一类微生物发酵非线性动力系统的辨识与最优控制

论文摘要

1,3-丙二醇是一种重要的化工原料,可用于生产胶水、防冻剂以及聚合物（如聚对苯二甲酸丙二脂）等化工产品.相对于化学法生产1,3-丙二醇,采用微生物发酵生产1,3-丙二醇的方法具有绿色环保等优点.本文以微生物发酵生产1,3-丙二醇为背景,研究了间歇发酵和连续发酵非线性系统的建模、鲁棒性分析、系统辨识和最优控制.本文的工作不仅丰富了非线性混杂系统的理论,而且为1,3-丙二醇的产业化生产提供参考.该课题获得国家自然科学基金、国家高技术研究发展计划（863计划）和国家重点基础研究发展规划（973计划）的资助.本文研究的内容与取得的主要结果可概括如下:1.微生物发酵生产1,3-丙二醇是一个复杂的生化过程,本文建立以分段线性连续函数为辨识参量的非线性动力系统来描述间歇发酵过程,证明了该系统的主要性质:解的存在唯一性、Lipschitz连续性、一致有界性及强稳定性.以实验数据拟合得到的光滑曲线为衡量标准,以系统状态轨迹的计算值和拟合曲线的相对偏差为性能指标,提出一个以分段连续线性函数为优化变量的辨识模型,论述了该模型的可辨识性及最优解的存在性.并构造了优化算法对该辨识模型进行求解.基于多组实验数据进行了数值模拟,数值结果表明,本文的模型能很好地描述微生物发酵的过程.2.由于间歇发酵过程中甘油和1,3-丙二醇的跨膜运输方式均未知,本文提出了一个以分段线性连续函数为辨识参量且包含36条代谢路径的间歇发酵非线性酶催化混杂动力系统.针对细胞内物质缺少实验数据的问题,以生物鲁棒性为性能指标,建立了一个含有28800个系统参数和72个路径参数的复杂系统辨识模型,并构造了求解该优化问题的并行复合形算法.基于多组实验数据进行了数值模拟,获得了最优的代谢路径,为弄清甘油和1,3-丙二醇的跨膜运输方式提供了参考.3.在微生物发酵生产1,3-丙二醇的间歇发酵过程中,适当的微生物和甘油初始浓度配比对提高1,3-丙二醇的产量有决定性的作用.基于本文第四章最优模型的基础上,以1,3-丙二醇在终止时刻的生产效率最大化为目标函数,以甘油、生物量的初始浓度为控制参量,建立受连续状态不等式约束的最优控制模型.应用约束转换方法和光滑近似技术处理连续状态不等式约束,计算出最优控制问题中的约束函数关于控制参数的梯度值.最后构造基于梯度的模拟退火优化算法,求解最优控制问题.数值结果表明,在最优控制下1,3-丙二醇在终止时刻的生产效率有了显著地提高.4.在微生物发酵生产1,3-丙二醇的连续发酵过程中,综合考虑甘油和1,3-丙二醇的多种可能跨膜运输方式,建立了描述微生物连续发酵过程的非线性基因调控混杂动力系统.该系统状态变量包括胞外物质浓度和胞内物质浓度,其中胞外物质浓度的数值模拟结果可以与实验测量数据比较.由于胞内物质浓度缺乏实测数据,为了更准确地描述胞内物质浓度的变化,基于胞内物质浓度计算值的相对偏差的期望和方差,给出了一个定量的生物鲁棒性定义.以该生物鲁棒性为性能指标,建立一个包含837个系统参数（下层优化变量）和108个路径参数（上层优化变量）的双层动态规划参数辨识问题.并构造了一个改进的并行粒子群算法求解该辨识问题.数值结果表明,甘油和1,3-丙二醇最有可能的跨膜运输方式是主被动结合运输.

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号和缩写
• 1 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 混杂系统研究现状
•     1.2.1 混杂系统建模
•     1.2.2 混杂系统性能分析
•     1.2.3 混杂系统最优控制
•   1.3 生物鲁棒性研究现状
•   1.4 并行算法研究现状
•   1.5 微生物发附生产1,3-丙二醇的研究现状
•     1.5.1 间歇发酵
•     1.5.2 连续发酵
•     1.5.3 批式流加发酵
•   1.6 本文的主要工作
• 2 预备知识
•   2.1 常微分方程的基本性质
•   2.2 最优控制问题
•   2.3 甘油歧化生产1,3-丙二醇动力学模型
•     2.3.1 甘油歧化过程的酶催化动力学模型
•     2.3.2 甘油生物歧化过程基因调控动力学模型
• 3 函数为参量的间歇发酵非线性动力系统的辨识与优化
•   3.1 引言
•   3.2 函数为参量的间歇发酵非线性动力系统
•   3.3 间歇发酵非线性动力系统的分解
•   3.4 非线性动力系统的性质
•   3.5 间歇发酵非线性动力系统的强稳定性
•     3.5.1 线性变分系统及其基本矩阵解
•     3.5.2 强稳定性
•   3.6 辨识模型
•   3.7 优化算法
•   3.8 数值结果
•   3.9 本章小结
• 4 函数为参量的间歇发酵非线性酶催化混杂动力系统的辨识与优化
•   4.1 引言
•   4.2 多种可能间歇发酵非线性混杂系统
•     4.2.1 间歇发附非线性酶催化混杂动力系统
•     4.2.2 非线性酶催化混杂动力系统的分解
•   4.3 非线性动力系统的性质
•   4.4 生物鲁棒性与辨识模型
•     4.4.1 相对偏差
•     4.4.2 生物鲁棒性
•     4.4.3 辨识模型
•   4.5 优化算法
•   4.6 数值结果
•   4.7 本章小结
• 5 间歇发酵非线性酶催化动力系统的最优控制
•   5.1 引言
•   5.2 最优控制问题
•   5.3 计算方法
•     5.3.1 连续状态不等式约束
•     5.3.2 梯度计算
•     5.3.3 优化算法
•   5.4 数值结果
•   5.5 本章小结
• 6 连续发酵基因调控非线性混杂动力系统的辨识与优化
•   6.1 引言
•   6.2 基因调控非线性混杂动力系统
•   6.3 非线性混杂动力系统的性质
•   6.4 鲁棒性分析和参数辨识问题
•     6.4.1 胞外物质浓度的相对偏差
•     6.4.2 生物鲁棒性
•     6.4.3 辨识模型
•   6.5 计算方法
•     6.5.1 连续状态不等式约束
•     6.5.2 并行粒子群算法
•   6.6 数值结果
•   6.7 本章小结
• 7 结论与展望
•   7.1 结论
•   7.2 展望
• 参考文献
• 论文创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杨琦

导师: 尹洪超,冯恩民

关键词: 非线性混杂动力系统,生物鲁棒性,系统辨识,并行算法,微生物发酵

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 数学,一般化学工业

单位: 大连理工大学

基金: 国家自然科学基金,国家高技术研究发展计划(863计划),国家重点基础研究发展规划(973计划)

分类号: TQ923;O231

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.003568

总页数: 138

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