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《大连理工大学》 2008年
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微生物发酵中的非线性动力系统及最优控制

王慧媛  
【摘要】: 本文以生物化工领域中的一个实际课题——甘油微生物歧化方法生产1,3-丙二醇的间歇和批式流加发酵——为背景,研究了两类非线性动力系统的参数辨识与最优控制问题。首先根据发酵过程的特性和动态行为,分别建立符合各自特性的非线性动力系统,论述了系统的主要性质并对其中的参数进行了辨识。此外为了寻找最优策略,建立了最优控制模型,研究了最优控制问题的最优性条件。该项研究,一方面可以丰富非线性动力系统、最优控制理论与算法的理论和应用,另一方面可以降低消耗、节约成本为1,3-丙二醇的大规模产业化生产提供理论指导,因此该项研究具有一定的理论意义与应用价值。本论文研究的内容与取得的主要结果可概括如下: 1.在甘油微生物歧化生产1,3-丙二醇的间歇发酵过程中,依微生物的生长特点将整个发酵过程分为发育期、生长期和稳定期三个阶段,利用在不同阶段上发酵过程的动态行为不相同这一特点建立了描述间歇发酵过程的非线性多阶段动力系统,论述了系统解的存在唯一性。为了确定系统中参数的值,建立了参数辨识模型,并证明了参数的可辨识性。然后构造求解参数辨识问题的优化算法,数值结果显示辨识后的模型较已有的模型计算值与实验值之间的误差要小的多,说明该非线性多阶段动力系统更适合描述间歇发酵过程。 2.根据甘油微生物歧化生产1,3-丙二醇批式流加发酵的特点,分别用连续函数和离散函数描述发酵过程中的连续动态行为和离散事件,建立了描述批式流加过程的混杂动力系统,讨论了系统解的存在唯一性,解对参数的连续依赖性,并根据实验数据建立了参数辨识模型,构造了求解参数辨识问题的优化算法,数值结果显示经参数辨识后的混杂动力系统不仅有效地克服了已有模型中甘油浓度的计算值会出现负值的缺陷,而且计算值与实验值之间的平均相对误差由已有模型的18.36%降低到1.9%,说明了混杂动力系统在描述批式流加发酵过程上的有效性。 3.对于间歇发酵,建立以初始状态为控制变量,以描述发酵过程的非线性多阶段动力系统为约束的终端最优控制模型,论证了最优控制问题的可控性,并推导出该最优控制问题的一阶最优性条件,为求解最优控制问题的优化算法的停机准则设计和收敛性分析提供理论依据。然后,以批式流加发酵过程为背景,建立以离散时刻添加甘油的量为控制变量,以高彩霞建立的描述批式流加发酵过程的非线性脉冲动力系统为约束的终端最优控制模型,并研究了此类最优控制问题的一阶最优性条件。此外,还研究了以混杂动力系统为约束的终端最优控制问题,并构造了求解该最优控制问题的优化算法。数值结果显示本文算法将生产强度从38.448mmol/(L·h)提高到42.13mmol/(L·h),该结论为1,3-丙二醇的实际生产提供了理论指导。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:O232

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