酒精发酵过程中关键变量的辩识研究

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1、第一章绪论第一章绪论随着现代科学事业的不断发展，酒精的应用范围越来越广泛，它是许多化工产品不可缺少的基本原料。酒精被广泛应用于食品、化工、医药、染料、国防等行业。酒精不仅可作为一种燃料，更是一种战略物资；不仅可以促进农业的可持续发展，并且可以作为清洁能源代替汽油或汽油添加剂，减少工业大气污染，保护环境，同时也可缓解原油进口的压力。随着自然资源开发的日渐减少，酒精作为绿色资源永不褪色，它的用途将更为广泛。所以，对酒精发酵过程中关键参数的辨识与控制研究，对发酵过程的优化与控制，对提高企业的经济效益和竞争力，对提高社会的生产力具有巨大的推动作用。因此，本课题的研究具有很现实的意义。§1.1课

2、题的背景、来源、目的和意义生化工业在国民生活和国民经济生产中的地位越来越重要。但由于生化过程的复杂性，它的闭环控制水平远远落后于其他工业生产过程[1–3]。因此，对这一工业领域的操作管理、测量控制、参数辩识及优化生长研究成为很重要的课题。在工业上，发酵泛指利用微生物制造或者生产某些产品的过程[4]，它包括厌氧培养的生长过程，如酒精、乳酸等，以及有氧培养的生长过程，如抗生素、氨基酸等。发酵过程是一种极其复杂的生化反应过程。自从人类酿造白酒以来，发酵工业的存在已经有数千年的历史。但是对发酵本质的认识和对发酵工业的建立却只是近百年的事。发酵过程不仅具有一般非线性系统的时变性、大惯性、关联性、

3、不确定性等特点，而且由于发酵过程中的一些重要的参数如生物质的浓度、产物的浓度等都不能进行在线测量，所以发酵过程比一般的非线性过程更加复杂[5]。近几十年来，发酵工业发展非常迅速，尤其是新的生化工程领域。随着二次代谢产物（抗生素）的生产、通过微生物或细胞的培养来获得有机物质（如类固醇）、工业污水的生物处理、酶制剂的生产等，使得发酵工业的发展更加迅速。随着许多成果从生化工业转化为工业产品，生化反应器及其系统显得更加重要，反应器的容积越来越庞大，为了能更好的生产[6]，需要对发酵过程中的参数进行很好的检测和控制，同时，随着自动控制技术和计算机技术的发展为该过程的参数测量、分析和控制提供了可能

4、。目前国内对于发酵过程的操作主要是凭借人们的实践经验来进行的，由于缺乏生化反应过程参数的测量、监视和控制系统，使得产品成本高、操作费用高，而且发酵过程的控制非常不准确，所以发酵过程的控制远远落后于其他非线性系统的控制。最近人们将计算机控制、智能控制应用在发酵过程中，对发酵过程的自动化水平有一定的提高，同时也相应地提高了发酵效率、降低了能耗，最重要的是对经济效益的提高。所以对发酵过程的关键的参数辩识研究，对智能控制研究具有很重要的指导意义。人工神经网络作为智能控制的一个发展方向，在很多方面都获得了成功的应用，–1–万方数据第一章绪论尤其是在非线性系统的建模和控制中，具有独特的优势，已广泛

5、应用于各行各业。将人工神经网络应用于发酵过程已屡见不鲜。但由于发酵过程是一个动态的过程，而常规的神经网络属于静态的网络，用静态的网络来建立动态过程的模型，缺点是无法从本质上来描述系统的动态特性。本论文在深入理解神经网络的基础上，深入学习了动态递归神经网络方法，针对发酵过程中pH值的动态特性，利用动态递归网络对pH值进行了辩识研究。常规动态递归网络在权值学习上采用的是梯度下降法，就不可避免地具有收敛速度慢和易陷入局部极小的缺点。本文通过在动态递归网络的权值学习算法中引入滤波项，不仅能解决常规网络在权值学习上的局限性，而且还能减小系统的振荡。最后通过该改进的动态递归网络与标准BP网络的pH

6、模型进行比较，验证了本文pH值建模的有效性，取得了不错的效果。本课题受国家自然科学基金项目（60572055）资助，项目名称为含有非平滑非线性的三明治动态系统辨识与预测。§1.2论文主要工作和结构本文以实验室的生物发酵过程研究项目为背景，以优化酒精发酵过程为目的，利用实验室自行设计的集散控制系统采集的pH值数据，采用动态递归网络对pH值进行辩识，达到了很好的效果，提高了实验的最终出酒率。本人在论文期间主要完成了以下几方面的工作：（1）从木薯酒精发酵实验工艺出发，对本文采用的酒精发酵工艺做了深一步的探讨，并采用正交实验的方法设计了木薯酒精发酵实验。利用最小二乘法辩识发酵过程的酒精度的统计

7、学模型的参数，从而获得发酵过程酒精度的统计学模型。应用该模型优化的参数水平进行实验，有效地提高了出酒率；（2）构建了由工控机（实验室由普通PC代替）和SIEMENSPLC构成的发酵过程两级计算机集散控制系统，包括控制柜的接线，下位机程序的编写，上位机监控系统的设计制作等工作。实现了对发酵设备运行的自动控制、过程参数的数据采集与监视、数据的分析与处理等功能，为后期对发酵过程关键参数的辩识与控制研究奠定了基础；（3）针对发酵过程关键参数pH值的动态