[发明专利]一种基于特征模型的连续灭菌自适应双重控制器

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于生物制药生产过程连续灭菌自动控制系统的控制器，属于生物控制技术领域，具体地说，是指一种基于特征模型的连续灭菌自适应双重控制器。

背景技术

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，可以在不同的装置里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，蒸汽喷射器出口物料温度(简称为喷射器出口温度)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。

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。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于生物制药生产过程连续灭菌自动控制系统的自适应双重控制器，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。

本发明的技术目标是：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。具体技术解决方案是：以控制蒸汽喷射器蒸汽入口流量和物料入口流量的蒸汽阀门开度和物料阀门开度作为控制量，以蒸汽喷射器出口温度作为被控制量。整个系统为以蒸汽和物料流量控制为内环、以蒸汽喷射器出口温度控制为外环的内外环控制结构，并辅以双重控制分配策略以实现连消过程物料罐的无缝切换；采用双重控制分配策略以实现温度偏差的快速减小和生产效率的最大化；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。

本发明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。

本发明的优点在于：

(1)能够消除连续灭菌过程中影响较大的可测量(如蒸汽喷射器物料入口温度和流量)的影响。以特征模型为主要工具，重新组织了系统的输入输出关系，把经过蒸汽喷射器加热后物料的温度变化梯度作为状态变量，把蒸汽和物料流量组合为一种统一的控制输入，并在不同阶段分别以物料流量和蒸汽流量作为一种主次控制量，消除了物料入口温度和物料流量等可测快变量的扰动。

(2)能够消除蒸汽和物料的变化较慢的物理参数的影响。通过用特征模型对系统进行重新描述，把变化较慢的物理参数(如比热、密度等)压缩到特征参量中，并利用在线辨识和全系数自适应控制方法，克服了慢变参数的影响。

(3)采用双重控制的策略，快速消除温度偏差，并使得生产效率最大化。充分利用物料流量对温度偏差影响大而蒸汽流量影响小的特点，在蒸汽喷射器出口温度偏差较大时以物料流量为主控制量消除大偏差，实现温度偏差的快速消除，在达到稳态时以蒸汽流量为主控制量消除小偏差，保证生产效率最大化。

(4)通过采用蒸汽和物料流量在不同条件下的分配策略，减小物料切换引起的扰动。