存储的历史数据个数。

维持跟踪控制律： $u_{0,k+1}=-\frac{1}{{\hat{g}}_k+{\mathrm{\λ}}_2}(y_{r,k+1}-{\hat{f}}_{1,k}{y}_{r,k}-{\hat{f}}_{2,k}{y}_{r,k-1})$

其中，λ₂为调节参数，其他同黄金分割控制律。

总的控制量为：

u_k+1＝u_g,k+1+u_i,k+1+u_d,k+1+u_0,k+1。

(2)特征模型辨识模块；

采用式(1)作为辨识模型，利用投影梯度法进行在线辨识，得到的辨识参数作为全系数控制律模块的输入参数。其中投影梯度法自适应律可写为

$\left\{\begin{array}{c}{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{n,k+1}={\widehat{\mathrm{\θ}}}_k+\frac{\mathrm{\α}{\mathrm{\φ}}_k(y_{k+2}-{\mathrm{\φ}}_k^T{\widehat{\mathrm{\θ}}}_k)}{1+{\mathrm{\φ}}_k^T{\mathrm{\φ}}_k}\\ {\widehat{\mathrm{\θ}}}_{k+1}=\mathrm{\π}\left[{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{n,k+1}\right]\end{array}\right.$

其中，φ_k＝[y_k+1 y_k u_k+1]^T，表示投影算子，α为自适应律增益(0＜α＜2)。

所述的特征模型辨识模块输出的辨识参数作为全系数控制律模块的输入，共同构成基于特征模型的全系数自适应控制律，并且在本发明中作为外环控制器。

(3)流量分配模块；

由于物料流量的改变相比蒸汽流量而言对蒸汽喷射器出口温度影响较大，并且按照生产效率最大的原则要求物料流量在蒸汽喷射器的最大加热能力下尽可能大，即要求在稳态过程中物料要保持最大流量。因此，本发明采用双重控制分配策略，在出口温度偏离设定值较大，即大于某个设定阈值(设为ST_w，该值根据实际系统来设置)时采用物料流量作为主控制量进行控制，如在连消的初始阶段以物料流量作为主控制量可以使得蒸汽喷射器出口偏差迅速减小；当物料流量达到预定值(SP_w)且温度偏差小于设定阈值时，采用蒸汽流量作为主控制量进行控制以消除外部其他扰动对蒸汽喷射器出口温度的影响。外环控制律的控制量是蒸汽阀门控制器入口流量和物料阀门控制器入口流量的一种组合函数，，即而实际蒸汽阀门控制器和物料阀门控制器的控制输入分别是蒸汽流量和物料流量，因此必须按照一定原则进行分配。双重控制策略采用如下分配方式：

(a)在初始阶段

令蒸汽流量处于最大输出状态(SP_a)或者跟踪一个预定曲线，以物料流量作为主控制量，则需要的根据蒸汽喷射器的最大加热能力，当蒸汽流量达到最大输出状态(SP_a)时，物料流量也达到其预定的SP_w。

(b)在正常生产状态

以蒸汽流量作为主控制量，则需要的蒸汽流量为

(c)在物料切换过程

令物料流量跟踪一个预定曲线(根据物料罐液位设定)，以蒸汽流量作为主控制量，则需要的蒸汽流量为

(d)在温度偏差较大时(T-T_win＞ST_w)

令蒸汽流量处于最大输出状态(SP_a)，以物料流量作为主控制量，则需要的当温度稳定后(T-T_win≤ST_w)，再把主控制量切换为蒸汽流量

(4)蒸汽阀门控制器；

根据外环全系数自适应控制律和流量分配策略可以得到在不同情况下的蒸汽流量以此作为流量控制的蒸汽流量参考值，通过调节蒸汽阀门开度u_a实现对蒸汽参考流量的跟踪控制，所述的蒸汽阀门控制器主要采用PID控制器。

(5)物料阀门控制器；

根据外环全系数自适应控制律和流量分配策略可以得到在不同情况下的物料流量以此作为流量控制的物料流量参考值，通过调节物料阀门开度u_w实现对物料参考流量的跟踪控制，所述的物料阀门控制器主要采用PID控制器。

所述的蒸汽阀门控制器、物料阀门控制器和流量分配模块综合起来作为内环控制器。

Claims (4)

1.一种基于特征模型的连续灭菌自适应双重控制器，其特征在于：所述的控制器包括蒸汽阀门控制器、物料阀门控制器、特征模型辨识模块和全系数控制律模块，对蒸汽喷射器的出口温度进行控制；

(1)全系数控制律模块；

以蒸汽喷射器输入输出的物料温度变化梯度作为状态变量，以蒸汽阀门控制器和物料阀门控制器的入口流量的一种组合函数作为控制量构建如下特征模型来描述喷射器的加热过程：

y_k+2＝f_1,ky_k+1+f_2,ky_k+g_ku_k+1     (1)

实际喷射器出口温度T_k写为

T_k＝y_k+T_win,k     (2)

其中，y_k表示第k个控制周期的物料温度变化梯度，T_win,k表示蒸汽喷射器的物料入口温度，为根据系统特性设定的组合函数，f_1,k,f_2,k,g_k表示时变的特征参量，k表示第k个控制周期，k≥1；

所述的全系数控制律模块中具体的控制律包含如下四个部分：

黄金分割控制律: $u_{g,k+1}=-\frac{1}{{\hat{g}}_k+{\mathrm{\λ}}_1}(l_1{\hat{f}}_{1.k}(y_{k+1}-y_{r,k+1})+l_2{\hat{f}}_{2,k}(y_k-y_{r,k}))$

其中，l₁＝0.382，l₂＝0.618，λ₁为调节参量，y_k为式(1)的第k个控制周期的物料温度变化梯度，y_k＝T_k-T_win,k，y_r,k为第k个控制周期的参考温度，y_r,k＝T_r,k-T_win,k，为从特征模型辨识模块得到的辨识参数；

逻辑积分控制律：u_i,k+1＝u_k+ke_k+1

$k=\left\{\begin{array}{cc}{k}_1& e_k(e_k-e_{k-1})\≤\mathrm{\Δ}\\ k_2& e_k(e_k-e_{k-1})>\mathrm{\Δ}\end{array}\right.$

其中，k₂＞k₁＞0，Δ为一小正数，e_k＝y_k-y_r，k u_k为第k个控制周期的控制量；

逻辑微分控制律： $u_{d,k+1}=c_d\sqrt{\underset{n=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\left|e_{k-n}\right|}(e_{k+1}-e_k)$

其中，c_d为可调参数，e_k＝y_k-y_r,k,l为存储的历史数据个数；

维持跟踪控制律： $u_{0,k+1}=-\frac{1}{{\hat{g}}_k+{\mathrm{\λ}}_2}(y_{r,k+1}-{\hat{f}}_{1,k}{y}_{r,k}-{\hat{f}}_{2,k}{y}_{r,k-1})$

其中，λ₂为调节参数；

全系数控制律模块总的控制量为：

u_k+1＝u_g,k+1+u_i,k+1+u_d,k+1+u_0,k+1。

(2)特征模型辨识模块；

采用式(1)作为辨识模型，利用投影梯度法进行在线辨识，得到的辨识参数作为全系数控制律模块的输入参数；

(3)流量分配模块；

根据双重控制策略采用如下分配方式：(a)在初始阶段，

令蒸汽流量处于最大输出状态或者跟踪一个预定曲线，以物料流量作为主控制量，则需要的根据蒸汽喷射器的最大加热能力，当蒸汽流量达到最大输出状态时，物料流量也达到其预定的SP_w；

(b)在正常生产状态，

以蒸汽流量作为主控制量，则需要的蒸汽流量为

(c)在物料切换过程，

令物料流量跟踪一个预定曲线，以蒸汽流量作为主控制量，则需要的蒸汽流量为所述的预定曲线根据物料罐液位设定；

(d)在温度偏差较大时，T-T_win＞ST_w

令蒸汽流量处于最大输出状态，以物料流量作为主控制量，则需要的当温度稳定后，T-T_win≤ST_w，再把主控制量切换为蒸汽流量

(4)蒸汽阀门控制器；

根据外环全系数自适应控制律和流量分配策略得到在不同情况下的蒸汽流量以此作为流量控制的蒸汽流量参考值，通过调节蒸汽阀门开度u_a实现对蒸汽参考流量的跟踪控制；

(5)物料阀门控制器；

根据外环全系数自适应控制律和流量分配策略得到在不同情况下的物料流量以此作为流量控制的物料流量参考值，通过调节物料阀门开度u_w实现对物料参考流量的跟踪控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于特征模型的连续灭菌自适应双重控制器，其特征在于：所述的组合函数 $f(u_{a,k+1}^r,u_{w,k+1}^r)=\frac{u_{a,k+1}^r}{u_{w,k+1}^r}.$

3.根据权利要求1所述的一种基于特征模型的连续灭菌自适应双重控制器，其特征在于：所述的投影梯度法采用的自适应律写为，

$\left\{\begin{array}{c}{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{n,k+1}={\widehat{\mathrm{\θ}}}_k+\frac{\mathrm{\α}{\mathrm{\φ}}_k(y_{k+2}-{\mathrm{\φ}}_k^T{\widehat{\mathrm{\θ}}}_k)}{1+{\mathrm{\φ}}_k^T{\mathrm{\φ}}_k}\\ {\widehat{\mathrm{\θ}}}_{k+1}=\mathrm{\π}\left[{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{n,k+1}\right]\end{array}\right.$

其中，φ_k＝[y_k+1 y_k u_k+1]^T，表示投影算子，α为自适应律增益，0＜α＜2。

4.根据权利要求1所述的一种基于特征模型的连续灭菌自适应双重控制器，其特征在于：所述的蒸汽阀门控制器和物料阀门控制器均采用PID控制器。