CN116300479B - 基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制方法及系统，属于生物反应器控制技术领域，包括：S1：获取T时刻下人参细胞培养对象的反应监测数据以及对应时刻下的实测参数数据；S2：判断T时刻下人参细胞培养对象是否达到细胞一般生长周期的细胞生长状态临界值；若未达到，则基于反应监测数据和实测参数数据进行控制参数分析；S3：获取控制参数分析结果，并根据其对人参皂甙生产装置的对应组件进行动态调节控制；S4：判断是否达到细胞最优生长周期的细胞生长状态临界值，若未达到，则跳转回步骤S2～步骤S3，直至调节控制人参细胞培养对象达到细胞最优生长周期的细胞生长状态临界值。
Description
技术领域
本发明涉及生物反应器控制技术领域，尤其涉及基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制方法及系统。
背景技术
人参皂苷，是人参的主要成分，其可延缓神经细胞衰老并降低老年发生的记忆损伤，具有稳定膜结构和促进蛋白质合成的作用，可以提高记忆力，因而被广泛应用于食品、保健品、医药和化工等众多领域，并且随着社会快速发展，其用量越来越大，价格成本越来越高；目前，现有的人参皂苷提取方法大多是用植物提取法从人参的根、茎、叶、须根等植物体提取所得，这种工艺所得的产品已经越来越不能满足市场的需求，并且由于野生人参资源较少，且其中皂苷含量低，使得现有人参皂苷产量无法满足现有的市场需求。
当前，随着生物技术的发展，利用细胞生物学技术生产人参皂甙能一定程度上提高其产量，且不受环境、地域、病虫害等限制影响，适于工业化生产；在利用细胞培养法生产人参皂甙过程中，生物反应器起着举足轻重的作用，生物反应器的温度、PH值和溶解氧等控制参数很大程度上影响着人参皂甙的产量和品质，因此如何对生物反应器的控制等参数进行精细化监控就成为了当下研究重点。
然而，目前在利用细胞培养法生产人参皂甙的过程中，对生物反应器的控制方式或手段主要通过PID控制实现，然而该控制方式灵活度较低；当然也存在一些对生物反应器进行自动化控制的方法，例如授权公告号为CN109991843B的中国专利公开了一种生物反应器的温度控制方法，该发明虽然利用PID算法对温度的一阶导数进行控制，解决了传统PID算法的超调和震荡对温度敏感的细胞的不利影响，但此类方法控制不够精细化，且仅能实现对温度控制，未考虑温度、PH值和溶解氧对细胞培养的联合影响，无法获取多参数下的最优控制解，同时无法使人参细胞培养达到最优生长周期，从而导致人参皂甙的生产产量和品质不高，无法满足现有人参皂苷工业化生产的要求，难以为人参皂甙的大规模生产提供可靠的手段，进而难以弥补现有市场对人参皂甙的大量需求；为此，本发明提出基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制方法及系统。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制方法及系统。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制方法，包括：
S1：数据获取：通过预设传感器获取T时刻下人参皂甙生产装置内人参细胞培养对象的反应监测数据以及对应时刻下的实测参数数据；所述实测参数数据包括第一目标参数数据、第二目标参数数据和第三目标参数数据；
S2：一次判断及数据分析：判断T时刻下所述人参皂甙生产装置内的所述人参细胞培养对象是否达到细胞一般生长周期的细胞生长状态临界值；若未达到，则基于所述反应监测数据和实测参数数据进行控制参数分析；
S3：执行控制：获取控制参数分析结果，并根据其对所述人参皂甙生产装置的对应组件进行动态调节控制，所述控制参数分析结果包括最优温度增量参数、最优PH增量参数和最优DO增量参数。
S4：二次判断：将T时刻后的时间标记为T+n时刻，判断T+n时刻下所述人参皂甙生产装置内人参细胞培养对象是否达到细胞最优生长周期的细胞生长状态临界值；若未达到，则跳转回步骤S2～步骤S3，直至调节控制人参细胞培养对象达到细胞最优生长周期的细胞生长状态临界值。
进一步地，所述控制参数分析的具体过程如下：
S21：基于所述反应监测数据和第一目标参数数据进行第一控制参数分析，根据第一控制参数分析以获取第一温度增量参数；
S22：基于所述反应监测数据、第二目标参数数据和第一温度增量参数进行第二控制参数分析，根据第二控制参数分析以获取第二PH增量参数和第三温度增量参数；
S23：基于所述反应监测数据、第三目标参数数据、第二PH增量参数和第三温度增量参数进行第三控制参数分析，根据第三控制参数分析以获取控制参数分析结果。
进一步地，所述第一控制参数分析的具体过程如下：
S211：将反应监测数据输入预搭建第一神经网络模型中，得到第一温度参数数据；
S212：计算所述第一目标参数数据与所述第一温度参数数据的第一温度偏差值，若所述第一温度偏差值大于预设温度偏差阈值，则将第一目标参数数据输入所述第一神经网络模型进行训练，得到训练后的第一神经网络模型；
S213：将所述反应监测数据输入训练后的第一神经网络模型，得到第二温度参数数据；
S214：计算所述第一目标参数数据与所述第二温度参数数据的第二温度偏差值，若所述第二温度偏差值小于或等于预设温度偏差阈值，则将所述第二温度偏差值输出为第一温度增量参数。
进一步地，若所述第一温度偏差值小于或等于预设温度偏差阈值，则将所述第一温度偏差值作为第一温度增量参数。
进一步地，所述第二控制参数分析的具体过程如下：
S221：将所述反应监测数据输入预搭建第二神经网络模型中，得到第一PH参数数据；并计算所述第二目标参数数据与所述第一PH参数数据的PH偏差值，将所述PH偏差值作为第一PH增量参数；
S222：将第一PH增量参数和第二温度增量参数输入预构建数字孪生模型中进行一次仿真模拟分析，以获取第二PH增量参数和第三温度增量参数。
进一步地，所述一次仿真模拟分析的具体过程如下：
根据第一PH增量参数对数字孪生模型进行PH值调节控制，并获取数字孪生模型中对应反应监测数据的第一数据输出值；
根据第二温度增量参数对数字孪生模型进行温度调节控制，并获取调节后数字孪生模型中对应反应监测数据的第二数据输出值；
计算第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值，并判断所述输出差值是否小于或等于预设第一差值阈值，若小于或等于，则将第一PH增量参数作为第二PH增量参数，并将第二温度增量参数作为第三温度增量参数进行输出；
若大于，则将所述第一PH增量参数设置为固定量，调节第二温度增量参数大小，并持续计算第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值，直至所述第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值小于或等于预设第一差值阈值，并输出调节后第二温度增量参数；
将第一PH增量参数和调节后第二温度增量参数作为第二PH增量参数和第三温度增量参数输出。
进一步地，所述第三控制参数分析的具体过程如下：
S231：将所述反应监测数据输入预搭建第三神经网络模型中，得到第一DO参数数据；并计算所述第三目标参数数据与所述第一DO参数数据的DO偏差值，将所述DO偏差值作为第一DO增量参数；
S232：将第一DO增量参数、第二PH增量参数和第三温度增量参数输入预构建数字孪生模型中进行二次仿真模拟分析，以获取控制参数分析结果。
进一步地，所述二次仿真模拟分析的具体过程如下：
根据第二PH增量参数和第三温度增量参数对数字孪生模型进行PH值和温度调节控制，并获取数字孪生模型中对应反应监测数据的第三数据输出值；
根据第一DO增量参数对数字孪生模型进行DO调节控制，并获取调节后数字孪生模型中对应反应监测数据的第四数据输出值；
计算第三数据输出值与第四数据输出值的输出差值，并判断所述输出差值是否小于或等于预设第二差值阈值，若小于或等于，则将第一DO增量参数、第二PH增量参数和第三温度增量参数作为控制参数分析结果；
若大于，则将所述第二PH增量参数和第三温度增量参数设置为固定量，调节第一DO增量参数大小，并持续计算第三数据输出值与第四数据输出值的输出差值，直至所述第三数据输出值与第四数据输出值的输出差值小于或等于预设第二差值阈值，并输出调节后第一DO增量参数；
将第二PH增量参数、第三温度增量参数以及调节后第一DO增量参数作为控制参数分析结果。
基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制系统，其基于上述任意一项所述的基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制方法实现，所述系统包括：
数据获取模块，用于通过预设传感器获取T时刻下所述人参皂甙生产装置内人参细胞培养对象的反应监测数据以及对应时刻下的实测参数数据；所述实测参数数据包括第一目标参数数据、第二目标参数数据和第三目标参数数据；
一次判断及数据分析模块，用于判断T时刻下所述人参皂甙生产装置内的所述人参细胞培养对象是否达到细胞一般生长周期的细胞生长状态临界值；若未达到，则基于所述反应监测数据和实测参数数据进行控制参数分析；
执行控制模块，用于获取控制参数分析结果，并根据其对所述人参皂甙生产装置的对应组件进行动态调节控制，所述控制参数分析结果包括最优温度增量参数、最优PH增量参数和最优DO增量参数；
二次判断模块，用于将T时刻后的时间标记为T+n时刻，判断T+n时刻下所述人参皂甙生产装置内人参细胞培养对象是否达到细胞最优生长周期的细胞生长状态临界值；若未达到，则返回一次判断及数据分析模块进行再次分析处理，直至调节控制人参细胞培养对象达到细胞最优生长周期的细胞生长状态临界值。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明公开了基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制方法及系统，其针对人参细胞培养对象的培养时刻进行阈值判断，并根据判断结果获取反应监测数据和实测参数数据，再通过神经网络模型和数字孪生模型对反应监测数据和实测参数数据进行多次控制参数分析，通过多次控制参数分析实现了对多个控制参数的联合影响判断，进而获取得到多参数下的最优控制解，从而有利于实现对人参皂甙生产装置的精细化控制，并且有利于避免人参细胞培养过早进入衰退周期，同时能够有效提高人参皂苷的生产产量和品质，从而有利于满足现有人参皂苷工业化生产的要求，能够为人参皂甙的大规模生产提供可靠的手段，进而可以弥补现有市场对人参皂甙的大量需求。
附图说明
图1为本发明提出的基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制方法的整体结构示意图；
图2为本发明提出的基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制系统的整体流程图；
图3为采用传统PID控制方法控制时的活细胞密度（VCD）示意图；
图4为采用本发明控制方法控制时实施组1的活细胞密度（VCD）示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一
请参阅图2示，本实施例公开提供了基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制系统，包括：
数据获取模块110，用于通过预设传感器获取T时刻下所述人参皂甙生产装置内人参细胞培养对象的反应监测数据以及对应时刻下的实测参数数据；所述实测参数数据包括第一目标参数数据、第二目标参数数据和第三目标参数数据；
应当说明的是：在本申请中所述人参皂甙生产装置具体为生物反应器；所述预设传感器包括温度传感器、PH传感器和DO（溶解氧）传感器；
具体地，所述反应监测数据包括细胞生长速率、细胞代谢速率和细胞生产质量；所述细胞生产质量包括细胞数量、细胞形态和细胞大小；所述第一目标参数数据为温度，所述第二目标参数数据为PH值，所述第三目标参数数据为溶解氧量
一次判断及数据分析模块120，用于判断T时刻下所述人参皂甙生产装置内的所述人参细胞培养对象是否达到细胞一般生长周期的细胞生长状态临界值；若未达到，则基于所述反应监测数据和实测参数数据进行控制参数分析；
应当了解的是：人参细胞培养对象的培养过程包括生长周期和衰减周期，其依据细胞生长状态界定，进一步解释就是，每当某一或多种细胞生长状态呈下降趋势时，则表明该人参细胞培养对象从生长周期过渡到了衰减周期；还需说明的是，不同人参细胞培养对象的生长周期还根据其特定属性（如人参细胞培养量、细胞培养类型等）具体确定，而每种特定属性下的人参细胞培养对象都有它的一般生长周期或最优生长周期；
还应当了解的是：人参细胞培养对象的生长周期的细胞生长状态与培养温度、PH值以及DO值存在密切关系，目前在对细胞培养过程中，大部分的人参细胞培养对象一般在达到一般生长周期的细胞生长状态临界值时（即还未达到最优生长周期）就过早进行衰减周期，从而使得培养得到的人参皂甙的生产产量和品质不高；
需要说明的是：所述一般生长周期的细胞生长状态临界值为一般生长周期的某一细胞生长状态临界值或综合细胞生长状态临界值；所述细胞生长状态包括活细胞密度、细胞活率和细胞单位生产率；
需要注意的是：若所述T时刻下所述人参皂甙生产装置内的人参细胞培养对象达到一般生长周期的细胞生长状态临界值，则跳转到二次判断模块140进行二次判断；
具体地，所述控制参数分析的具体过程如下：
S21：基于所述反应监测数据和第一目标参数数据进行第一控制参数分析，根据第一控制参数分析以获取第一温度增量参数；
具体地，所述第一控制参数分析的具体过程如下：
S211：将反应监测数据输入预搭建第一神经网络模型中，得到第一温度参数数据；
S212：计算所述第一目标参数数据与所述第一温度参数数据的第一温度偏差值，若所述第一温度偏差值大于预设温度偏差阈值，则将第一目标参数数据输入所述第一神经网络模型进行训练，得到训练后的第一神经网络模型；
需要注意的是：若所述第一温度偏差值小于或等于预设温度偏差阈值，则将所述第一温度偏差值作为第一温度增量参数；
S213：将所述反应监测数据输入训练后的第一神经网络模型，得到第二温度参数数据；
S214：计算所述第一目标参数数据与所述第二温度参数数据的第二温度偏差值，若所述第二温度偏差值小于或等于预设温度偏差阈值，则将所述第二温度偏差值输出为第一温度增量参数；
需要说明的是：若所述第二温度偏差值大于预设温度偏差阈值，则继续将第一目标参数数据作为训练集数据输入至训练后的第一神经网络模型中进行再次训练，以重新得到训练后的第一神经网络模型，可以理解的是，继续将第一目标参数数据作为训练集数据输入至训练后的第一神经网络模型中后对训练后的第一神经网络模型进行再次矫正，以重新获取训练后的第一神经网络模型；进一步理解就是，这个训练过程是可以持续的，直至将第一目标参数数据至训练后的第一神经网络模型中所得到的所述第二温度偏差值小于或等于预设温度偏差阈值时，此时，停止模型训练；
S22：基于所述反应监测数据、第二目标参数数据和第一温度增量参数进行第二控制参数分析，根据第二控制参数分析以获取第二PH增量参数和第三温度增量参数；
具体地，所述第二控制参数分析的具体过程如下：
S221：将所述反应监测数据输入预搭建第二神经网络模型中，得到第一PH参数数据；并计算所述第二目标参数数据与所述第一PH参数数据的PH偏差值，将所述PH偏差值作为第一PH增量参数；
需要说明的是：在本步骤还包括对PH偏差值与预设PH偏差阈值的比较判断，其过程与上述第一温度偏差值、第二温度偏差值与预设温度偏差阈值的过程一致，且所述第二神经网络模型的修正也与上述第一神经网络模型也一致，因此，本申请不做过多赘述，同理可参照上述第一控制参数分析的具体过程和详述；
S222：将第一PH增量参数和第二温度增量参数输入预构建数字孪生模型中进行一次仿真模拟分析，以获取第二PH增量参数和第三温度增量参数；
需要说明的是：预构建的所述数字孪生模型具体为人参皂甙生产装置的虚拟仿真模型，其根据不同人参细胞培养对象的历史实测数据生成，并基于若干传感器进行实时数据更新和模型更新，所述历史实测数据包括K时刻下的细胞生长状态和对应时刻下的温度、PH、DO数据以及人参皂甙生产装置的构建信息和对应人参细胞培养对象的状态信息；
具体地，所述一次仿真模拟分析的具体过程如下：
根据第一PH增量参数对数字孪生模型进行PH值调节控制，并获取数字孪生模型中对应反应监测数据的第一数据输出值；
需要说明的是：所述数字孪生模型中对应反应监测数据具体为细胞生长速率、细胞代谢速率和细胞生产质量中的一种；
根据第二温度增量参数对数字孪生模型进行温度调节控制，并获取调节后数字孪生模型中对应反应监测数据的第二数据输出值；
计算第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值，并判断所述输出差值是否小于或等于预设第一差值阈值，若小于或等于，则将第一PH增量参数作为第二PH增量参数，并将第二温度增量参数作为第三温度增量参数进行输出；
若大于，则将所述第一PH增量参数设置为固定量，调节第二温度增量参数大小，并持续计算第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值，直至所述第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值小于或等于预设第一差值阈值，并输出调节后第二温度增量参数；
将第一PH增量参数和调节后第二温度增量参数作为第二PH增量参数和第三温度增量参数输出；
需要说明的：所述固定量是指固定不变的参数值；
在一个实施例中，所述固定量也可为第二温度增量参数，若将第二温度增量参数设为固定量则对应后续操作则将调节第一PH增量参数大小，直至所述第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值小于或等于预设第一差值阈值，并输出调节后第一PH增量参数，并将第二温度增量参数和调节后第一PH增量参数作为第二PH增量参数和第三温度增量参数输出；
在一个实施例中，若设置了两种固定量（即将第一PH增量参数设置为固定量后又将第二温度增量参数设为固定量），则还包括：比较将第一PH增量参数设置为固定量时最终得到第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值与将第二温度增量参数设置为固定量时最终得到第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值的大小，若将第一PH增量参数设置为固定量时最终得到第一数据输出值小于第二数据输出值的输出差值与将第二温度增量参数设置为固定量时最终得到第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值，则将第一PH增量参数作为第二PH增量参数，并将第二温度增量参数作为第三温度增量参数进行输出；反之，若将第一PH增量参数设置为固定量时最终得到第一数据输出值大于第二数据输出值的输出差值与将第二温度增量参数设置为固定量时最终得到第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值，则将第二温度增量参数和调节后第一PH增量参数作为第二PH增量参数和第三温度增量参数；
S23：基于所述反应监测数据、第三目标参数数据、第二PH增量参数和第三温度增量参数进行第三控制参数分析，根据第三控制参数分析以获取控制参数分析结果；
具体地，所述第三控制参数分析的具体过程如下：
S231：将所述反应监测数据输入预搭建第三神经网络模型中，得到第一DO参数数据；并计算所述第三目标参数数据与所述第一DO参数数据的DO偏差值，将所述DO偏差值作为第一DO增量参数；
需要说明的是：在本步骤还包括对DO偏差值与预设DO偏差阈值的比较判断，其过程与上述第一温度偏差值、第二温度偏差值与预设温度偏差阈值的过程也一致，且所述第三神经网络模型的修正也与上述第一神经网络模型也一致，因此，本申请不做过多赘述，同理可参照上述第一控制参数分析的具体过程和详述；
S232：将第一DO增量参数、第二PH增量参数和第三温度增量参数输入预构建数字孪生模型中进行二次仿真模拟分析，以获取控制参数分析结果；
具体地，所述二次仿真模拟分析的具体过程如下：
根据第二PH增量参数和第三温度增量参数对数字孪生模型进行PH值和温度调节控制，并获取数字孪生模型中对应反应监测数据的第三数据输出值；
根据第一DO增量参数对数字孪生模型进行DO调节控制，并获取调节后数字孪生模型中对应反应监测数据的第四数据输出值；
计算第三数据输出值与第四数据输出值的输出差值，并判断所述输出差值是否小于或等于预设第二差值阈值，若小于或等于，则将第一DO增量参数、第二PH增量参数和第三温度增量参数作为控制参数分析结果；
若大于，则将所述第二PH增量参数和第三温度增量参数设置为固定量，调节第一DO增量参数大小，并持续计算第三数据输出值与第四数据输出值的输出差值，直至所述第三数据输出值与第四数据输出值的输出差值小于或等于预设第二差值阈值，并输出调节后第一DO增量参数；
将第二PH增量参数、第三温度增量参数以及调节后第一DO增量参数作为控制参数分析结果；
在一个实施例中，所述固定量也可以为第一DO增量参数，若将第一DO增量参设为固定量，则对应后续操作则将调节第二PH增量参数和第三温度增量参数大小（该过程具体参见上述对第一PH增量参数和第二温度增量参数的固定调节过程），直至所述第三数据输出值与第四数据输出值的输出差值小于或等于预设第二差值阈值，并输出调节后的第二PH增量参数和第三温度增量参数；并将第一DO增量参数以及调节第二PH增量参数和第三温度增量参数作为控制参数分析结果；
在一个实施例中，若又设置了两种固定量（即第二PH增量参数和第三温度增量参数设置为固定量后又将第一DO增量参数设为固定量），则又还包括：比较将第二PH增量参数设置为固定量时最终得到第三数据输出值与第四数据输出值的输出差值与将第二PH增量参数和第三温度增量参数设置为固定量时最终得到第三数据输出值与第四数据输出值的输出差值的大小，其与比较将第一PH增量参数设置为固定量时最终得到第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值与将第二温度增量参数设置为固定量时最终得到第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值的大小的具体过程一致，在此不做过多赘述；通过多次的输出差值比较本申请能够获得多参数下的最优控制解，即最优温度增量参数、最优PH增量参数和最优DO增量参数，从而有利于实现对人参皂甙生产装置的精细化控制，进而有利于提高人参皂甙的生产产量和品质；
执行控制模块130，用于获取控制参数分析结果，并根据其对所述人参皂甙生产装置的对应组件进行动态调节控制，所述控制参数分析结果包括最优温度增量参数、最优PH增量参数和最优DO增量参数；
需要说明的是：所述增量包含正向和负向，举例来说就是：假设所述人参皂甙生产装置在某一时刻下的温度为Q，通过数据分析得到预测温度应当为G，若G大于或等于Q，则将温度TH（TH=G-Q）作为温度增量参数，并根据温度增量参数进行正向温度调节；反之，若G小于Q，则将温度TH（TH=G-Q）作为温度增量参数，并根据温度增量参数进行负向温度调节；
二次判断模块140，用于将T时刻后的时间标记为T+n时刻，判断T+n时刻下所述人参皂甙生产装置内人参细胞培养对象是否达到细胞最优生长周期的细胞生长状态临界值；若未达到，则返回一次判断及数据分析模块120进行再次分析处理，直至调节控制人参细胞培养对象达到细胞最优生长周期的细胞生长状态临界值；
需要说明的是：所述数据获取模块110、一次判断及数据分析模块120、执行控制模块130和二次判断模块140通过有线方式电性连接或通过无线方式通信连接；
还需要说明的是：所述最优生长周期的细胞生长状态临界值为最优生长周期的某一细胞生长状态临界值或综合细胞生长状态临界值；所述细胞生长状态包括活细胞密度、细胞活率和细胞单位生产率；
又需要说明的是：所述n时刻具体为根据控制参数分析结果对所述人参皂甙生产装置的对应组件进行动态调节控制的时间范围，当对T时刻下达到细胞一般生长周期的细胞生长状态临界值的人参细胞培养对象进行二次判断时，n取零；
进一步需要说明的是：当T+n时刻下所述人参皂甙生产装置内人参细胞培养对象达到细胞最优生长周期的细胞生长状态临界值时，则结束对所述人参皂甙生产装置的对应组件进行动态调节控制，需要进一步说明的是，该动态调节控制的结束是指对细胞生长周期内的调节停止，而不是整个人参皂甙生产过程的停止，其表明人参细胞培养对象进入衰减周期，则采用另一衰减控制策略进行控制，在此，本申请不做过多赘述。
实施例二
请参阅图1示，本实施例公开提供了基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制方法，包括：
S1：数据获取：通过预设传感器获取T时刻下人参皂甙生产装置内人参细胞培养对象的反应监测数据以及对应时刻下的实测参数数据；所述实测参数数据包括第一目标参数数据、第二目标参数数据和第三目标参数数据；
应当说明的是：在本申请中所述人参皂甙生产装置具体为生物反应器；所述预设传感器包括温度传感器、PH传感器和DO（溶解氧）传感器；
具体地，所述反应监测数据包括细胞生长速率、细胞代谢速率和细胞生产质量；所述细胞生产质量包括细胞数量、细胞形态和细胞大小；所述第一目标参数数据为温度，所述第二目标参数数据为PH值，所述第三目标参数数据为溶解氧量；
S2：一次判断及数据分析：判断T时刻下所述人参皂甙生产装置内的所述人参细胞培养对象是否达到细胞一般生长周期的细胞生长状态临界值；若未达到，则基于所述反应监测数据和实测参数数据进行控制参数分析；
应当了解的是：人参细胞培养对象的培养过程包括生长周期和衰减周期，其依据细胞生长状态界定，进一步解释就是，每当某一或多种细胞生长状态呈下降趋势时，则表明该人参细胞培养对象从生长周期过渡到了衰减周期；还需说明的是，不同人参细胞培养对象的生长周期还根据其特定属性（如人参细胞培养量、细胞培养类型等）具体确定，而每种特定属性下的人参细胞培养对象都有它的一般生长周期或最优生长周期；
还应当了解的是：人参细胞培养对象的生长周期的细胞生长状态与培养温度、PH值以及DO值存在密切关系，目前在对细胞培养过程中，大部分的人参细胞培养对象一般在达到一般生长周期的细胞生长状态临界值时（即还未达到最优生长周期）就过早进行衰减周期，从而使得培养得到的人参皂甙的生产产量和品质不高；
需要说明的是：所述一般生长周期的细胞生长状态临界值为一般生长周期的某一细胞生长状态临界值或综合细胞生长状态临界值；所述细胞生长状态包括活细胞密度、细胞活率和细胞单位生产率；
需要注意的是：若所述T时刻下所述人参皂甙生产装置内的人参细胞培养对象达到一般生长周期的细胞生长状态临界值，则跳转到步骤S4进行二次判断；
具体地，所述控制参数分析的具体过程如下：
S21：基于所述反应监测数据和第一目标参数数据进行第一控制参数分析，根据第一控制参数分析以获取第一温度增量参数；
具体地，所述第一控制参数分析的具体过程如下：
S211：将反应监测数据输入预搭建第一神经网络模型中，得到第一温度参数数据；
S212：计算所述第一目标参数数据与所述第一温度参数数据的第一温度偏差值，若所述第一温度偏差值大于预设温度偏差阈值，则将第一目标参数数据输入所述第一神经网络模型进行训练，得到训练后的第一神经网络模型；
需要注意的是：若所述第一温度偏差值小于或等于预设温度偏差阈值，则将所述第一温度偏差值作为第一温度增量参数；
S213：将所述反应监测数据输入训练后的第一神经网络模型，得到第二温度参数数据；
S214：计算所述第一目标参数数据与所述第二温度参数数据的第二温度偏差值，若所述第二温度偏差值小于或等于预设温度偏差阈值，则将所述第二温度偏差值输出为第一温度增量参数；
需要说明的是：若所述第二温度偏差值大于预设温度偏差阈值，则继续将第一目标参数数据作为训练集数据输入至训练后的第一神经网络模型中进行再次训练，以重新得到训练后的第一神经网络模型，可以理解的是，继续将第一目标参数数据作为训练集数据输入至训练后的第一神经网络模型中后对训练后的第一神经网络模型进行再次矫正，以重新获取训练后的第一神经网络模型；进一步理解就是，这个训练过程是可以持续的，直至将第一目标参数数据至训练后的第一神经网络模型中所得到的所述第二温度偏差值小于或等于预设温度偏差阈值时，此时，停止模型训练；
S22：基于所述反应监测数据、第二目标参数数据和第一温度增量参数进行第二控制参数分析，根据第二控制参数分析以获取第二PH增量参数和第三温度增量参数；
具体地，所述第二控制参数分析的具体过程如下：
S221：将所述反应监测数据输入预搭建第二神经网络模型中，得到第一PH参数数据；并计算所述第二目标参数数据与所述第一PH参数数据的PH偏差值，将所述PH偏差值作为第一PH增量参数；
需要说明的是：在本步骤还包括对PH偏差值与预设PH偏差阈值的比较判断，其过程与上述第一温度偏差值、第二温度偏差值与预设温度偏差阈值的过程一致，且所述第二神经网络模型的修正也与上述第一神经网络模型也一致，因此，本申请不做过多赘述，同理可参照上述第一控制参数分析的具体过程和详述；
S222：将第一PH增量参数和第二温度增量参数输入预构建数字孪生模型中进行一次仿真模拟分析，以获取第二PH增量参数和第三温度增量参数；
需要说明的是：预构建的所述数字孪生模型具体为人参皂甙生产装置的虚拟仿真模型，其根据不同人参细胞培养对象的历史实测数据生成，并基于若干传感器进行实时数据更新和模型更新，所述历史实测数据包括K时刻下的细胞生长状态和对应时刻下的温度、PH、DO数据以及人参皂甙生产装置的构建信息和对应人参细胞培养对象的状态信息；
具体地，所述一次仿真模拟分析的具体过程如下：
根据第一PH增量参数对数字孪生模型进行PH值调节控制，并获取数字孪生模型中对应反应监测数据的第一数据输出值；
需要说明的是：所述数字孪生模型中对应反应监测数据具体为细胞生长速率、细胞代谢速率和细胞生产质量中的一种；
根据第二温度增量参数对数字孪生模型进行温度调节控制，并获取调节后数字孪生模型中对应反应监测数据的第二数据输出值；
计算第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值，并判断所述输出差值是否小于或等于预设第一差值阈值，若小于或等于，则将第一PH增量参数作为第二PH增量参数，并将第二温度增量参数作为第三温度增量参数进行输出；
若大于，则将所述第一PH增量参数设置为固定量，调节第二温度增量参数大小，并持续计算第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值，直至所述第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值小于或等于预设第一差值阈值，并输出调节后第二温度增量参数；
将第一PH增量参数和调节后第二温度增量参数作为第二PH增量参数和第三温度增量参数输出；
需要说明的：所述固定量是指固定不变的参数值；
在一个实施例中，所述固定量也可为第二温度增量参数，若将第二温度增量参数设为固定量则对应后续操作则将调节第一PH增量参数大小，直至所述第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值小于或等于预设第一差值阈值，并输出调节后第一PH增量参数，并将第二温度增量参数和调节后第一PH增量参数作为第二PH增量参数和第三温度增量参数输出；
在一个实施例中，若设置了两种固定量（即将第一PH增量参数设置为固定量后又将第二温度增量参数设为固定量），则还包括：比较将第一PH增量参数设置为固定量时最终得到第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值与将第二温度增量参数设置为固定量时最终得到第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值的大小，若将第一PH增量参数设置为固定量时最终得到第一数据输出值小于第二数据输出值的输出差值与将第二温度增量参数设置为固定量时最终得到第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值，则将第一PH增量参数作为第二PH增量参数，并将第二温度增量参数作为第三温度增量参数进行输出；反之，若将第一PH增量参数设置为固定量时最终得到第一数据输出值大于第二数据输出值的输出差值与将第二温度增量参数设置为固定量时最终得到第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值，则将第二温度增量参数和调节后第一PH增量参数作为第二PH增量参数和第三温度增量参数；
S23：基于所述反应监测数据、第三目标参数数据、第二PH增量参数和第三温度增量参数进行第三控制参数分析，根据第三控制参数分析以获取控制参数分析结果；
具体地，所述第三控制参数分析的具体过程如下：
S231：将所述反应监测数据输入预搭建第三神经网络模型中，得到第一DO参数数据；并计算所述第三目标参数数据与所述第一DO参数数据的DO偏差值，将所述DO偏差值作为第一DO增量参数；
需要说明的是：在本步骤还包括对DO偏差值与预设DO偏差阈值的比较判断，其过程与上述第一温度偏差值、第二温度偏差值与预设温度偏差阈值的过程也一致，且所述第三神经网络模型的修正也与上述第一神经网络模型也一致，因此，本申请不做过多赘述，同理可参照上述第一控制参数分析的具体过程和详述；
S232：将第一DO增量参数、第二PH增量参数和第三温度增量参数输入预构建数字孪生模型中进行二次仿真模拟分析，以获取控制参数分析结果；
具体地，所述二次仿真模拟分析的具体过程如下：
根据第二PH增量参数和第三温度增量参数对数字孪生模型进行PH值和温度调节控制，并获取数字孪生模型中对应反应监测数据的第三数据输出值；
根据第一DO增量参数对数字孪生模型进行DO调节控制，并获取调节后数字孪生模型中对应反应监测数据的第四数据输出值；
计算第三数据输出值与第四数据输出值的输出差值，并判断所述输出差值是否小于或等于预设第二差值阈值，若小于或等于，则将第一DO增量参数、第二PH增量参数和第三温度增量参数作为控制参数分析结果；
若大于，则将所述第二PH增量参数和第三温度增量参数设置为固定量，调节第一DO增量参数大小，并持续计算第三数据输出值与第四数据输出值的输出差值，直至所述第三数据输出值与第四数据输出值的输出差值小于或等于预设第二差值阈值，并输出调节后第一DO增量参数；
将第二PH增量参数、第三温度增量参数以及调节后第一DO增量参数作为控制参数分析结果；
在一个实施例中，所述固定量也可以为第一DO增量参数，若将第一DO增量参设为固定量，则对应后续操作则将调节第二PH增量参数、第三温度增量参数大小（该过程具体参见上述对第一PH增量参数和第二温度增量参数的固定调节过程），直至所述第三数据输出值与第四数据输出值的输出差值小于或等于预设第二差值阈值，并输出调节后的第二PH增量参数和第三温度增量参数；并将第一DO增量参数以及调节第二PH增量参数和第三温度增量参数作为控制参数分析结果；
在一个实施例中，若又设置了两种固定量（即第二PH增量参数和第三温度增量参数设置为固定量后又将第一DO增量参数设为固定量），则又还包括：比较将第二PH增量参数设置为固定量时最终得到第三数据输出值与第四数据输出值的输出差值与将第二PH增量参数和第三温度增量参数设置为固定量时最终得到第三数据输出值与第四数据输出值的输出差值的大小，其与比较将第一PH增量参数设置为固定量时最终得到第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值与将第二温度增量参数设置为固定量时最终得到第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值的大小的具体过程一致，在此不做过多赘述；通过多次的输出差值比较本申请能够获得多参数下的最优控制解，即最优温度增量参数、最优PH增量参数和最优DO增量参数，从而有利于实现对人参皂甙生产装置的精细化控制，进而有利于提高人参皂甙的生产产量和品质；
S3：执行控制：获取控制参数分析结果，并根据其对所述人参皂甙生产装置的对应组件进行动态调节控制，所述控制参数分析结果包括最优温度增量参数、最优PH增量参数和最优DO增量参数；
需要说明的是：所述增量包含正向和负向，举例来说就是：假设所述人参皂甙生产装置在某一时刻下的温度为Q，通过数据分析得到预测温度应当为G，若G大于或等于Q，则将温度TH（TH=G-Q）作为温度增量参数，并根据温度增量参数进行正向温度调节；反之，若G小于Q，则将温度TH（TH=G-Q）作为温度增量参数，并根据温度增量参数进行负向温度调节；
S4：二次判断：将T时刻后的时间标记为T+n时刻，判断T+n时刻下所述人参皂甙生产装置内人参细胞培养对象是否达到细胞最优生长周期的细胞生长状态临界值；若未达到，则跳转回步骤S2～步骤S3，直至调节控制人参细胞培养对象达到细胞最优生长周期的细胞生长状态临界值；
需要说明的是：所述最优生长周期的细胞生长状态临界值为最优生长周期的某一细胞生长状态临界值或综合细胞生长状态临界值；所述细胞生长状态包括活细胞密度、细胞活率和细胞单位生产率；
还需要说明的是：所述n具体为根据控制参数分析结果对所述人参皂甙生产装置的对应组件进行动态调节控制的时间，当对T时刻下达到细胞一般生长周期的细胞生长状态临界值的人参细胞培养对象进行二次判断时，n取零；
进一步需要说明的是：当T+n时刻下所述人参皂甙生产装置内人参细胞培养对象达到细胞最优生长周期的细胞生长状态临界值时，则结束对所述人参皂甙生产装置的对应组件进行动态调节控制，需要进一步说明的是，该动态调节控制的结束是指对细胞生长周期内的调节停止，而不是整个人参皂甙生产过程的停止，其表明人参细胞培养对象进入衰减周期，则采用另一衰减控制策略进行控制，在此，本申请不做过多赘述。
实施例三
在本实施例中，为了更好地对本发明方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例采用传统PID控制方法和本申请控制方法对某一同类型的人参干细胞培养基分别进行控制培养，并将传统PID控制方法的控制过程作为对照组，而本申请控制方法的控制过程分为实施组1、实施组2和实施组3，并获取各自控制培养后的人参干细胞样品，以及实时监测其各自细胞生产状态－活细胞密度（VCD）和生长周期（如图3-4所示），同时利用色谱柱分离，高效液相色谱-紫外检测器检测，外标法定量测定人参皂苷各组分的含量，并根据各自生产效果进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果，其具体实验数据如下（见表1）：
表1：实验效果数据表
由图3-4以及上述表1能够看出：本申请控制方法通过获取多参数下的最优控制解，能够有效避免人参细胞培养过早进入衰退周期，同时能够有效提高人参皂苷的生产产量和品质，从而有利于满足现有人参皂苷工业化生产的要求，能够为人参皂甙的大规模生产提供可靠的手段，进而可以弥补现有市场对人参皂甙的大量需求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制方法，其特征在于，包括：
S1：数据获取：通过预设传感器获取T时刻下人参皂甙生产装置内人参细胞培养对象的反应监测数据以及对应时刻下的实测参数数据；所述反应监测数据包括细胞生长速率、细胞代谢速率和细胞生产质量；所述实测参数数据包括第一目标参数数据、第二目标参数数据和第三目标参数数据；所述第一目标参数数据为温度，所述第二目标参数数据为PH值，所述第三目标参数数据为溶解氧量；
S2：一次判断及数据分析：判断T时刻下所述人参皂甙生产装置内的所述人参细胞培养对象是否达到细胞一般生长周期的细胞生长状态临界值；若未达到，则基于所述反应监测数据和实测参数数据进行控制参数分析；
所述控制参数分析的具体过程如下：
S21：基于所述反应监测数据和第一目标参数数据进行第一控制参数分析，根据第一控制参数分析以获取第一温度增量参数；
S22：基于所述反应监测数据、第二目标参数数据和第一温度增量参数进行第二控制参数分析，根据第二控制参数分析以获取第二PH增量参数和第三温度增量参数；
S23：基于所述反应监测数据、第三目标参数数据、第二PH增量参数和第三温度增量参数进行第三控制参数分析，根据第三控制参数分析以获取控制参数分析结果；
S3：执行控制：获取控制参数分析结果，并根据其对所述人参皂甙生产装置的对应组件进行动态调节控制，所述控制参数分析结果包括最优温度增量参数、最优PH增量参数和最优DO增量参数；
S4：二次判断：将T时刻后的时间标记为T+n时刻，判断T+n时刻下所述人参皂甙生产装置内人参细胞培养对象是否达到细胞最优生长周期的细胞生长状态临界值；若未达到，则跳转回步骤S2～步骤S3，直至调节控制人参细胞培养对象达到细胞最优生长周期的细胞生长状态临界值。
2.根据权利要求1所述的基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制方法，其特征在于，所述第一控制参数分析的具体过程如下：
S211：将反应监测数据输入预搭建第一神经网络模型中，得到第一温度参数数据；
S212：计算所述第一目标参数数据与所述第一温度参数数据的第一温度偏差值，若所述第一温度偏差值大于预设温度偏差阈值，则将第一目标参数数据输入所述第一神经网络模型进行训练，得到训练后的第一神经网络模型；
S213：将所述反应监测数据输入训练后的第一神经网络模型，得到第二温度参数数据；
S214：计算所述第一目标参数数据与所述第二温度参数数据的第二温度偏差值，若所述第二温度偏差值小于或等于预设温度偏差阈值，则将所述第二温度偏差值输出为第一温度增量参数。
3.根据权利要求2所述的基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制方法，其特征在于，若所述第一温度偏差值小于或等于预设温度偏差阈值，则将所述第一温度偏差值作为第一温度增量参数。
4.根据权利要求3所述的基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制方法，其特征在于，所述第二控制参数分析的具体过程如下：
S221：将所述反应监测数据输入预搭建第二神经网络模型中，得到第一PH参数数据；并计算所述第二目标参数数据与所述第一PH参数数据的PH偏差值，将所述PH偏差值作为第一PH增量参数；
S222：将第一PH增量参数和第二温度增量参数输入预构建数字孪生模型中进行一次仿真模拟分析，以获取第二PH增量参数和第三温度增量参数。
5.根据权利要求4所述的基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制方法，其特征在于，所述一次仿真模拟分析的具体过程如下：
根据第一PH增量参数对数字孪生模型进行PH值调节控制，并获取数字孪生模型中对应反应监测数据的第一数据输出值；
根据第二温度增量参数对数字孪生模型进行温度调节控制，并获取调节后数字孪生模型中对应反应监测数据的第二数据输出值；
计算第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值，并判断所述输出差值是否小于或等于预设第一差值阈值，若小于或等于，则将第一PH增量参数作为第二PH增量参数，并将第二温度增量参数作为第三温度增量参数进行输出；
若大于，则将所述第一PH增量参数设置为固定量，调节第二温度增量参数大小，并持续计算第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值，直至所述第一数据输出值与第二数据输出值的输出差值小于或等于预设第一差值阈值，并输出调节后第二温度增量参数；
将第一PH增量参数和调节后第二温度增量参数作为第二PH增量参数和第三温度增量参数输出。
6.根据权利要求5所述的基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制方法，其特征在于，所述第三控制参数分析的具体过程如下：
S231：将所述反应监测数据输入预搭建第三神经网络模型中，得到第一DO参数数据；并计算所述第三目标参数数据与所述第一DO参数数据的DO偏差值，将所述DO偏差值作为第一DO增量参数；
S232：将第一DO增量参数、第二PH增量参数和第三温度增量参数输入预构建数字孪生模型中进行二次仿真模拟分析，以获取控制参数分析结果。
7.根据权利要求6所述的基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制方法，其特征在于，所述二次仿真模拟分析的具体过程如下：
根据第二PH增量参数和第三温度增量参数对数字孪生模型进行PH值和温度调节控制，并获取数字孪生模型中对应反应监测数据的第三数据输出值；
根据第一DO增量参数对数字孪生模型进行DO调节控制，并获取调节后数字孪生模型中对应反应监测数据的第四数据输出值；
计算第三数据输出值与第四数据输出值的输出差值，并判断所述输出差值是否小于或等于预设第二差值阈值，若小于或等于，则将第一DO增量参数、第二PH增量参数和第三温度增量参数作为控制参数分析结果；
若大于，则将所述第二PH增量参数和第三温度增量参数设置为固定量，调节第一DO增量参数大小，并持续计算第三数据输出值与第四数据输出值的输出差值，直至所述第三数据输出值与第四数据输出值的输出差值小于或等于预设第二差值阈值，并输出调节后第一DO增量参数；
将第二PH增量参数、第三温度增量参数以及调节后第一DO增量参数作为控制参数分析结果。
8.基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制系统，其基于权利要求1-7任意一项所述的基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制方法实现，其特征在于，所述系统包括：
数据获取模块，用于通过预设传感器获取T时刻下所述人参皂甙生产装置内人参细胞培养对象的反应监测数据以及对应时刻下的实测参数数据；所述反应监测数据包括细胞生长速率、细胞代谢速率和细胞生产质量；所述实测参数数据包括第一目标参数数据、第二目标参数数据和第三目标参数数据；所述第一目标参数数据为温度，所述第二目标参数数据为PH值，所述第三目标参数数据为溶解氧量；
一次判断及数据分析模块，用于判断T时刻下所述人参皂甙生产装置内的所述人参细胞培养对象是否达到细胞一般生长周期的细胞生长状态临界值；若未达到，则基于所述反应监测数据和实测参数数据进行控制参数分析；
所述控制参数分析的具体过程如下：
基于所述反应监测数据和第一目标参数数据进行第一控制参数分析，根据第一控制参数分析以获取第一温度增量参数；
基于所述反应监测数据、第二目标参数数据和第一温度增量参数进行第二控制参数分析，根据第二控制参数分析以获取第二PH增量参数和第三温度增量参数；
基于所述反应监测数据、第三目标参数数据、第二PH增量参数和第三温度增量参数进行第三控制参数分析，根据第三控制参数分析以获取控制参数分析结果；
执行控制模块，用于获取控制参数分析结果，并根据其对所述人参皂甙生产装置的对应组件进行动态调节控制，所述控制参数分析结果包括最优温度增量参数、最优PH增量参数和最优DO增量参数；
二次判断模块，用于将T时刻后的时间标记为T+n时刻，判断T+n时刻下所述人参皂甙生产装置内人参细胞培养对象是否达到细胞最优生长周期的细胞生长状态临界值；若未达到，则返回一次判断及数据分析模块进行再次分析处理，直至调节控制人参细胞培养对象达到细胞最优生长周期的细胞生长状态临界值。
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