劉輝, 趙忠蓋, 劉 飛
(江南大學(xué) 輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214122)
在發(fā)酵過程中,糖通常作為菌體生長的營養(yǎng)物質(zhì),是反應(yīng)發(fā)酵進(jìn)程的重要指標(biāo),因此需要對殘?zhí)琴|(zhì)量濃度進(jìn)行檢測[1]。目前,一些先進(jìn)的發(fā)酵過程采用生物傳感器(例如美國YSI公司的YSI系列葡萄糖分析儀、瑞典Chemel AB公司的SIRE系列的的葡萄糖分析儀等)進(jìn)行在線檢測殘?zhí)琴|(zhì)量濃度[2],但由于其生物活性酶膜材料難以承受高溫滅菌,且發(fā)酵罐內(nèi)環(huán)境復(fù)雜,影響檢測精度,因此需要將發(fā)酵液提取出來進(jìn)行稀釋、凈化等處理,使發(fā)酵液滿足生物傳感器的檢測條件。但是受流速、管道長度、體積等影響,提取過程緩慢,檢測值存在較大滯后[3],因此需要對殘?zhí)琴|(zhì)量濃度進(jìn)行在線預(yù)測。
目前大多數(shù)學(xué)者對殘?zhí)琴|(zhì)量濃度預(yù)測問題的研究是利用軟測量技術(shù),將一些在線可測變量(例如pH、DO、滯后的殘?zhí)琴|(zhì)量濃度等)來估計(jì)不可在線測量變量(例如殘?zhí)琴|(zhì)量濃度等)[4]?;跈C(jī)理模型的軟測量,能較為全面的反映過程的本質(zhì)[5],但由于發(fā)酵過程的高度復(fù)雜性,難以建立殘?zhí)琴|(zhì)量濃度的精確機(jī)理模型[6]。而基于數(shù)據(jù)建模的軟測量,通過樣本數(shù)據(jù)建立模型,進(jìn)而估計(jì)殘?zhí)琴|(zhì)量濃度,應(yīng)用廣泛[7-8],但這種數(shù)據(jù)建模過度依賴訓(xùn)練數(shù)據(jù),而發(fā)酵過程由于操作條件和環(huán)境等多因素影響,很難獲得重復(fù)性好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),因而建立的模型適用性不強(qiáng)。發(fā)酵工藝人員在長期的操作實(shí)踐中,積累了關(guān)于殘?zhí)琴|(zhì)量濃度預(yù)測的大量經(jīng)驗(yàn)知識,但這種以經(jīng)驗(yàn)知識為基礎(chǔ)的預(yù)測因人而異,預(yù)測效果差別很大。模糊預(yù)測算法則對經(jīng)驗(yàn)知識進(jìn)行總結(jié)并建立規(guī)則庫來描述對象變化的趨勢,在發(fā)酵過程中應(yīng)用廣泛[9-11]。
實(shí)際操作中,發(fā)酵工藝人員根據(jù)菌體生長耗糖的慣性特征,局部線性化殘?zhí)琴|(zhì)量濃度曲線,假設(shè)前一段時(shí)間發(fā)酵罐中耗糖質(zhì)量濃度變化量等于后一段時(shí)間的耗糖質(zhì)量濃度變化量,進(jìn)而設(shè)計(jì)了一種殘?zhí)琴|(zhì)量濃度的經(jīng)驗(yàn)估算算法,但是在殘?zhí)琴|(zhì)量濃度變化較大的情況下,前一段時(shí)間耗糖質(zhì)量濃度變化量并不等于后一段時(shí)間的耗糖質(zhì)量濃度變化量,因此估算效果不好,誤差較大。作者在分析和改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)估算算法之后,結(jié)合預(yù)測控制思想[12],采用反饋補(bǔ)償校正方式,提出了經(jīng)驗(yàn)估算改進(jìn)(即有補(bǔ)償)算法;此外,針對工藝人員的殘?zhí)琴|(zhì)量濃度估算模型的不準(zhǔn)確性,結(jié)合模糊智能技術(shù)[13],進(jìn)行模糊模擬,分別研究了模糊預(yù)測無補(bǔ)償以及模糊預(yù)測有補(bǔ)償,最后分別對上述4種算法進(jìn)行仿真和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對比,為滯后檢測的殘?zhí)琴|(zhì)量濃度估算提供了新途徑。
菌體發(fā)酵補(bǔ)糖控制的工藝流程見如圖1。粗線為管道,細(xì)線表示通信線,箭頭表示信號或溶液的傳送方向。通過恒流泵1提取發(fā)酵液,恒流泵2連接純凈水,兩股液體按照一定的比例,在混合器中充分混合稀釋,送入檢測儀器進(jìn)行在線檢測,通過滯后檢測值估算罐中殘?zhí)侵?,并將罐中殘?zhí)侵邓腿隤C機(jī),PC機(jī)控制蠕動(dòng)泵的開度,實(shí)現(xiàn)向發(fā)酵罐的補(bǔ)糖。發(fā)酵過程中,流加和發(fā)酵液的損失同時(shí)存在,為簡化計(jì)算,假定補(bǔ)料前后發(fā)酵罐中發(fā)酵液的體積不變,設(shè)定滯后時(shí)間為 td,采樣時(shí)間為 t,且 td=q*t,(q=1,2,3…)。
圖1 菌體發(fā)酵補(bǔ)糖控制的工藝流程圖Fig.1 Bacterial fermentation of sugar supplement control flow chart
發(fā)酵工藝人員根據(jù)菌體生長耗糖的慣性特征,局部線性化殘?zhí)琴|(zhì)量濃度曲線,假設(shè)前一段時(shí)間發(fā)酵罐中耗糖質(zhì)量濃度變化量等于后一段時(shí)間的耗糖質(zhì)量濃度變化量,進(jìn)而設(shè)計(jì)了一種殘?zhí)琴|(zhì)量濃度的經(jīng)驗(yàn)估算算法。殘?zhí)琴|(zhì)量濃度經(jīng)驗(yàn)估算算法見圖2。
假設(shè)td=3*t。設(shè)第時(shí)刻時(shí),檢測儀器YSI2700檢測到滯后檢測值Cn(i-3),為估算此時(shí)發(fā)酵罐中的值C(i),設(shè)第i-1到i時(shí)刻,補(bǔ)糖質(zhì)量濃度變化率為F(i-1),第i-2到i-1時(shí)刻,補(bǔ)糖質(zhì)量濃度變化率為F(i-2),第i-3到i-2時(shí)刻,補(bǔ)糖質(zhì)量濃度變化率為F(i-3),第i-3到i時(shí)刻,發(fā)酵罐中耗糖質(zhì)量濃度變化量為 C耗i-3到i,如圖 2(a)所示,則有:
在公式(1)中,Cn(i-3)為滯后 檢測 值,可 由YSI2700 檢測得到,F(xiàn)(i-1)、F(i-2)、F(i-3)分別為 i-1、i-2、i-3時(shí)刻的補(bǔ)糖質(zhì)量濃度變化率,容易得到,而C耗i-3到i為第i-3到i時(shí)刻內(nèi)的耗糖質(zhì)量濃度變化量,難以得到。
圖2 殘?zhí)琴|(zhì)量濃度經(jīng)驗(yàn)估算算法Fig.2 Experience estimation algorithm of residual sugar concentration
為獲得 C耗i-3到i,分析圖 2(a)和(b)。 第 i-1 時(shí)刻時(shí),檢測儀器YSI2700檢測到滯后檢測值Cn(i-4),可認(rèn)為是第i-4時(shí)刻時(shí)發(fā)酵罐中的殘?zhí)琴|(zhì)量濃度值。同理,第i時(shí)刻時(shí),檢測儀器YSI2700檢測到滯后檢測值Cn(i-3),可認(rèn)為是第i-3時(shí)刻時(shí)發(fā)酵罐中的殘?zhí)琴|(zhì)量濃度值。針對發(fā)酵罐而言,在第i-4到i-3時(shí)刻,發(fā)酵罐中殘?zhí)琴|(zhì)量濃度值從Cn(i-4)變?yōu)镃n(i-3),則有:
對公式(2)變形得公式(3):
同理兩兩分析圖 2(b)、(c)、(d)依次可以得到C耗i-5到i-4、C耗i-6到i-5,那么有:
發(fā)酵過程殘?zhí)琴|(zhì)量濃度(無補(bǔ)糖)大致曲線見圖3。菌體生長過程大致分為緩慢期(0-A)、生長期(A-B)、衰亡期(B-C)[6]。 從菌體生長周期來看,殘?zhí)琴|(zhì)量濃度曲線變化緩慢,可以認(rèn)為:
因此,綜合上述公式得到公式(6),就能估算殘?zhí)琴|(zhì)量濃度值。
圖3 發(fā)酵過程殘?zhí)琴|(zhì)量濃度(無補(bǔ)糖)大致曲線圖Fig.3 Graph of residual sugar concentration with no sugar supplement in fermentation
公式(6)中補(bǔ)糖質(zhì)量濃度變化率容易得到且為具體數(shù)值,因此為簡化計(jì)算,假定補(bǔ)糖質(zhì)量濃度變化率 F(i)=0,得公式(7):
公式(7)中 Cn(i-3)、Cn(i-6)均可由儀器 YSI2700 測得,為方便分析,將公式(7)改寫成Cn(i-3)的函數(shù),即:
經(jīng)驗(yàn)估算算法在假設(shè)公式(5)成立的前提下給出了殘?zhí)琴|(zhì)量濃度的估算值。但是在實(shí)際情況中,殘?zhí)琴|(zhì)量濃度曲線可能存在較大變化 (例如緩慢期、生長期以及衰亡期之間的過渡期;生長期曲線本身呈現(xiàn)指數(shù)下降形式等),公式(5)往往不成立,如果依舊采用公式(6)對殘?zhí)琴|(zhì)量濃度進(jìn)行估算,估算結(jié)果必然不準(zhǔn)確,因而偏差較大。
第i+3時(shí)刻
公式(6)在公式(5)成立的前提下給出了經(jīng)驗(yàn)估算算法,可以認(rèn)為公式(6)是殘?zhí)琴|(zhì)量濃度的估算模型。由上述分析可知,公式(5)往往不成立,可以認(rèn)為該估算模型不準(zhǔn)確。為獲得較為準(zhǔn)確的估算模型,采用模糊知識來模擬殘?zhí)琴|(zhì)量濃度估算模型。
Aoki等人[9]首次提出了一種模糊預(yù)測算法并將其成功應(yīng)用于高爐熔融玻璃的溫度控制中,Da[11]對模糊預(yù)測算法進(jìn)行詳細(xì)分析和總結(jié),建立了輸入為y(i)-y(i-1)、u(i)-u(i-L),輸出為(i+L)的模糊預(yù)測器來估算(i+L),為模糊模擬殘?zhí)琴|(zhì)量濃度估算模型提供了思路。其中 y(i)(i+L)表示 i時(shí)刻的滯后檢測值、估算值,u(i)表示i-1時(shí)刻控制對象的輸入,L表示滯后時(shí)間。
首先對公式(6)進(jìn)行變形得公式(15):
分析上式可知,符合Da的模糊預(yù)測思想,在此基礎(chǔ)上,對公式(6)重新進(jìn)行分析,可以建立輸入為Cn(i-3)-Cn(i-6)、F(i-1)+F(i-2)+F(i-3)-F(i-4)-F(i-5)-F(i-6),輸出為 δ(i-3)的模糊預(yù)測器來估算
為方便分析,首先定義公式(16)、(17)。
本文中,模糊預(yù)測無補(bǔ)償算法包括以下兩個(gè)步驟:
步驟一:(ΔF(i)、δCn(i-3))→δ(i-3)
第i時(shí)刻時(shí),通過檢測儀器可以得到滯后檢測值Cn(i-3),以及i時(shí)刻之前的補(bǔ)糖質(zhì)量濃度變化率,可以計(jì)算出δCn(i-3)和 ΔF(i),于是可以預(yù)測出滯后時(shí)間內(nèi)的殘?zhí)琴|(zhì)量濃度變化量δ(i-3),結(jié)合步驟二就可以得到估算值圖4給出了i時(shí)刻時(shí),給定 ΔF(i)為正大(PL)情況下,不同δCn(i-3)所對應(yīng)的δ(i-3)的變化趨勢。點(diǎn)畫線表示殘?zhí)琴|(zhì)量濃度變化緩慢,但仍存在小范圍波動(dòng)。
如果采用類似于模糊規(guī)則進(jìn)行描述,可以得到如下三條規(guī)則:
Rule 1:if ΔF(i) is PL and δCn(i-3) is PB,then δ(i-3) is LL
Rule 2:if ΔF(i) is PL and δCn (i-3) is Z,then δ(i-3) is L
Rule 3:if ΔF(i) is PL and δCn(i-3) is NB,thenδ(i-3) is O
其中 PL 表示 ΔF(i)的變化 E 為正大;PB、Z、NB表示δCn(i-3)的變化 EC 為正大、不變、負(fù)大;LL、L、O表示δ(i-3)的變化Y為正大、正小、不變。
圖4 殘?zhí)琴|(zhì)量濃度模糊預(yù)測算法(ΔF(i)變化趨勢為正大給定)Fig.4 Predictive algorithm of residual sugar concentration(change trend of ΔF(i) is PL given)
通過對 ΔF(i)、δCn(i-3)和 δ(i-3)的變化趨勢進(jìn)行分類和推斷,可以得到表1所示的類似于模糊規(guī)則的預(yù)測規(guī)則庫。結(jié)合上述分析可知,殘?zhí)琴|(zhì)量濃度模糊預(yù)測有補(bǔ)償算法僅需在模糊預(yù)測無補(bǔ)償算法的基礎(chǔ)上加上步驟三,即:
步驟一:(ΔF(i)、δCn(i-3))→δ(i-3)
表1 模糊預(yù)測規(guī)則庫Table 1 Fuzzy prediction rule base
鑒于加水稀釋仿真過程可控性好、透明性強(qiáng)、糖種類少、過程簡單等特點(diǎn),因此將上述4種方法應(yīng)用于加水稀釋仿真實(shí)驗(yàn)中,來驗(yàn)證上述理論的正確性與可行性。作者首先采用殘?zhí)琴|(zhì)量濃度加水稀釋模擬發(fā)酵過程進(jìn)行仿真對比。仿真中,假設(shè)容器體積足夠大,保證加水不會(huì)溢出;加水后溶液體積的變化等于加水前溶液的體積加上加水的體積,忽略分子間互溶作用。
設(shè)將18 g糖配置成1 L的糖水,采樣周期為0.2 h,滯后時(shí)間0.6 h,仿真總時(shí)間為8 h,補(bǔ)糖質(zhì)量濃度變化率 F(i)=0。0~1 h 內(nèi),通過調(diào)節(jié)加水流速使之滿足于耗糖質(zhì)量濃度變化量呈現(xiàn)緩慢增大趨勢,模擬菌體生長緩慢期;1~5 h內(nèi),通過調(diào)節(jié)加水流速使之滿足于耗糖質(zhì)量濃度變化量呈現(xiàn)快速增大趨勢,模擬菌體生長生長期;5~8 h內(nèi),通過調(diào)節(jié)加水流速使之滿足于耗糖質(zhì)量濃度變化量呈現(xiàn)快速減小趨勢,模擬菌體生長衰亡期。圖5給出了殘?zhí)琴|(zhì)量濃度加水稀釋模擬發(fā)酵過程的殘?zhí)琴|(zhì)量濃度變化圖。
圖5 殘?zhí)琴|(zhì)量濃度加水稀釋模擬發(fā)酵過程仿真Fig.5 Simulation of residual sugar concentration by water dilution
由于補(bǔ)糖質(zhì)量濃度變化率F(i)=0,因此在模糊預(yù)測中,忽略輸入 ΔF(i),認(rèn)為 ΔF(i)變化趨勢始終為 O(不變),另一個(gè)輸入 δCn(i-3)的基本論域?yàn)椋?1.7,1.7),輸出 δ(i-3)的基本論域?yàn)椋?1.7,1.7),輸入 δCn(i-3)和輸出δ(i-3)的隸屬函數(shù)選用圖 6 所示的三角形。
圖 6(a)中 EC 為δCn(i-3)的語言變量,NB(負(fù)大)、NM(負(fù)?。(正好)、PM(正小)、PB(正大)分別與等級(-2、-1、0、1、2)相對應(yīng);圖 6(b)中 Y 為δ(i-3)的語言變量,SS(負(fù)大)、S(負(fù)?。?、O(不變)、L(正?。?、LL(正大)分別與等級(-2、-1、0、1、2)相對應(yīng)。根據(jù)上述分析,選用表1所示的模糊預(yù)測規(guī)則庫。
清晰化過程中,作者選用公式(18)所示的最大隸屬度平均值法,其中u表示最大隸屬度,n表示最大隸屬度的個(gè)數(shù)。
為方便比較,定義經(jīng)驗(yàn)估算算法為經(jīng)驗(yàn)估算無補(bǔ)償算法、經(jīng)驗(yàn)估算改進(jìn)算法為經(jīng)驗(yàn)估算有補(bǔ)償算法。仿真過程中,分別運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)估算無補(bǔ)償算法、經(jīng)驗(yàn)估算有補(bǔ)償算法、模糊預(yù)測無補(bǔ)償算法、模糊預(yù)測有補(bǔ)償算法對殘?zhí)琴|(zhì)量濃度進(jìn)行估算。圖7給出了4種估算算法下的殘?zhí)琴|(zhì)量濃度對比圖。表2采用如公式(19)所示的絕對誤差積分準(zhǔn)則即IAE性能指標(biāo)來進(jìn)行定量比較,IAE越小,估算的精度越高。
從圖7可以看出,在1 h時(shí),模擬菌體從緩慢期到生長期,由于滯后作用,模糊預(yù)測有補(bǔ)償算法在1.6 h時(shí)曲線有明顯下降趨勢,同樣,在5.6 h時(shí),有明顯上升趨勢,表明模糊預(yù)測有補(bǔ)償算法估算下的殘?zhí)琴|(zhì)量濃度曲線能夠較好的區(qū)分緩慢期、生長期和衰亡期。此外,相比其他3種估算算法,模糊預(yù)測有補(bǔ)償算法估算下的殘?zhí)琴|(zhì)量濃度曲線更接近真實(shí)曲線。從表2中的IAE指標(biāo)定量來看,模糊預(yù)測有補(bǔ)償算法下的IAE最小,表明估算結(jié)果相比其他3種算法更為精確。
表2 IAE性能指標(biāo)評價(jià)Table 2 IAE performance evaluation
圖6 輸入 δCn(i-3)和輸出 δ(i-3)的模糊隸屬函數(shù)Fig.6 Fuzzy membership function of input δCn(i-3) and output δ(i-3)
圖7 仿真實(shí)驗(yàn)對比圖Fig.7 Simulation results comparison
為驗(yàn)證上述方法的實(shí)用性以及模糊預(yù)測的優(yōu)越性,將上述4種方法應(yīng)用于蛋白酶發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中。實(shí)驗(yàn)中,YSI2700的采樣周期0.1 h,滯后時(shí)間0.3 h,仿真總時(shí)間為6.3 h,補(bǔ)糖質(zhì)量濃度變化率F(i)=0。
模糊預(yù)測算法中設(shè)定δCn(i-3)的基本論域?yàn)椋?1,1),輸出 δ(i-3)的基本論域?yàn)椋?0.5,0.5),此外選取圖6所示的隸屬函數(shù),表1所示的模糊預(yù)測規(guī)則,式(18)所示的清晰化公式。
實(shí)驗(yàn)過程中,同樣分別運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)估算無補(bǔ)償算法、經(jīng)驗(yàn)估算有補(bǔ)償算法、模糊預(yù)測無補(bǔ)償算法、模糊預(yù)測有補(bǔ)償算法對殘?zhí)琴|(zhì)量濃度進(jìn)行估算。圖8給出了4種估算算法下的殘?zhí)琴|(zhì)量濃度對比圖。受檢測儀器、人工操作等影響,殘?zhí)琴|(zhì)量濃度波動(dòng)較大,設(shè)在i-3時(shí)刻時(shí),得到估算值,并在 i時(shí)刻時(shí)通過儀器檢測到真實(shí)值Cn(i-3),并且有);設(shè)當(dāng) i時(shí)刻,經(jīng)驗(yàn)估算無補(bǔ)償?shù)玫剑⑶矣?,如果采用?jīng)驗(yàn)估算有補(bǔ)償算法,則必有圖 9 所示的,從而使得估算效果變差。
從圖7中可以看出,上述這種情況普遍存在,因而采取補(bǔ)償算法反而使得估算效果不好,因此在實(shí)驗(yàn)過程中,最終選取經(jīng)驗(yàn)估算無補(bǔ)償算法和模糊預(yù)測無補(bǔ)償算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較。表3給出了這兩種算法下的IAE性能指標(biāo)對比。
圖8 殘?zhí)琴|(zhì)量濃度實(shí)驗(yàn)對比圖Fig.8 Experiment results comparison of residual sugar concentration
圖9 補(bǔ)償過程分析Fig.9 Compensation process analysis
表3 IAE性能指標(biāo)評價(jià)Table 3 IAE performance evaluation
菌體發(fā)酵大概分為緩慢期、生長期和飽和期。從圖 8(c)中可以看出,0~2 h內(nèi)菌體處于緩慢期,耗糖較少,殘?zhí)琴|(zhì)量濃度緩慢變化,采用經(jīng)驗(yàn)估算無補(bǔ)償和模糊預(yù)測無補(bǔ)償都能較好的估算殘?zhí)侵怠?~6 h內(nèi)菌體處于生長期,耗糖較多,受實(shí)驗(yàn)環(huán)境、人工操作等影響,殘?zhí)琴|(zhì)量濃度產(chǎn)生較大波動(dòng),采用模糊預(yù)測無補(bǔ)償?shù)男Ч糜诮?jīng)驗(yàn)估算無補(bǔ)償。6 h以后,菌體進(jìn)入衰亡期,耗糖變少,殘?zhí)琴|(zhì)量濃度變化也較小,經(jīng)驗(yàn)估算無補(bǔ)償和模糊預(yù)測無補(bǔ)償也能較好的估算殘?zhí)侵?。?中各階段的IAE性能指標(biāo)表明模糊預(yù)測算法能夠有效減小估算誤差,提高精度,好于經(jīng)驗(yàn)估算無補(bǔ)償算法。
作者在分析經(jīng)驗(yàn)估算算法之后,針對實(shí)際情況中,前一段時(shí)間耗糖質(zhì)量濃度變化量并不等于后一段時(shí)間的耗糖質(zhì)量濃度變化量,結(jié)合預(yù)測控制思想,采用反饋補(bǔ)償校正方式進(jìn)行改進(jìn),提出了經(jīng)驗(yàn)估算改進(jìn)(即有補(bǔ)償)算法;此外,針對工藝人員的殘?zhí)琴|(zhì)量濃度估算模型的不準(zhǔn)確性,結(jié)合模糊智能技術(shù),進(jìn)行模糊模擬,分別研究了模糊預(yù)測無補(bǔ)償以及模糊預(yù)測有補(bǔ)償,最后分別對上述4種算法進(jìn)行仿真和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對比。仿真結(jié)果表明,模糊預(yù)測有補(bǔ)償算法明顯好于其他3種算法,但是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中,受檢測儀器、人工操作等影響,采用補(bǔ)償方式,估算效果稍差于無補(bǔ)償方式,但是模糊預(yù)測無補(bǔ)償?shù)男Ч€是好于經(jīng)驗(yàn)估算無補(bǔ)償,表明模糊預(yù)測能夠較好的建立殘?zhí)琴|(zhì)量濃度的估算模型,提高精度,為滯后檢測的殘?zhí)琴|(zhì)量濃度估算提供了一種新的方法。