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基于改进FNN的青霉素发酵过程软测量建模与实现

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文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 软测量技术概述

1.2.1 软测量的建模方法

1.2.2 软测量的应用情况

1.2.3 软测量模型的校正

1.3 本文研究内容及安排

第二章 改进FNN算法的软测量建模原理

2.1 引言

2.2 模糊神经网络

2.2.1 模糊神经网络结构

2.2.2 模糊神经网络的特点

2.3 动态模糊神经网络模型

2.3.1 动态模糊神经网络结构

2.3.2 动态模糊神经网络的学习算法

2.3.3 动态模糊神经网络的特点

2.4 基于粒子群算法的动态模糊神经网络模型辨识

2.4.1 粒子群优化算法

2.4.2 带惯性权值的粒子群优化算法

2.4.3 粒子群算法优化动态模糊神经网络

2.5 本章小结

第三章 青霉素发酵过程软测量建模

3.1 引言

3.2 青霉素发酵过程工艺概述

3.3 数据预处理

3.3.1 过失误差数据剔除

3.3.2 数据的归一化

3.4 一致相关度算法确定辅助变量

3.5 基于动态模糊神经网络软测量建模

3.6 基于粒子群算法的动态模糊神经网络模型辨识

3.7 本章小结

第四章 青霉素发酵过程数字系统设计

4.1 引言

4.2 系统设计思想和要求

4.2.1 系统设计思想

4.2.2 系统设计要求

4.3 系统硬件设计

4.3.1 系统硬件结构图

4.3.2 系统硬件配置

4.3.3 系统硬件原理图

4.4 系统软件设计

4.4.1 软件设计总体结构

4.4.2 数据的采集与测定

4.4.3 串行通信设计

4.4.4 上位机程序设计

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文及专利情况

致谢

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摘要

随着生物技术的发展,微生物发酵工程在国民经济和社会经济中的重要作用日益突出。微生物发酵过程是一个具有高度非线性、时变性和迟滞性的生化反应过程,其内在机理非常复杂。采用软测量技术实现发酵过程中难以在线测量的关键生物量参数(如基质中浓度、菌丝浓度、产物浓度等)的预测,对发酵过程进一步的优化控制有着重要的意义。
   本文以青霉素发酵过程为研究对象,在总结各种软测量建模方法基础之上,对传统模糊神经网络算法进行改进,建立基于动态模糊神经网络的软测量模型。在此基础之上,采用粒子群算法对动态模糊神经网络软测量模型参数进行优化。对青霉素发酵过程的关键生物量参数利用上述软测量模型进行预估。并设计了以PLC作为核心控制器的发酵过程数字化系统。主要研究工作如下:
   (1)采用动态模糊神经网络建立青霉素发酵过程软测量模型。系统采用高斯隶属度函数和T-范数乘积算子,并利用动态的学习方法实现模糊神经网络结构和参数的辨识。使得软测量模型的复杂度降低,进一步提高了模型的稳定性,仿真结果表明该模型能够以较高的精度预测关键生物量参数。
   (2)在动态模糊神经网络建模的基础上,采用粒子群算法对模型参数进行优化,同时应用动态学习算法对网络的结构进行优化,实现网络结构和参数的全局优化调整,设计了改进算法的动态模糊神经网络模型。由于结合了粒子群算法的全局搜索功能,仿真结果表明改进的动态模糊神经网络软测量模型能够更加有效、快速地逼近真实值,预测精度较高。
   (3)将软测量模型应用到实际发酵过程中,设计了以西门子S7-200 PLC作为核心控制器的上下位机控制系统。通过下位机完成现场信号的采集;应用COM技术构建软测量COM组件,集成于上位机VC++开发环境中,实现青霉素发酵过程关键生物量参数的预估、数据的显示、管理等功能。

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