一种基于特征模型的连续灭菌反复学习自适应控制器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生物制药生产过程中连续灭菌自动控制系统的控制器，属于生物控制
技术领域，特别是一种基于特征模型的连续灭菌反复学习自适应控制器。
【背景技术】
[0002] 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，以蒸汽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。
[0003] 目前工业控制中常用的PID控制器或者基于模糊逻辑的控制器普遍存在难以根 据生产状况自适应调节的特点，在控制参数或模糊逻辑一旦确定后不能根据当前的扰动状 态自动调节，导致喷射器出口培养基温度在各种快变扰动下难以实现高精度的温度保持等 问题。
【发明内容】
[0004] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种利用在线历史数据 构建前馈查找表形成前馈补偿环节，并进行不断优化来克服外部可测扰动，利用基于特征 模型的全系数自适应控制作为反馈环节以达到对不同应用环境具有较强自适应性的自动 控制系统。
[0005] 本发明的技术解决方案是：一种基于特征模型的连续灭菌反复学习自适应控制 器，包括特征模型辨识模块、全系数控制律模块、反复学习前馈模块、总控制量计算模块，其 中
[0006] 特征模型辨识模块，获取当前蒸汽喷射器出口的培养基温度Tk+1、蒸汽阀门开度 Uk，进而得到辨识参数4，并送至全系数控制律模块，其中，k表示第k个控制周期； 所述的辨识参数1,1, 为
[0009] 其中
上为采样周其月，0〈c〈l，<K 1= [y k yk I uk]T，0〈 a <2，y。= 〇, yk为第k周期蒸汽喷射器出口的培养基温度T k;
[0010] 全系数控制律模块，接收/Uu5么、培养基温度误差ek，进而得到反馈控制量 ufik+1，并送至总控制量计算模块；所述的培养基温度误差％为当前培养基温度Tk+1与第k周 期温度参考输入差值的绝对值；所述的反馈控制量ufik+1为
yk_yr,k，〇〈cd〈i，1 为正整数且 〇〈i〈k，u。= 〇 ;
[0013] 反复学习前馈模块，接收培养基温度误差ek并判断，如果I e k I〈0. 5且前馈查找表 不存在当前物料流量、物料温度对应的学习数据，则将当前物料流量、物料温度、蒸汽阀门 开度Uk作为1组学习数据添加到前馈查找表，否则不进行操作；所述的前馈查找表包括多 组学习数据；监测连续灭菌自动控制系统的物料流量、物料温度，并根据当前物料流量、物 料温度从前馈查找表中查找对应的前馈控制量％_，并送至总控制量计算模块；其中，1组 学习数据包括物料流量，物料温度，蒸汽阀门开度；
[0014] 总控制量计算模块，接收反馈控制量Ufik+1、前馈控制量1^+1进而得到第k+Ι周期 蒸汽阀门开度 uk+1 = U f, k+1+Ub, k+1。
[0015] 所述的 λ i= 〇· 2，λ 2= 0· 8，c d= 0· 0001，k 2= 0· 1，k != 0· 04，I != 0· 382，12 =0. 618〇
[0016] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0017] (1)本发明通过从在线数据提取扰动信息作为实际前馈控制器的输入，并从事先 构建的前馈查找表中获得可靠的前馈控制量，弥补了现有控制器技术没有精确模型的不 足，通过反复学习不断优化前馈查找表，消除了物料入口温度和物料流量等可测快变量的 扰动，降低了连续灭菌过程中物料入口温度、流量等的可测量的影响；
[0018] (2)本发明通过把连续灭菌过程中变化较慢的比热、密度等物理参数反映到辨识 参数中，降低了蒸汽、物料等变化较慢参数对控制器的影响，克服了现有技术容易受慢变参 数影响的缺陷；
[0019] (3)本发明基于特征模型建立自适应控制器，具有鲁棒性强、实现简单的优点，同 时本发明控制器计算量小，可调参数少，适于工程应用；
[0020] (4)本发明控制器基于连续灭菌过程中实际在线运行数据，并通过反复学习前馈 模块的反复控制实现了"经验积累"进而丰富了前馈查找表，使得较好的控制结果可以更新 到前馈表中，对不同的应用环境的自动控制系统具有较强的自适应性。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明一种基于特征模型的连续灭菌反复学习自适应控制器原理流程图。
【具体实施方式】
[0022] 本发明提出一种应用于生物制药生产过程连续灭菌自动控制系统的反复学习自 适应控制器，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。
[0023] 本发明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，具体是以蒸汽阀门开度作为控制 输入，以蒸汽喷射器出口温度作为被控制量。整个系统采用"前馈+反馈"的混合控制方式， 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，利用一 种通过在线反复学习构建的查找表作为前馈控制器实现对快变可测扰动的补偿，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
[0024] 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。
[0025] 本系统基于上述思想设计反馈控制器，并利用反复学习的方式设计前馈控制器， 进而得到系统总的控制器。下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明，如图1所示本 发明系统包括如下几个部分：
[0026] (1)基于特征模型的全系数控制律模块
[0027] 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f lik，f2ik，gk，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，以蒸汽喷射器出口物料温度（T)作为被控变量，以蒸汽阀门开度 作为控制变量构建如下特征模型来描述喷射器的基本加热过程。
[0029] 其中，y表示蒸汽喷射器出口物料温度，u表示蒸汽阀门开度，flik，f 2ik，gk表示时变 的特征参量，k表示第k个控制周期。
[0030] 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 块得到的辨识参数九良作为控制器的参数采用全系数控制律进行控制，具体的全系数 控制律包含如下四个部分：
[0031] 黄金分割控制律：
[0032] 其中，I1= 0. 382, I2= 0. 618, λ