[发明专利]柱分离过程的动态优化控制方法

说明书

本发明属于分离技术领域，涉及一种柱分离过程的动态优化控制方法。

1941年发展的塔板理论是当代分离科学的基石，它引入理论塔板高度作为其度量分离效果的标尺，采取流体力学的Euler描述方法。这些特征规定了在柱分离实践上只能采用单段决策和反复试验法。60年来分离科学所依赖的背景学科已发生巨大变革，如非平衡热力学，现代控制科学，系统科学，信息科学，以及近年迅猛发展的非线性科学，计算机仿真科学和互联网技术。从上述横断学科的视角重新审视当代分离科学体系时，可发现：

1).用塔板数、峰容量、分离度和色谱分离度统计量等参数表征分离效果(J.C.Giddings，Unified Separation Science，Wiley-Interscience，NewYork，1991；P.H.Lukulay，V.L.McGuffin，Anal.Chem.1997，69，2963-2971)。它们都是以溶质分布的峰宽为测量尺度，故不可能表征测量尺度(峰宽)内溶质分布的不均匀性对实际分离效果的影响，丢失了溶质空间分布不均匀这一分形特性；

2).采用了流体力学中的Euler方法描述柱色谱过程(A.J.P.Martin，R.L.M.Synge，Biochem.J.，1941，25，1358-1368)，该特征是把整个分离路径(空间)等分成空间微元(这与理论塔板高度的概念是类似的)，以便考查各空间微元中溶质分布概率随时间的演化。这在描述时变外力场对溶质带演化影响时就遇到了困难，因为在时变外力场中每个空间微元对溶质带演化的贡献是不同的，理论板高在不同的时间-空间微元中为不同值，而在同一测量过程原则上是不可以采用一系列不同测量尺度，故在时变外力场作用下的柱分离过程(如梯度洗脱)中谈塔板的概念是没有实在物理意义的；

3).采用以峰宽为测量尺度的参数就等于接受对分离过程只能应用于控制科学中的单段决策(静态优化)方法(J.J.Van Deemter，F.J.Zuiderweg，A.Klinkenberg，Chem.Eng.Sci.，1956，5，271-289)的事实。这相当于现行分离科学体系仅‘优化’普通炮弹的初速度，而不是象弹道导弹那样实时地控制导弹飞行过程的速度(多段决策)。弹道导弹的命中率高于普通炮弹，其原因就在于对导弹运动进行实时最优化反馈控制；

4).在梯度洗脱、程序升温和变电压电泳等分离过程的关键参数优化中，分离科学家总是从一种操作参数的几个时间序列模式中，选择较好的一个。这使当代分离科学体系在试图找到最优分离操作方案时遇到了困难。要从决策变量值和分离时间所构成的遍历相平面中选择出最优决策时间序列(一条线)，采用反复试验法成功的概率几乎为零。因为若把整个分离过程分为N个阶段，其允许决策变量空间包含M个元素，则通过n个不同的决策序列获得最优决策序列的概率为P，P＝n/M^N-1。若令N＝M＝40和n＝10，则P＝10/40^40-1≈0。故不可能采用反复试验法获得最优决策序列。

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种动态优化控制柱分离过程的方法，以促使分离仪器(如高效液相色谱，毛细管电泳等)的控制操作平台向数据化，信息化和智能化方向转化。

分离过程的物理学本质是在考察时变(时不变仅是时变的一种特例)外加力场(如重力场、电场、化学势场和温度梯度等)对溶质系统(复杂系统)演化过程的影响。仅仅是当把分离看成是一种艺术(最好是一项工程)时，希望获得一种分离操作的最优时间序列，在给定的边界条件下，使完成指定分离任务所花费的时间最短。所以，只好把视野扩展到考察时变外加力场对复杂系统演化的影响上来。在分离过程中，物质、能量和动量都是守恒的，而只有溶质系统的信息量(混合熵)是非守恒的。Maxwell妖砸碎了分离科学家仅采用经典动力学描述分离过程的梦想。Prigogine把不可逆性引入到牛顿动力学和量子力学的基本框架中。Wiener在创立控制论时明确指出可以从状态反馈中获得信息。这些都为超越当代分离科学体系提供了坚实的背景科学基础。目前数字化生存环境又为实现从真实空间向虚拟空间映射提供了良好的硬件条件。我们提出和发展的非平衡热力学分离理论(NTST)(J.Chromatogr.A，1999，841，133-146；J.Chromatogr.A，1998，828，.3-17；J.Chromalogr.A，1997，763，237-251)突破了当代分离科学体系的上述特征。这体现在：