1、過程控制系統(tǒng)中的計算機數(shù)字仿真1肖化昆1謝贊福1崔懷林1黎潮信2潘達俊2陳新優(yōu)21廣東技術(shù)師范學(xué)院 (5106652廣州市計算機應(yīng)用研究所 (510600E-mail:xiaohk摘要:把計算機數(shù)字仿真技術(shù)運用于生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中,實現(xiàn)生產(chǎn)過程的最優(yōu)化控制,是信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的一個范例。本文給出一個在生物制藥中應(yīng)用計算機數(shù)字仿真的實例,提出了在生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中建立數(shù)學(xué)模型和實現(xiàn)最優(yōu)控制的一般方法和技術(shù)。關(guān)鍵字:數(shù)學(xué)模型,數(shù)字仿真,最優(yōu)化控制,生物制藥1.前言潔酶素發(fā)酵是工業(yè)制取潔酶素的主要工藝過程注1,其全程約需40至50個小時。影響潔酶素產(chǎn)量的因素有菌種濃度、初始營養(yǎng)物濃度(氨基氮、總

2、糖、PH值和反應(yīng)過程中的營養(yǎng)物濃度、以及反應(yīng)溫度和反應(yīng)釜轉(zhuǎn)速等因素,我們稱它們?yōu)檫^程的環(huán)境變量,它們是反應(yīng)時間的函數(shù)。圖1是該“過程”中幾個主要環(huán)境變量隨時間變化的曲線,其中的“效價”反映潔酶素產(chǎn)出物“潔酶素單位”的累積增長。在潔酶素發(fā)酵過程中,過程控制系統(tǒng)對環(huán)境變量進行調(diào)控,使?jié)嵜杆匕l(fā)酵過程向有利于增加“效價”的方向變化。 圖1潔酶素發(fā)酵主要參數(shù)變化示意圖1 廣州制藥廠潔霉素發(fā)酵工藝優(yōu)化研究項目12. 建立過程的數(shù)學(xué)模型2.1 動態(tài)數(shù)學(xué)模型建立潔酶素發(fā)酵過程動態(tài)數(shù)學(xué)模型的方法是從發(fā)酵機理出發(fā),構(gòu)造出反映其動態(tài)特性的微分方程組(參數(shù)待定,然后針對該方程組的參數(shù)、初始條件和邊界條件等進行仿真計算

3、,并將計算結(jié)果與實際生產(chǎn)過程的觀察數(shù)據(jù)進行對比,如此反復(fù)進行多次,直到取得了一組與實際數(shù)據(jù)擬合得“好”的計算結(jié)果為止。將“好”結(jié)果對應(yīng)的模型參數(shù)值、初始值和邊界值代入原微分方程組,就得到了該過程的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。2.2 靜態(tài)數(shù)學(xué)模型2.2.1建立靜態(tài)數(shù)學(xué)摸型的過程建立潔酶素發(fā)酵過程靜態(tài)數(shù)學(xué)模型的方法是運用統(tǒng)計學(xué)原理,構(gòu)造一個反映其輸入/輸出特性的代數(shù)方程組。建立靜態(tài)數(shù)學(xué)模型的一個前提條件是該過程具有“穩(wěn)定”特性。潔酶素發(fā)酵過程本質(zhì)上是一個動態(tài)過程,其發(fā)酵反應(yīng)的機理十分復(fù)雜,反應(yīng)過程中的各個變量之間耦合度高,時間滯后大。但由于該發(fā)酵過程時間延續(xù)較長,反應(yīng)物變化緩慢,從生產(chǎn)的實際出發(fā),在宏觀上可以將

4、其作為一個“穩(wěn)定”或“靜態(tài)”的過程來處理。在此情況下,我們只需要知道其輸入/輸出的穩(wěn)定狀態(tài)之間的關(guān)系就行了。當(dāng)考慮靜態(tài)問題時,不管當(dāng)輸入改變后,輸出變量隨時間如何改變到一個新的穩(wěn)定狀態(tài),也不管當(dāng)輸入時,輸出過程會產(chǎn)生什么“波動”,而認(rèn)為一定的輸入就對應(yīng)著一定的輸出2。這就是我們建立靜態(tài)數(shù)學(xué)模型并實現(xiàn)其參數(shù)最優(yōu)化的一個基本思路。建立靜態(tài)數(shù)學(xué)摸型的一般過程是,首先構(gòu)造一組多項式形式的輸入/輸出方程(其階數(shù)和參數(shù)待定,然后輸入實際過程的觀察數(shù)據(jù),由系統(tǒng)辨識模塊對該生產(chǎn)系統(tǒng)的輸入/輸出關(guān)系進行“辨識”,最后確定待定方程的參數(shù)和階數(shù)。上述系統(tǒng)辨識的整個過程是在“一體化數(shù)字仿真平臺軟件”4上自動完成的。2

5、.2.2連續(xù)變量處理為了適應(yīng)數(shù)字計算機對連續(xù)生產(chǎn)過程進行仿真計算,需要對連續(xù)變量進行離散化處理,這是實現(xiàn)靜態(tài)建模的一個關(guān)鍵技術(shù)。方法是,將潔酶素發(fā)酵的過程劃分為若干時段,例如劃分為發(fā)酵初期、中期和后期等三個時段,每一時段取若干個特征點。這樣,就將連續(xù)變量轉(zhuǎn)化成了一組相對獨立的離散化的特征向量,依此特征向量構(gòu)建出新的座標(biāo)空間高維特征向量空間。在此座標(biāo)空間上利用高維數(shù)據(jù)分析技術(shù)實現(xiàn)靜態(tài)建模。筆者利用高維數(shù)據(jù)分析技術(shù)對180組實際生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)進行計算,找到了一個高維空間中的超曲面方程,并利用此方程對原始樣本數(shù)據(jù)進行回判,此超曲面方程可將潔酶素發(fā)酵過程中“好”的和“壞”的樣本組區(qū)分出來。23圖2.非線

6、性映照示意圖圖2是利用一體化數(shù)字仿真軟件,使用非線性映照方法,在“平面”上顯示50組樣本數(shù)據(jù)的空間分布結(jié)果。圖中的“#”代表“好”的樣本組,“*”代表“壞”的樣本組。該結(jié)果表明,利用前述特征變量作為模型變量能很好地“解釋”該發(fā)酵過程,從而可用于建立該過程的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型。2.2.3 模型的優(yōu)化對靜態(tài)數(shù)學(xué)模型進行參數(shù)優(yōu)化的步驟是,首先分析模型參數(shù)實際可行的取值范圍和特性,運用均勻設(shè)計或正交設(shè)計方法定義一個參數(shù)計算表,依此計算表調(diào)整模型參數(shù)的值并輸入到仿真模型中進行計算。其間,注意觀察每一次計算結(jié)果所對應(yīng)的“潔酶素發(fā)酵增長曲線”的變化圖形,并與實際生產(chǎn)過程中的潔酶素發(fā)酵增長曲線進行比較,從中選取出“

7、好的增長曲線”來,對應(yīng)的計算結(jié)果即可作為該潔酶素發(fā)酵過程的經(jīng)參數(shù)優(yōu)化處理后的模型參數(shù)。值得注意的是,所謂“好曲線”的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是綜合評價潔酶素發(fā)酵單位、發(fā)酵成本與產(chǎn)出效益后 的結(jié)果。2.2.4模型的實例廣州某制藥廠潔霉素發(fā)酵工藝優(yōu)化研究注1所建立的潔酶素發(fā)酵過程的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型,是依據(jù)潔酶素發(fā)酵過程的機理和使用“一體化數(shù)字仿真軟件2,3”,經(jīng)過對模型進行多次仿真計算后得到的。該潔酶素發(fā)酵過程的一個靜態(tài)模型的數(shù)學(xué)表達式的形式如下:Y=-2.48X 1+2.24X 2+1.80X 3-3.27X 4+0.02X 5-0.04X 6-0.04X 7-0.07X 8-0.12X 9+0.05X 10-0.5

8、6X 11+0.59X 12+0.17X 13式中Y 代表產(chǎn)出量(即潔酶素發(fā)酵單位,各X i 代表潔酶素發(fā)酵過程的環(huán)境變量(連續(xù)變量已用離散后的特征變量代替,各變量的系數(shù)(模型參數(shù)反映了它們對發(fā)酵結(jié)果的影響程度。3.實現(xiàn)最優(yōu)化控制基于計算機數(shù)字仿真的生物制藥過程的控制系統(tǒng),是一個把數(shù)據(jù)采集、仿真計算和過程控制相結(jié)合的系統(tǒng), 其核心是對該生產(chǎn)過程建立數(shù)學(xué)模型和對各控制變量進行分析計算和動態(tài)“調(diào)控”。3.1 仿真與控制的集成在生產(chǎn)過程中,利用仿真系統(tǒng)對環(huán)境變量進行檢測、分析、調(diào)整和預(yù)測,這一系列過程是自動實現(xiàn)的。即當(dāng)過程中某些環(huán)境變量值的變化超過設(shè)定范圍時,系統(tǒng)能自動觸發(fā)并啟動新一輪仿真計算,對控

9、制過程的“環(huán)境”進行自動分析并“尋找”新環(huán)境下環(huán)境變量的最優(yōu)值,從而建立起新環(huán)境下的最優(yōu)化控制模型。具體的計算過程是,依據(jù)多因子多水平正交設(shè)計表或均勻設(shè)計表編排虛擬的“控制參數(shù)表”,依表進行計算,并將計算值與真實過程的檢測數(shù)據(jù)作相關(guān)分析,依據(jù)某種“相關(guān)程度”對控制變量進行實時評判和篩選,實現(xiàn)參數(shù)的動態(tài)尋優(yōu)。最后,再將新的計算結(jié)果傳送到過程控制系統(tǒng)中,為控制變量的調(diào)整提供依據(jù),實現(xiàn)生物制藥過程的參數(shù)最優(yōu)化控制。在系統(tǒng)運行時,過程控制人員啟動現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng),當(dāng)工況(環(huán)境變量改變時,自動觸發(fā)并啟動仿真系統(tǒng)進行仿真計算。在此過程中,前臺的生產(chǎn)控制系統(tǒng)和后臺的數(shù)字仿真系統(tǒng)共同組成了一個仿真控制

10、一體化的集成系統(tǒng)3。3.2 仿真步長與通信關(guān)于仿真計算的步長,對于一般的生產(chǎn)過程,可采用基于定步長的時鐘控制機制。這對于穩(wěn)定性好的對象系統(tǒng)(如本文所給出的實例已能達到較好的實用程度。為了實現(xiàn)步長的動態(tài)調(diào)整,系統(tǒng)中外掛其它計算模塊后,可進一步實現(xiàn)變步長尋優(yōu)。實現(xiàn)仿真系統(tǒng)與外掛計算模塊的通信一般可使用微軟的DCOM和MSMQ技術(shù),通過DCOM和MSMQ組件發(fā)送同步和異步消息,構(gòu)成一個在線和實時仿真的通信環(huán)境,實現(xiàn)仿真與工控的分布式計算。支持這個分布計算環(huán)境的計算機網(wǎng)絡(luò)可以利用企業(yè)現(xiàn)有的工控網(wǎng),也可以是基于Intranet或Internet 的VPN環(huán)境7。4. 結(jié)論數(shù)字仿真與過程控制系統(tǒng)相結(jié)合,是

11、信息化技術(shù)用于改造傳統(tǒng)過程工業(yè)的一個范例。其中,過程控制系統(tǒng)采集生產(chǎn)數(shù)據(jù),仿真系統(tǒng)分析數(shù)據(jù),建立過程的數(shù)學(xué)模型,它們共同實現(xiàn)對生成過程的最優(yōu)化控制。計算機數(shù)字仿真系統(tǒng)作為過程控制系統(tǒng)的一個智能化的核心,正在傳統(tǒng)的生產(chǎn)控制領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。參考文獻1 熊光楞.控制系統(tǒng)數(shù)字仿真M.北京:清華大學(xué)出版社,1984.2 肖化昆.廣州市供水系統(tǒng)壓力分布數(shù)學(xué)模型研究A.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1988:30-37.3 肖化昆,謝贊福,崔懷林等.過程仿真培訓(xùn)支持系統(tǒng)軟件開發(fā)研究.技術(shù)報告R.廣州:廣東技術(shù)師范學(xué)院,2001.4崔懷林,肖化昆,楊云川等.通用一體化仿真平臺軟件的設(shè)計與實現(xiàn)J.系統(tǒng)仿

12、真學(xué)報,2004,16(3:436-440.4Computer Simulating of Processing Control SystemXiao Huakun1,Xie Zhanfu1,Cui Huailin1,Li Chaoxin2,Pan Dajun2,Chen Xinyou21Guangdong Polytechnic Normal University (106652Guangzhou computer application institute , Guangzhou(10600Abstract:The computer simulating technology was applied to optimization control of pharmaceutical processes is a good example that traditional industry was reform with information technology. This paper presents the universitys m