[发明专利]基于多传感器信息融合的发酵过程状态监测与控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及发酵过程监测与控制领域，具体地说，是一种基于多传感器信息融合的发酵过程状态监测与控制方法。

背景技术

生物发酵作为现代生物技术工业的重要组成部分，已被广泛用于食品、制药等各个领域。由于发酵过程是一种极其复杂的生化反应过程，不仅具有一般非线性系统的时变性、大惯性、关联性、不确定性等特点；另外，发酵过程中的一些重要过程状态参数（如生物量浓度、产物浓度和底物浓度等）均不可在线测量，所以发酵过程的监测与控制比一般的非线性系统更加复杂；且随着发酵规模的不断扩大，对其自动控制技术也提出了更高的要求。目前，对发酵过程良好的控制和优化操作，是建立在上述关键生物过程变量的准确测量基础之上，而这些关键过程变量的在线测量是相当困难的。所以，基于它们的优化控制实际上是很难实现的。虽然目前已试着努力开发有关在线传感器，但是可供使用的或具有好的性能可靠的仪器还是相当有限的。因此，研究一种快速便捷软仪表来对生物发酵过程控制所必需的变量信息进行间接测量，以实现对整个发酵过程的实时监测、优化控制及保证发酵产品品质等都有着直接的现实意义。

理论研究表明，机器视觉技术、近红外光谱技术和电子鼻技术可以用于生物发酵过程状态监测和关键参数的软测量。经专利检索表明，目前仅存在近红外光谱技术应用于液体发酵过程参数指标检测方面的国内相关专利；机器视觉和电子鼻技术在发酵（液体发酵和固体发酵）过程监测与控制上的应用还仅仅停留在实验室阶段，没有相关的专利文献；且在发酵领域中的应用所采用的都是单一技术或手段对发酵过程的某一个或多个关键参数指标的进行软测量，这样测量得到的参数指标信息具有片面性。反映发酵过程的状态信息指标是多方面的，而通过某种单一的检测手段往往不能全面地描述一个对象，只能反映其中的一个方面，这样必然会影响到软测量检测结果精度和稳定性，从而影响对其过程的优化控制。

发明内容

鉴于现有技术中单一传感器技术在发酵过程状态监测中存在的局限性，本发明的目的是提供一种基于多传感器信息融合的发酵过程状态监测与控制方法，能获得结果更全面，更客观的发酵过程信息，提高软测量检测结果的精度和稳定性，优化控制发酵进程。

本发明的目的是通过以下方案实现的：包括以下步骤：

（1）在线采集不同发酵批次、不同发酵时间、具有代表性的用于模型校正的发酵过程产物样本；

（2）对用于模型校正的发酵过程产物样本分别采用在线仪表、机器视觉、近红外光谱、电子鼻采集获取原始数据，同时进行常规理化分析获取生化参数指标；将经常规理化分析获取的生化参数指标结合在线仪表获取的理化过程参数指标共同组建一个标准数据库； 

（3）采用计算机对机器视觉、近红外光谱和电子鼻采集获取的原始数据信息分别进行预处理，再分别提取能表征发酵过程关键状态参数的各个有效特征信息；

（4）将各个有效特征信息组成特征向量，将特征向量分别与已建的所述标准数据库中的生化参数指标和理化过程参数指标进行一一对应，通过人工神经网络和支持向量机构建关键状态参数多传感器信息融合模型；

（5）采用机器视觉、近红外光谱和电子鼻分别在线采集待测发酵过程产物样本的相应数据信息，同时通过在线仪表直接测量得到实测结果；采用计算机对相应数据信息进行预处理和提取相应特征信息，并代入所述关键状态参数多传感器信息融合模型得到发酵过程关键状态参数的软测量值；

（6）将软测量值与实测结果进行软仪表诊断，依据诊断结果实时更新数据库，并对关键状态参数多传感器信息融合模型进行在线自适应修正，采用控制器根据软仪表诊断结果执行相应控制。

本发明的有益效果是：