一类微生物连续发酵非线性动力系统参数辨识与最优控制

【摘要】本文以克雷伯氏杆菌歧化甘油生产1,3-丙二醇(简记为1,3-PD)实际问题为背景，基于生物鲁棒性，研究了连续发酵模式参数辨识与产物优化模型.证明了解的性质，并基于并行原理，构造了并行优化算法，对实际发酵过程进行数值模拟和求解，数值结果为1,3-丙二醇实验研究提供新的依据和参考.取得的主要结果可概括如下:1、针对流加速率和甘油流加浓度为常值优化变量情形，考虑了1,3-PD的产物优化模型.考虑到模型中部分系统参数随流加速率和甘油流加浓度发生变化，我们针对含有未知参数的非线性动力系统，借鉴生物鲁棒性思想，给出了反映各物质浓度变化的鲁棒性指标定义.为最大化产物浓度，以稳态时刻产物1,3-PD浓度最大为目标，以鲁棒性指标和系统稳态为约束条件，得到了一个参数选择优化模型.依据系统的性质，证明了模型最优解的存在性.为寻找最优的流加速率和甘油流加浓度，构造了并行粒子群参数选择算法(PPSO-OPSA).数值结果表明，以得到的最优解为流加策略，相比已有的实验结果可以显著提高稳态时刻1,3-PD浓度，同时，得到的最优参数使系统具有很好的鲁棒性.2、针对流加速率和甘油流加浓度时变情形，进一步考虑1,3-PD的产物优化问题.在上述工作的基础上，重新给出鲁棒性指标定义.为优化产物浓度，以稳态时刻产物1,3-PD浓度最大为目标，以鲁棒性指标和系统稳态为约束条件，构造了一个最优控制模型.证明了系统及其解的部分性质，并讨论了最优控制模型解的存在性.基于控制参数化方法，构造了求解该问题的数值算法.数值结果验证了方法的可行性.该方法可为实验研究提供新的模式和优化策略.
【作者】蒋广茂；
【导师】翟金刚；
【作者基本信息】鲁东大学，运筹学与控制论，2014，硕士
【关键词】连续发酵；1,3-丙二醇；生物鲁棒性；最优控制；控制参数化；

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