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用于分批固体基质发酵生物反应器的包含非平稳高频噪声和异常值的预测控制器评估。

Predictive controller evaluation including non-stationary high frequency noise and outliers for batch solid substrate fermentation bioreactors.

作者信息

Pérez-Correa J R, Fernández-Fernández M

机构信息

Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos, Pontificia Universidad Católica de Chile, Casilla 306, Santiago 22, Chile.

出版信息

Bioprocess Biosyst Eng. 2006 Dec;29(5-6):399-407. doi: 10.1007/s00449-006-0089-5. Epub 2006 Nov 3.

DOI:10.1007/s00449-006-0089-5
PMID:17082913
Abstract

Optimum operation and automatic control of large-scale solid substrate fermentation (SSF) bioreactors is difficult. Though advanced control algorithms can handle most challenges encountered properly, for real-time SSF processes such controllers are expensive and time consuming to design and tune. With these considerations, advanced control algorithm tests using realistic simulations appear more appropriate. We used a phenomenological process model of an SSF pilot bioreactor, coupled with a realistic noise model, to test linear model predictive controllers. We focused on the effect noise has on the performance of the control algorithms, and how to enhance performance using a combination of low-pass (Butterworth) and outlier shaving (Hampel) filters. In simulations undertaken directly with the phenomenological model it was relatively straightforward to achieve good control performance. Nevertheless, control degraded sharply when the output of the phenomenological model was contaminated with noise using our realistic noise model, even with proper signal filtering.

摘要

大型固体基质发酵(SSF)生物反应器的优化操作和自动控制颇具难度。尽管先进的控制算法能够妥善应对大多数遇到的挑战,但对于实时SSF过程而言,此类控制器的设计和调试成本高昂且耗时。鉴于这些因素,利用逼真的模拟进行先进控制算法测试似乎更为合适。我们使用了一个SSF中试生物反应器的现象学过程模型,并结合一个逼真的噪声模型,来测试线性模型预测控制器。我们重点研究了噪声对控制算法性能的影响,以及如何通过结合低通(巴特沃斯)滤波器和异常值剔除(汉佩尔)滤波器来提高性能。在直接使用现象学模型进行的模拟中,实现良好的控制性能相对较为简单。然而,当使用我们的逼真噪声模型使现象学模型的输出受到噪声污染时,即使进行了适当的信号滤波,控制性能也会急剧下降。

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