[发明专利]一种基于ARMAX建模的培养基蒸汽喷射灭菌节能控制方法

说明书

技术领域

本发明属于生物控制技术领域，具体涉及一种基于ARMAX建模的培养基蒸汽喷射灭菌节能控制方法。

背景技术

生物制药是利用微生物的代谢作用产生药物成分，对代谢后的微生物和培养基混合物进行提纯后获取有效成分的过程。在生物制药流程中，对培养基的消毒灭菌是不可缺少的一个环节。杀灭培养基中的杂菌，可使目标细菌在发酵中处在无其他微生物干扰的环境中，避免对培养基营养物质的竞争和对目标微生物代谢过程的干扰，因而消毒灭菌是发酵成功的基础。常见的培养基灭菌方法是用蒸汽直接加热灭菌，又分为实罐灭菌和连续灭菌。实罐灭菌是指将蒸汽直接通入到装有培养基的料罐中进行灭菌，连续灭菌是指使用蒸汽喷射器，在喷射器中完成蒸汽喷射培养基加热灭菌的方式。相比于实罐灭菌，连续灭菌对培养基加热灭菌效果更彻底，效率更高，对生产过程的连续性更为支持，因而成为灭菌方法的发展趋势。但连续灭菌，即使用喷射器对培养基进行蒸汽喷射加热灭菌的方式控制系统较为复杂，该过程控制需要有效的控制策略以达到控制效果。灭菌过程控制以培养基被蒸汽喷射加热后在喷射器出口处的温度控制精度为技术指标，同时需要处理在灭菌过程中多个系统扰动量的影响。在蒸汽喷射灭菌控制系统中，控制量输入为喷射器蒸汽管路上的阀门开度，输出为培养基在加热灭菌后在喷射器出口处的温度，扰动量有培养基在设备管路中的流速，培养基在喷射器入口处的温度及蒸汽温度。在实际生产中，扰动量的干扰作用十分明显，而多个环节亦容易使扰动量发生变化，如生产用蒸汽在温度和压力上存在的扰动，多个车间和生产环节对蒸汽管路的共用对蒸汽质量的干扰，不同批次培养基在不同物料罐中的成分配比和温度的不同，灭菌设备和管路对培养基流速的影响等等，使得灭菌控制过程面临难题，而多个扰动的存在，也使建立被控对象的精确模型进而进行系统分析的方法难以实现。

此外，培养基灭菌过程大量使用蒸汽，蒸汽成本成为发酵过程中除电力和物料之外的重要部分，常规方法为达到灭菌目的，往往开大蒸汽管路阀门，加大蒸汽使用量以确保灭菌的彻底，甚至有蒸汽使用过多而加热过度，造成培养基营养成分被破环的现象。因此，如何设计灭菌控制策略，如何使灭菌目标与节能目标达成配合，在达到灭菌目的，提高灭菌控制精度的同时，节约蒸汽使用量，降低生产成本，成为生物制药实际生产中面临的问题。

在过程控制领域中，预测控制以其良好的控制效果在多种过程控制应用中得以实现。该控制方法自上世纪七十年代被提出，至今仍在工业过程控制中发挥重要作用。以动态矩阵为特征的动态矩阵控制是预测控制的一种，该控制方法基于工业过程采样数据建立控制对象逼近模型，并根据所建立模型获取过程参数的阶跃响应，形成动态矩阵并完成控制过程。该方法可避免工业过程的精确建模困难，同时以其滚动优化的方式进行计算，并可在控制量的计算中加入约束，可改善控制效果，提高过程控制精度。在本发明中，通过分析控制过程对蒸汽使用量的影响，在控制策略中加入对蒸汽使用量的优化约束，使控制过程具备优化蒸汽使用量的作用，配合控制精度目标，使得灭菌控制过程更具节能效果，可降低生产成本，提高经济效益。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于ARMAX(外部输入自回归滑动模型)建模的培养基蒸汽喷射灭菌节能控制方法，其控制指标是培养基即物料和蒸汽混合后在喷射器出口出的温度精度，以蒸汽流量，在本发明中体现为蒸汽管路上的阀门开度为控制量，并加入对系统扰动量的分析，实现对培养基蒸汽喷射灭菌温度的精确控制。

为了达到上述发明目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于ARMAX建模的培养基蒸汽喷射灭菌节能控制方法，包括如下步骤：

步骤1：利用培养基蒸汽灭菌过程数据，建立灭菌过程ARMAX模型

首先收集工业运行现场培养基蒸汽灭菌过程数据，通过对过程数据进行分析，找到灭菌过程所涉及到的过程参数，并确定该控制系统的输入、输出及扰动量，由此确定灭菌控制系统的模型结构；经分析，系统输入为用于加热培养基的蒸汽的单位流量，在实际运行中表现为喷射器(即蒸汽和培养基完成混合过程的设备)蒸汽入口管路的阀门开度，系统输出为喷射器出口温度，即蒸汽和培养基混合后的温度，系统扰动量有：培养基在喷射器入口处温度，培养基流动速度，喷射器入口处蒸汽温度；本发明中采用建模的模型结构为ARMAX模型，结合灭菌过程的参数及个数，其形式如下：