人工免疫在生物发酵过程温度控制中的应用研究

摘要

生物免疫系统具有多样性、分布性、免疫记忆性、鲁棒自适应性等特性，近年来正受到越来越多的关注，并逐渐成为继神经网络和进化算法之后的生物信息系统研究的又一热点。本文将免疫概念引入生物发酵温度自动控制领域，提出了基于免疫的控制策略。本文的具体内容如下： 1．课题简介分析了生物发酵过程的特点，着重阐述了现今发酵控制方案控制效果不理想的原因； 回顾了免疫的发展简史，简单介绍了免疫系统的术语、系统结构、系统功能，并总结了人工免疫工程在各个研究领域的应用现状。 2．免疫PID 控制器借鉴生物免疫响应调节机制提出了免疫PID 控制器。在免疫响应过程中，T 细胞在不同免疫响应阶段具有免疫促进和免疫抑制两种不同的作用，在类比控制系统动态响应过程和免疫响应过程的基础上，得到P 型免疫控制器的典型结构，再结合常规PID 控制器，提出了免疫PID 控制器的设计方法。详细研究了免疫PID 控制器各参数的作用，并设计了具体的误差参考函数来对不同控制参数下的控制性能进行衡量，比较了各种控制算法的优劣性。同时与常规PID 控制算法进行对比，仿真研究表明，免疫PID 控制器具有较快的响应速度和较小的超调，在系统发生外部扰动和模型参数变化时也能获得较满意的控制效果。 3．温度控制系统分析了FG-3000 控制系统的体系结构，详细介绍了温度控制系统的结构、控制方案，并根据阶跃响应数据，将过程模型确定为一阶积分滞后对象，把测试数据和该模型进行拟合，在拟合误差最小的情况下，求得温控模型。同时，把免疫PID 控制算法应用到该系统中，取得快速、精确、稳定的控制效果，相比于常规PID 控制算法，具有较快的响应速度，较小的超调。 4．利用免疫算法对生物发酵的温度进行自动控制根据生物发酵的过程、工艺曲线、工艺控制以及国内啤酒生产发酵过程的自动控制现状，分析了啤酒发酵控制算法的特性，在此基础上提出了免疫PID-PI 串级控制算法。 仿真研究表明，免疫PID-PI 串级控制器能够满足发酵工艺控制的严格要求，与常规PID控制器比较，有较好的系统性能。