（发酵工程专业论文）谷氨酸发酵过程的在线补料控制和故障诊断系统.pdf

摘要 摘要 本文通过研究谷氨酸发酵过程中氨耗与糖耗之间的关系，以产酸期两者间的线性关 系为依据，设计并构建了一套用于谷氨酸发酵的葡萄糖自动补料控制系统。该系统通过 在线计量氨耗，并根据已经确定好的氨耗与糖耗之间的关系，实时自动地推算发酵罐内 的葡萄糖浓度。通过比对葡萄糖浓度的推算值和预先设定的控制水平，该系统可以自动 计算并确定任意控制间隔内所需的葡萄糖流加量，并据此将葡萄糖浓度稳定地控制于任 意的设定水平。经过几个批次的发酵实验验证，该控制系统的有效性得到体现。高葡萄 糖控制浓度( 1 0 0 9 l ) 的操作条件下，最终的谷氨酸浓度仅有3 7 9 l 。在其它条件和发 酵时间相同的情况下，控制葡萄糖浓度于较低浓度( 1 0 9 l ) 时的最终谷氨酸浓度达到 8 0 9 l ，是前者的两倍多，发酵性能明显改善。由于谷氨酸发酵的氨耗与糖耗关系随发 酵批次的不同还存在一定程度的变动，当葡萄糖控制浓度很低时( 1 - 5 9 l ) ，使用该控制 系统有可能导致罐内葡萄糖消耗殆尽、发酵无法正常进行的严重操作故障。 通过在线计量耗氧量，并根据耗氧量与耗糖量之间的关系，设计并构建了另一套用 于谷氨酸发酵的葡萄糖自动补料控制系统。由于各发酵批次的耗氧量与耗糖量关系系数 波动很大，为控制葡萄糖浓度于低水平，只能用一个较小的初始关系系数运行该系统。 该系统虽也可将糖浓度控制于较低水平，但却经常出现葡萄糖耗尽的操作故障，最终的 谷氨酸浓度只达到6 2 9 l 的较低水平。 为解决葡萄糖耗尽的故障频繁出现的问题，提高葡萄糖自动流加控制系统的控制性 能，利用b p 神经网络模型对正常和故障发酵数据进行学习和训练，构建了一个( 葡萄 糖耗尽) 故障自动诊断系统，该系统对上述故障的出现可以进行比较准确的识别和判断。 将葡萄糖自动流加控制系统与故障自动诊断系统相结合，有望形成一个更为先进的在线 自适应控制系统。当出现发酵故障( 葡萄糖耗尽) ，b p 识别系统可在5 m i n 内辨识该故 障，并通过修正氨耗与糖耗间的关系系数和葡萄糖的推定浓度迅速自动地排除故障，使 得控制系统的鲁棒性和可靠性进一步提高。 关键词：谷氨酸发酵；自动流加；故障诊断；b p 神经网络；自适应控制 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na m m o n i ac o n s u m p t i o na m o u n ta n d g l u c o s ec o n s u m p t i o na m o u n t t h e na c c o r d i n gt ot h el i n e a rr e l a t i o n s h i po ft h e m ，ag l u c o s e a u t o m a t i cf e e d i n gs y s t e mf o rg l u t a m a t ef e r m e n t a t i o nw a sd e s i g n e da n db u i l t t h es y s t e m c o u l dm o n i t o ra m m o n i ac o n s u m p t i o na m o u n to n 1 i n e ，a n dt h e nr e c k o nt h eg l u c o s e c o n c e n t r a t i o ni nf e r m e n t o ra u t o m a t i c a l l ya n dr e a l t i m e l y t h r o u g ht h ei n t e r c o m p a r i s o no f r e c k o n e dg l u c o s ec o n c e n t r a t i o na n ds e t t i n gg l u c o s ec o n c e n t r a t i o n ，t h es y s t e mc o u l dr e c k o n t h eo p t i m a if e e d i n ga m o u n ti na n yc o n t r o li n t e r v a l a c c o r d i n gt ow h i c hg l u c o s ec o n c e n t r a t i o n c o u l db ec o n t r o la ta n ys e t t i n gl e v e ls t e a d i l y i nb a t c h e so ff e r m e n t a t i o n e f f e c t i v e n e s so ft h e s y s t e mw a sr e f l e c t e d u n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g hs e t t i n gg l u c o s ec o n c e n t r a t i o n ( 1o o g l ) ，t h e l a s tg l u t a m a t ec o n c e n t r a t i o nw a so n l y3 7 9 l w h e nc u l t u r et i m ew a ss a m ea n dg l u c o s e c o n c e n t r a t i o nw a ss e ta tlo g l ，t h el a s tg l u t a m a t ec o n c e n t r a t i o nc o u l dr e a c h8 0 9 l ，w h i c hw a s a b o u tt w ot i m e so ft h ef o r m e r t h ef e r m e n t a t i o np e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d b e c a u s e o ft h ef l u c t u a t i o no ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na m m o n i ac o n s u m p t i o na m o u n ta n dg l u c o s e c o n s u m p t i o na m o u n ti nd i f f e r e n tb a t c h e so ff e r m e n t a t i o n t h es y s t e mm a yl c a dt os e r i o u s o p e r a t i o nf a u l t ( g l u c o s ee x h a u s t i o n ) w h e nt h es e t t i n gg l u c o s ec o n c e n t r a t i o nw a sv e r yl o w f 1 5 9 l ) t h ef e r m e n t a t i o nc a n tn o r m a l l yp r o c e e d a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e no x y g e nc o n s u m p t i o na m o u n ta n dg l u c o s e c o n s u m p t i o na m o u n t ，a n o t h e rg l u c o s ea u t o m a t i cf e e d i n gs y s t e mw a sd e s i g n e da n db u i l t t h e r ew a sg r e a tf l u c t u a t i o no ft h er e l a t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e no x y g e nc o n s u m p t i o na m o u n t a n dg l u c o s ec o n s u m p t i o na m o u n ti nb a t c h e so ff e r m e n t a t i o n i nab a t c ho ff e r m e n t a t i o n ，u s i n g t h es y s t e mw i t hal e s sr e l a t i o nc o e f f i c i e n t 1 e dt ot h ef a u l t ( g l u c o s ee x h a u s t i o n ) h a p p e n e d f r e q u e n t l y , a n dt h el a s tg l u t a m a t ec o n c e n t r a t i o nw a so n l y6 2 9 l t l l i ss y s t e mw a sl e s s e f f e c t i v et h a nt h ef o r m e r f o ri m p r o v i n gt h ef o r m e rs y s t e m ，t a k i n gt h el a t e rs y s t e ma st h er e s e a r c ho b je c t ，ab p n e u r a ln e t w o r kw a st r a i n e dw i t hn o r m a la n df a u l t yf e r m e n t a t i o nd a t a ，a n dt h e nb u i l ta n a u t o m a t i cf a u l t ( g l u c o s ee x h a u s t i o n ) d i a g n o s i ss y s t e m ，w h i c hc a nr e c o g n i z e dt h ef a u l ta b o v e a c c u r a t e l y t h ea u t o m a t i cg l u c o s ef e e d i n gs y s t e mb a s e do na m m o n i ac o n s u m p t i o na m o u n ta n dt h e a u t o m a t i cf a u l td i a g n o s i ss y s t e mc o u l db ec o m b i n e d ，f o r m i n ga na d v a n c e do n 1 i n e s e l f - a d a p t i v ec o n t r o ls y s t e mh o p e f u l l y w h a nf e r m e n t a t i o nf a u l t ( g l u c o s ee x h a u s t i o n ) h a p p e n e d 。b pr e c o g n i t i o ns y s t e mc a nr e c o g n i z et h ef a u l ti n5m i n u t e s t h e ni nn e x tm i n u t et h e f a u l ti se l i m i n a t e db ym o d i f y i n gt h er e c k o n e dg l u c o s ec o n c e n t r a t i o na n dt h er e l a t i o n c o e m c i e n tb e t w e e na m m o n i ac o n s u m p t i o na m o u n ta n dg l u c o s ec o n s u m p t i o na m o u n t ，w h i c h m a k e st h ec o n t r o ls y s t e mm o r er o b u s ta n dr e l i a b l e k e y w o r d s ：g l u t a m a t ef e r m e n t a t i o n ；a u t o m a t ef e e d i n g ；f a u l td i a g n o s i s ；b pn e u r a ln e t w o r k ； s e l f - a d a p t i v ec o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文文件的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：丁健 导师签名：巳毕 日期：伽pt6 2 客 第一章引言 第一章引言 谷氨酸，化学名称为q 氨基戊二酸，最早是由里索逊于1 8 5 6 年发现。谷氨酸 大量存在于谷类蛋白质中，动物脑中含量也较多。谷氨酸在生物体内的蛋白质代 谢过程中占重要地位，参与动物、植物和微生物中的许多重要化学反应。在医药， 食品工业等领域，谷氨酸有着重要的用途。 1 1 谷氨酸的理化性质与应用 1 1 1 谷氨酸的理化性质 l 谷氨酸，化学名称是l - 2 一氨基戊二酸。分子式为c 5 h 9 0 4 n ，分子量1 4 7 1 3 ，解离 常数p k l ，p k 2 ，p k 3 分别是2 1 9 ，4 ，2 5 ，9 6 7 ，等电点为3 2 2 。l 谷氨酸形状：白色晶 体或结晶性粉末，味微酸。密度1 5 3 8 9 c m 3 ，溶于热水，在室温水中微溶，在乙醇、丙 酮、乙醚中不溶。 1 1 2 谷氨酸在下游产品开发中的应用 谷氨酸在许多领域都起着重要的作用。例如，在下游产品开发方面，将有一定反应 活性的双功能基试剂氯乙醇和l 谷氨酸直接酯化保护羧基，用三光气活化成其相应的 n 羧酸酐，可直接得到侧链具有一定反应活性的聚l 氯乙基谷氨酸酯。 谷氨酸的结构中有一个氨基和两个羧基，在光气的作用下，羧基和氨基会形成环状 n 羧酸酐，由于羧基也较为活泼，可能会参与成环反应，因此在成环反应之前，通常用 苄醇将羧基进行保护，这样得到的聚合物的侧链活性极低，一般需经进一步氢化脱苄或 胺解脱苄，才能得到有反应活性的侧链，我们选用双功能基试剂氯乙醇作保护基因，在 聚合之后可直接得到有反应活性的侧链，可有效地简化合成路线。 侧链酯化过程是一个可逆反应，随着体系内水含量的不断增加，反应速度会降低， 导致产率不高。在形成谷氨酸苄酯时，采用分子筛脱水，操作大大简化。新型的聚合氨 基酸，含有氨基的药物或靶向基因，可以方便的接入聚谷氨酸的分子中，形成大分子前 药或靶向大分子载体，接入特异性的基因，可进行特殊的分离或提纯，这一聚合物在医 药领域会有很广泛的应用前景。 谷氨酸可生产许多重要下游产品如l 谷氨酸钠、l 苏氨酸、聚谷氨酸等。 1 1 3 谷氨酸在食品行业中的应用 在食品行业中，氨基酸作为人体生长的重要营养物质，不仅具有特殊的生理作用， 而且在食品工业中具有独特的功能。构成蛋白质的氨基酸主要有2 0 多种。在食品工业 中应用较多的氨基酸有谷氨酸、赖氨酸、半胱氨酸、胱氨酸、苏氨酸、精氨酸、缬氨酸、 色氨酸、丙氨酸等。各种氨基酸都有自己独特的呈味效应，其中应用较多的有谷氨酸钠 和甘氨酸。 谷氨酸钠俗称味精，是重要的鲜味剂，对香味具有增强作用。谷氨酸钠广泛用于食 品调味剂，既可单独使用，又能与其它氨基酸等并用。用于食品内，有增香作用。在食 江南火学硕十学位论文 品中浓度为o 2 0 5 ，每人每天允许摄入量( a d i ) 为0 1 2 0 l ag k f n ( 以谷氨酸计) 。在食 品加工中一般用量为0 2 1 5 9 k m 。我国是味精生产大国，年产1 3 0 万吨以上，居世界第 一位。但是，与国外相比，技术装备还相对落后，产酸率和糖酸转化率还有待提高。 甘氨酸具有甜味，和味精协同作用能显著提高食品的风味。谷氨酸作为风味增强剂 可用于增强饮料和食品的味道，不仅能增强食品风味，对动物性食品有保鲜作用。 1 1 4 谷氨酸在其它工业行业中的应用 在日用化妆品行业，谷氨酸为世界上氨基酸产量最大的品种，作为营养药物可用于 皮肤和毛发。用于生发剂，能被头皮吸收，预防脱发并使头发新生，对毛乳头、毛母细 胞有营养功能，并能扩张血管，增强血液循环，有生发防脱发功效。用于皮肤，对治疗 皱纹有疗效。n 酰基谷氨酸钠系列产品是由谷氨酸缩合而成的性能优良的阴离子表面活 性剂，广泛用于化妆品、香皂、牙膏、香波、泡沫浴液、洗洁净等产品中。生物表面活 性剂n 酰基谷氨酸钠不同于化学法合成的表面活性剂，它不但性能优良，并且具有良 好的生物降解性和安全性，在人体内能分解为氨基酸和脂肪酸而吸收利用。n 酰基谷氨 酸钠具有抑菌效果，由于无刺激性常可用于儿童洗涤制品和皮肤病患者，n 酰基谷氨酸 钠溶液，具有突出的发泡能力和稳泡力，常可与其它表面活性剂复配，具有协同增效作 用。另外，以谷氨酸作为单体合成的聚谷氨酸是一种出色的环保塑料，可用于食品包装、 一次性餐具及其它工业用途，可在自然界迅速降解，不污染环境。 在医药行业，谷氨酸还可用于医药，因为谷氨酸是构成蛋白质的氨基酸之一，虽然 它不是人体必须的氨基酸，但它可作为碳氮营养与机体代谢，有较高的营养价值。谷氨 酸被人体的吸收后，易与血氨形成谷酰氨，能解除代谢过程中氨的毒害作用，因而能预 防和治疗肝昏迷，保护肝脏，是肝脏疾病患者的辅助药物。脑组织只能氧化谷氨酸，而 不能氧化其它氨基酸，故谷酰胺可作为脑组织的能量物质，改进维持大脑机能。谷氨酸 作为神经中枢及大脑皮质的补剂，对于治疗脑震荡或神经损伤、癫痫以及对弱智儿童均 有一定疗效。用谷氨酸制成的成药有药用谷氨酸内服片，谷氨酸钠( 钾) 注射液，谷氨 酸钙注射液，乙酰谷氨酸注射液等。 1 2 自动控制技术的理论与应用 1 2 1 自动控制与自动控制系统 所谓自动控制，就是在脱离人的直接干预，利用控制装置使被控对象( 如设备、生 产过程等) 的工作状态或简称被控量( 如温度、压力、流量、速度、p h 值等) 按照预 定的规律运行。自动控制，作为一种技术手段已经广泛地应用于工业、农业、国防乃至 日常生活和社会科学等许多领域。将该理论与发酵工业相结合，可以降低劳动力成本、 提高生产效率、减少人为因素对发酵产品造成的质量影响。 把实现自动控制所需的各个部件按一定的规律组合起来，去控制被控对象，这个组 合体系叫做“控制系统”。自动控制系统的种类较多，被控制物理量有各种各样，如温 度、压力、流量、电压、转速、位移和力等。组成这些系统的原、部件虽然有较大的差 第一章引言 异，但是系统的基本结构却相同，且一般都是通过机械、电气、液压等方法来代替人工。 控制系统可以从不同的角度进行分类，下面介绍四种常用的分类方法。 1 2 2 开环控制系统与反馈控制系统 如果系统的输出量没有与其设定的输入相比较，即系统的输出与输入量之间不存在 着回馈的通道，这种控制方式叫做开环控制。这种控制系统的特点是结构简单、所用的 元器件少、成本低。然而，由于该控制系统既不要对被控制量进行检测，更无法将被控 量回馈到系统的输入端与设定的控制水平相比较，所以当系统受到外部干扰作用后，被 控量只要稍稍偏离原有的平衡状态，系统就无法消除由此引起的控制误差，这也是开环 控制系统的一个“致命 缺点。正是这个缺点，大大限制了这种系统的应用范围。 若把系统的被控量回馈到它的输入端，并与设定输入相比较，这种控制方式叫做反 馈或闭回路控制。该控制系统的特点是：连续不断的对被控制量进行检测，把所测得的 值与设定输入进行比对，两者的误差信号经过回馈控制器的变换运算和放大器的放大 后，通过驱动执行组件，使被控量稳定在设定输入的附近。当有来自外部干扰信号的作 用时，该反馈控制系统能自动消除或削弱干扰信号对被控制量的影响。由于反馈控制系 统具有良好的抗扰动功能，因而它在控制工程中得到了广泛的应用。 1 2 3 线性控制系统和非线性控制系统 如果控制系统的输入和输出特性具有线性关系，则该系统为线性( 控制) 系统。这 种系统的输入与输出间的关系，一般用线性常微分方程式( 组) 或拉普拉斯域上的传递 函数的形式来描述。线性系统的主要特点是具有齐次性和适用迭加原理。如果线性系统 中的参数不随时间而变化，则称为线性定常系统；反之，则称为线性时变系统。 如果控制系统的输入和输出响应特性不具有线性关系，则称该系统为非线性控制系 统。非线性系统一般不具有齐次性，也不适用迭加原理，而且它的输出响应和稳定性与 其初始状态有很大的关系。严格地说，绝对的线性控制系统( 或组件) 是不存在的，因 为所有的物理系统和组件在不同的程度上都具有非线性特性。为了简化对系统的分析和 设计，在一定的条件下，可以对某些非线性特性作线性化处理。这样，非线性系统就近 似为线性系统，从而可以用分析线性系统的控制理论和方法对它进行研究。通常情况下， 生物反应( 发酵) 过程几乎全部都是非线性系统，其输入( 流加速度、搅拌速度等) 与 输出( 底物浓度、溶解氧浓度d o 等) 之间的响应关系都是非线性的。 1 2 4 恒值控制系统和随动控制系统 恒值控制系统的设定输入为常量，它要求被控变量在存在扰动的条件下尽快地、渐 进稳定地接近其控制水平( 设定输入) 。 随动控制系统的设定输入要随时间而变化，其变化曲线一般都是预先计算、设定好 的。随动控制系统也要求被控变量能够及时、平稳、准确地跟随设定输入信号的时间变 化。 江南人学硕+ 学位论文 1 2 5 连续控制系统和离散控制系统 控制系统中的各部分的信号若都是时间t 的连续函数，则称这类控制系统为连续控 制系统。在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间t 的离散信号，则称这种控制系 统为离散控制系统。 1 2 6 控制系统的性能 控制系统的性能一般从三个方面来评价，即稳定性、响应速度、稳态控制精度。 稳定性是对控制系统最基本的要求。所谓系统稳定，粗略地说，就是当系统受到扰 动作用后，系统的被控制量虽然偏离了原来的平衡状态，但通过实施适当的控制动作， 并经过一段时间后，如果系统仍能回到原有的平衡状态。 控制系统的设定输入发生变化后，被控变量一定要快速追踪上述变化，也就是说输 出对于输入变量变化的响应速度一定要快。由于发酵过程具有高度的复杂性和非线性特 征，除了个别情况( 如搅拌速度d o ) ，系统输出对于输入变量变化的响应速度均较慢， 有时甚至有严重的滞后现象，这也是发酵过程控制的难点之一。 系统稳态精度通常用它的稳态误差来表示。如果在参考输入信号作用下，当系统达 到稳态后，其稳定输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这 种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。系统在扰动信号作用下，其输 出必然偏离原平衡状态。由于系统自动调节的作用，其输出量会逐渐向原平衡状态方向 恢复。达到稳态后，系统的输出量若不能恢复到原平衡状态时的稳态值，所产生的差值 叫做扰动稳态误差。这种误差越小，表示系统抗扰动的能力越强，其稳态精度也越高。 1 3 基于人工神经网络( a n n ) 的智能故障诊断的发展趋势与研究现状 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，a n n ) ，一种模仿动物神经网络行为特征， 进行分布式并行信息处理的算法数学模型。这种网络依靠系统的复杂程度，通过调整内 部大量节点之间相互连接的关系，从而达到处理信息的目的。人工神经网络具有自学习 和自适应的能力，可以通过预先提供的一批相互对应的输入一输出数据，分析掌握两者 之间潜在的规律，最终根据这些规律，用新的输入资料来推算输出结果。人工神经网络 是人工智能的一个分支，具有如下的特点： ( 1 ) 学习能力。学习能力是神经网络具有智能的重要表现，即通过训练可抽象出 训练样本的主要特征，表现出强大的自适应能力。 ( 2 ) 分布式。在传统的串行运行体系计算机中，信息分布在独立的存储单元中， 任何部分内存的损坏都将导致整个信息的无效。而在神经网络中，信息则分散分布在神 经元的连接上，单个的连接权值和神经元都没有多大的用途，但它们组合起来，就能从 宏观上反映出一定的信息特征。对个别神经元和连接权值的损坏，并不会对信息特征造 成太大的影响，表现了神经网络强大的鲁棒性( 受干扰时自动稳定的特性) 和容错能力。 再输入信号受到一定干扰时，输出也不会有较大的畸变。神经网络的信息分布特征，还 使通过训练的神经网络具有强大的联想能力。 4 第一章引言 ( 3 ) 并行性。神经网络是对人脑结构和功能的模拟，但更偏重对结构的模拟。各 种神经元在处理信息时是各自独立的，它们分别接受输入，作用后产生输出。这种并行 计算的处理，使得它有可能用于适时快速处理信息，成为下一代智能计算机的基础。 ( 4 ) 非线性。神经网络可有效地实现输入空间到输出空间的非线性映像。寻求输 入到输出间的非线性关系模型，是工程界普遍面临的问题。对大部分无模型的非线性系 统，神经网络都能很好的模拟。因此，神经网络成为非线性系统研究的重要工具。从上 面几点可以看出，神经网络的优点，也正是传统的基于串行计算机的符号运算推理难以 实现的。因此，神经网络受到重视是必然的。 人工神经网络用于故障诊断起源于8 0 年代末期。1 9 8 9 年美国珀杜大学的v e n k a t v e n k a t a s u b r a m a m i a n 和k i n gc h a n 等人将人工神经网络用于故障诊断中，他们诊断的是 一个流化态催化裂化单元的故障，确定了1 8 种征兆和1 3 种故障类型，隐层有5 至2 7 个结点。所用的算法是反向传播算法，获得了较理想的结果，它能正确地确定9 4 至 9 8 的故障原因。同年，日本庆应义塾大学的k a j i r o 、w 兰t t a n a b e 等人将神经网络用于诊 断化工过程的初期故障，他们认为人工神经网络通过联想记忆有学习和存储故障信息的 能力，并且具有联想诊断过程故障的能力。美国德克萨斯大学的h o s k i n s 和h i m m e l b l a u 等人应用人工神经网络进行故障诊断是采用连续变量作为输入，诊断对象是三个等温连 续搅拌釜反应器，可以识别6 种可能的故障。y a o 和z a f i r i o u 等人进一步扩展了这种采 用人工神经网络的故障检测方法，他们采用的是所谓的局部局域网络，并展示了一种去 除网络多余节点，提高效率的方法。1 9 9 0 年美国宾夕法尼亚大学的u n g a r 等人探索了采 用自适应人工神经网络进行故障诊断和过程控制。自适应人工神经网络可用于故障识别 系统，采用基于w i d r o w - h o f f 规则的b p 算法，以连接强度表示输入( 报警和传感器测 量结果) 和输出( 故障、传感器故障或控制系统故障) 之间的关系。这个系统是一个能 够像线性相关性一样学习非线性和逻辑关系的模式识别器。对一个小模拟化工厂进行诊 断，用加入了噪声的定性( 报警) 和定量( 传感器) 数据进行网络学习，非线性网络学 习的重要性在于要求有足够灵敏度和特征数据和优化报警阈值问题。1 9 9 1 年北卡罗来纳 州立大学的m c h o w 和s o y e e 等人用人工神经网络对交流感应电动机进行了故障 诊断。f a n 等人将人工神经网络用于化工过程故障诊断，在传统的b p 网络的输入层中 加入一定量的功能单元使其得到加强，这个技术大大地加强了神经网络表示复杂线性关 系的能力并且能够同时诊断以及确定它们的程度。1 9 9 4 年k a j i r ow a t a n a b e 等人用混合 神经网络诊断多故障。2 0 0 3 年b 。s a m a n t a 和k r a 1 b a l u s h i 将人工神经网络用于滚动轴 承的故障诊断。2 0 0 3 年f a r z a n a m i n i a n ，m e h r a n a m i n i a n 将人工神经网络用于实际电路 的故障诊断。2 0 0 4 年b s y a n g 和t h a n 等人将人工神经网络用于旋转着机械的故障诊 断。 5 江南火学硕士学位论文 1 4 自适应控制 1 4 1 自适应控制概念 在日常生活中，所谓自适应是指生物能改变自己的习性以适应新的环境的一种 特征。因此，直观地说，自适应控制器应当是这样一种控制器，它能修正自己的特 性以适应对象和扰动的动态特性的变化。 自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的“不确定 性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素 和随机因素。 任何一个实际系统都具有不同程度的不确定性，这些不确定性有时表现在系统 内部，有时表现在系统的外部。从系统内部来讲，描述被控对象的数学模型的结构 和参数，设计者事先并不一定能准确知道。作为外部环境对系统的影响，可以等效 地用许多扰动来表示。这些扰动通常是不可预测的。此外，还有一些测量时产生的 不确定因素进入系统。面对这些客观存在的各式各样的不确定性，如何设计适当的 控制作用，使得某一指定的性能指针达到并保持最优或者近似最优，这就是自适应 控制所要研究解决的问题。 自适应控制和常规的回馈控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不 同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运 行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。具体地说，可以依据对象 的输入输出数据，不断地辨识模型参数，这个过程称为系统的在线辩识。随着生产 过程的不断进行，通过在线辩识，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际。既 然模型在不断的改进，显然，基于这种模型综合出来的控制作用也将随之不断的改 进。在这个意义下，控制系统具有一定的适应能力。比如说，当系统在设计阶段， 由于对象特性的初始信息比较缺乏，系统在刚开始投入运行时可能性能不理想，但 是只要经过一段时间的运行，通过在线辨识和控制以后，控制系统逐渐适应，最终 将自身调整到一个满意的工作状态。再比如某些控制对象，其特性可能在运行过程 中要发生较大的变化，但通过在线辨识和改变控制器参数，系统也能逐渐适应。 常规的回馈控制系统对于系统内部特性的变化和外部扰动的影响都具有一定 的抑制能力，但是由于控制器参数是固定的，所以当系统内部特性变化或者外部扰 动的变化幅度很大时，系统的性能常常会大幅度下降，甚至是不稳定。所以对那些 对象特性或扰动特性变化范围很大，同时又要求经常保持高性能指针的一类系统， 采取自适应控制是合适的。但是同时也应当指出，自适应控制比常规回馈控制要复 杂，成本也高，因此只是在用常规回馈控制达不到所期望的性能时，才会考虑采用。 1 4 2 自适应控制历史及研究进展 在5 0 年代末、由于飞行控制的需要、美国麻省理工学院( m i t ) 怀特克教授( w h i t e k e r ) 首先提出飞机自动驾驶仪的模型参考自适应控制方案，称为m i t 方案。在该方案中采 用局部参数优化理论设计自适应控制规律，这一方案没有得到实际应用，用局部参数优 6 第一章引言 化方法设计模型参考自适应系统，还需检验其稳定性，这就限制了这一方法的应用。在 1 9 6 6 年德国学者帕克斯( p c p a r k s ) 提出采用李雅普诺夫( a m l i a p u n o v ) 第二法来推导自 适应算法，以保证自适应系统全局渐近稳定。在用被控对象的输入输出构成自适应规律 时，在自适应规律中包含输入和输出的各阶导数，这就降低了自适应对于扰的抑制能力。 为了避免这一缺点，印度学者纳朗特兰s n a r e n d r a ) 和其它学者提出各自的不同方案。 罗马尼亚学者波波夫m p o p o v ) 在1 9 6 3 年提出超稳定性理论，法国学者兰道把超稳定 性理论应用到模型参考自适应控制中来。用超稳定性理论设计的模型参考自适应系统是 全局渐近稳定的。 自校正调节器是1 9 7 3 年由瑞典学者阿斯特罗姆( k j a s t r o m ) $ 1 威特马( w i t t e n m a r k ) 首先提出来的。1 9 7 5 年克拉开( d w c l a r k ) 等提出自校正控制器。l9 7 9 年韦尔斯特德 ( p e w e l l s t e a d ) 和阿斯特罗姆提出极点配置自校正调节器和伺服系统的设计方案。 自适应控制经过3 0 多年的发展，无论在理论上或在应用上都取得了很大的进展。 近1 0 多年来，由于计算机的迅速发展，特别是微处理机的广泛普及，为自适应控制的 实际应用创造了有利条件。自适应控制在飞行控制、卫星跟踪望远镜的控制、大型油轮 的控制、电力拖动、造纸和水泥配料等方面的控制中得到应用。利用自适应控制能够解 决一些常规的回馈控制所不能解决的复杂控制问题，能大幅度地提高系统的稳态精度和 跟踪精度。 2 0 0 4 年，w a n gx s 和s uc y 等将鲁棒自适应控制用于一类具有未知死区的非线性 系统。2 0 0 5 年，t a rj k 和b e n c s i k a l 将自适应控制应用于软算法和分数阶微分的整合。 2 0 0 8 年z i t ai t a s o o n s 和g c r r i ts t r a t e n 等将自适应控制用于分批补料发酵。 1 5 立题意义与研究内容 1 5 1 立题意义 谷氨酸是世界上产量最大的氨基酸，也是最重要的调味品，是我国最主要的大宗发 酵产品之一。2 0 0 6 年立项的“十一五 国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) ，把谷 氨酸发酵的过程优化控制技术作为大宗发酵产品先进发酵工艺技术重点项目 的一部分开展研发。我国是味精生产大国，年产1 3 0 万吨以上，居世界第一位。但是， 与国外相比，技术装备还相对落后，主要体现在产酸率和糖酸转化率还较低，发酵生产 自动化程度低、发酵故障时有出现、发酵指标波动性大等方面。谷氨酸发酵离不开外部 碳源的不断提供，补料( 流加葡萄糖) 操作是谷氨酸发酵过程中重要的操作。谷氨酸发 酵过程中，应尽量控制葡萄糖浓度于相对恒定水平，避免糖浓度的剧烈波动和相应的渗 透压变化，以保证发酵平稳进行。由于生物传感器技术不成熟、价格昂贵等方面的原因， 在工业生产中无法实现葡萄糖浓度的在线监测。糖浓度的控制只能依靠离线测定和间歇 式补料操作来完成，这必然会造成糖浓度的巨大波动，不利于谷氨酸的高产。因此，研 究和开发有效的谷氨酸发酵过程的葡萄糖浓度控制系统，提高发酵产酸和糖酸转化率， 稳定发酵指标，具有理论和实用价值。 7 江南大学硕士学位论文 1 5 2 研究内容 本研究以计算机控制程序的设计和编写为主线，以谷氨酸发酵过程糖浓度控制为研 究对象，以提高谷氨酸产酸水平和尽量减少糖流加操作故障为目标，构建了一个配有故 障诊断功能的葡萄糖自动流加控制系统，为与其他同学共同开展谷氨酸发酵过程整体优 化的系统性研究提供有效的工具和平台。 具体的研究内容如下： ( 1 ) 以产酸期耗氨量与耗糖量、耗氧量与耗糖量的关系为依据，分别构建了“基于在 线计量氨耗的葡萄糖自动流加控制系统 和“基于在线计量耗氧量的葡萄糖自动流加控 制系统”，并分别对它们的控制性能进行了实验验证。为其他同学的相关研究提供了软 件和硬件支撑。 ( 2 ) 利用发酵实验数据，构建了一个基于b p 神经网络模型的、快速在线故障诊断系 统。 ( 3 ) 结合故障诊断系统与葡萄糖自动流加控制，构建了配有故障诊断和排除功能的 葡萄糖浓度在线自适应控制系统，为进一步开展低葡萄糖浓度条件下的发酵性能强化研 究提供物质准备。 8 第二章实验材料与方法 第二章实验材料与方法 2 1 实验材料 2 。1 1 菌种 谷氨酸棒杆菌( c o r y n e b a c t e r i u mg u l u t a m i c u m ) $ 9 1 1 4 ，本实验室保藏菌株。 2 1 2 实验试剂 牛肉膏 b r国药集团化学试剂有限公司 蛋白胨 a rb i ob a s i ci n c 氯化钠a r国药集团化学试剂有限公司 氢氧化钠 a r国药集团化学试剂有限公司 硫酸 a r 国药集团化学试剂有限公司 亚硫酸钠a r国药集团化学试剂有限公司 硫酸锰 a r国药集团化学试剂有限公司 磷酸氢二钾 a r 国药集团化学试剂有限公司 硫酸镁 a r国药集团化学试剂有限公司 食用葡萄糖 山东西王糖业有限公司 硫酸镁 a r国药集团化学试剂有限公司 生物素 a r国药集团化学试剂有限公司 硫酸亚铁 a r 国药集团化学试剂有限公司 硫酸锰 a r国药集团化学试剂有限公司 磷酸二氢钾 a r国药集团化学试剂有限公司 尿素 a r 国药集团化学试剂有限公司 氨水 a r国药集团化学试剂有限公司 琼脂 b r国药集团化学试剂有限公司 玉米浆山东菱花味精厂生产用 2 1 3 实验设备 电子天平 u v 2 1 0 0 分光光度计 s b a - 4 0 c 生物传感分析仪 回转式恒温调速摇床 隔水式电热恒温培养箱 l s b 5 0 l 立式压力蒸汽灭菌器 s w - c j 1 f 超净工作台 上海海康电子仪器厂 尤尼可( 上海) 仪器有限公司 山东省科学院生物研究所 上海欣蕊自动化设备有限公司 上海光都仪器设备有限公司 上海华线医用核子仪器有限公司 苏州安泰空气技术有限公司 9 江南人学硕士学位论文 k l m 2 0 0 0 a 尾气分析仪 g u j s 1 0 型发酵罐 工控机 c l 8 1 2 p g 型多通道采集卡 b t 0 0 5 0 m 程序可调式蠕动泵 2 2 实验方法 2 2 1 培养基 韩国l o k a s 公司 镇江东方生物工程设备公司 无锡同建公司 台湾研华公司 保定兰格公司 无糖斜面培养基( g 1 0 0 m 1 ) - 牛肉膏1 0 ，蛋白胨1 0 ，氯化钠0 5 ，琼脂2 0 ，p h 7 o 。 有糖斜面培养基( g 1 0 0 m 1 ) ：葡萄糖o 1 ，牛肉膏1 0 ，蛋白胨1 0 ，氯化钠0 5 ， 琼脂2 0 ，p h7 0 。 种子培养基( l ) ：c 6 h 1 2 0 62 5 ，k e h p 0 41 5 ，玉米浆4 0 ，f e s 0 45 x 1 0 。，m n s 0 4 5 1 0 一，尿素2 5 ( 单独灭菌加入) ，p h7 0 7 2 。 发酵培养基( l ) ：c 6 h 1 2 0 68 0 ，k 2 h p 0 41 5 ，玉米浆5 ，m g s 0 4o 8 ，尿素5 5 ， m n s 0 42 x 1 0 一，f e s 0 42 x 1 0 。3 ，硫胺素5 x 1 0 ，生物素3 x 1 0 石，p h7 0 7 2 。 2 2 2 发酵和过程控制条件 种子培养条件：将活化斜面的菌落用生理盐水洗下，并打散成均匀的菌悬液。将菌 悬液接入种子培养基中，在3 2 0 c 、2 0 0r m i n 条件下培养8h ，镜检细胞正常无杂菌。上 罐发酵条件：1 0 l 发酵罐中，发酵温度初期、中期和后期分别控制在3 2 、3 4 和3 6 0 c 。 通过调节搅拌转速，溶氧浓度d o 控制在1 0 5 0 的水平。自动添加2 5 ( w v ) 氨水将 p h 控制在7 1 4 - 0 1 的水平。补料液为5 0 ( w v ) 的葡萄糖溶液。常规数据( d o 、p h 等) 通过r s 2 3 2 电缆与工控机在线通信连接。使用上海海康电子仪器厂j a l l 0 2 型电子 天平测量氨水添加量，并通过a i d 转换器与工控机通信。工控机通过d a 转换卡，按 照预先设定好的程序，带动程序可调式蠕动泵进行葡萄糖流加。 2 2 3 离线参数测定 葡萄糖、谷氨酸的浓度由s b a 4 0 b 生物传感仪( 山东省科学院生物研究所产) 测 定，菌体浓度( o d 6 2 0 ) 用分光光度计以去离子水为参比，在6 2 0 n m 波长下测定。 1 0 第三章结果与讨论 第三章结果与讨论 3 1 基于在线计量氨耗的葡萄糖自动流加控制系统 3 1 1 糖耗量与氨耗量关系的确定 谷氨酸发酵以葡萄糖为碳源、以氨水为氮和p h 调节剂。前期的实验结果发现：谷 氨酸发酵产酸期，无论溶氧、温度、底物流加模式等控制条件如何，葡萄糖消耗量与氨 消耗量之间存在着很好的线性关系，这就为在线计量氨耗，进而间接计算推定葡萄糖浓 度、并对其实施控制奠定了基础条件。4 个不同批次发酵的糖耗和氨耗关系如图3 1 所 示。 10 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 05 010 015 0 氨消耗量( g ) 图3 - 1 ，四批正常发酵产酸期氨消耗量与葡萄糖消耗量的关系 f i g 3 - 1 ，r e l a t i o n s h i pb e t w e e na m m o n i ac o n s u m p t i o na m o u n ta n dg l u c o s ec