基于LabVIEW的生物发酵过程仿真与辨识软件设计与实现

论文摘要

随着生物工程技术的迅速发展,发酵工业越来越受到科技界、生物界的重视,对发酵工业过程的自动控制的要求也越来越迫切[1]。基于实验数据进行建模、参数估计以及对过程的仿真是提高发酵过程的效益及自动控制水平的重要途径。本文所讨论的生物发酵过程仿真与辨识软件正是出于此目的而设计的。出于寻求稳态过程优化操作条件和提高发酵过程生产效益的实际需要,开发用于研究生物发酵过程的模拟软件,具有十分重要的意义。从工程角度出发,本文设计的生物发酵过程仿真软件其主要功能在于:一、发酵过程动力学研究是发酵过程模型与系统仿真的基础。本软件可根据实际生产数据和模型结构,求取生物发酵过程的发酵动力学模型的参数,从而建立发酵过程模型。二、已知生物发酵过程的数学模型,对生物发酵过程进行系统仿真,从而可更深刻的了解微生物反应的本质;三、对各种不同的生化参数和初始条件,通过参数辨识和系统仿真,从而寻求出发酵过程的最优操作条件,提高发酵过程的效益,并可大大减少生物发酵的实验次数,大大降低人力、物力的消耗。LabVIEW是目前应用最广、开发最快、功能最强的图形化软件开发环境,其中包含了丰富的数学和仿真工具模块,不仅功能完整而且使用灵活,而且界面清晰美观,十分适合仿真软件的开发。基于以上内容作为出发点,本文主要阐述了基于LabVIEW的生物发酵过程仿真与辨识软件的设计和开发过程以及具体的应用。本文的创新之处在于软件的开发是将MATLAB与LabVIEW交互结合,而且,仿真软件是相对通用的,适用于多种模型的。本论文的文章结构为:第一章综述了生物发酵工艺学和系统仿真技术的研究进展以及LabVIEW开发软件,指出仿真技术对于生物发酵试验操作的优化控制具有十分重要的意义。第二章主要论述了生物发酵过程的数学建模过程,对比生长速率动力学模型和生物反应的动力学模型进行了简要介绍,此外还结合本文相关的数学模型的对参数辨识原理进行了分析。第三章主要介绍了整个软件开发的设计思想,模块化的设计原则是本软件(BioSim)的核心。本文的从设计过程分类主要可以分为界面和算法两大模块,从设计内容主要分为仿真和辨识两部分。第四、第五章详细介绍了软件的开发设计过程,第四章主要介绍了仿真算法、界面开发以及整个软件运行控制算法的设计与实现;第五章就本设计过程的难点——MATLAB与LabVIEW交互开发的参数辨识进行了研究分析和设计过程介绍。第六章为整个软件的应用示例介绍,包括操作步骤以及软件安装文件的编译过程和相关注意事项。第七章对本论文和设计过程进行了总结,并提出了课题进一步深入研究的方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.1.1 生物工艺学现状及发展趋势
• 1.1.2 系统仿真重要性.
• 1.2 LabVIEW 开发环境简介
• 1.2.1 LabVIEW 软件概述
• 1.2.2 使用LabVIEW 开发本软件平台的优势
• 1.3 论文的组织与本人的工作
• 第二章 生物发酵过程数学模型的建立
• 2.1 生物发酵过程建模意义及建模原则.
• 2.2 发酵过程的微生物（菌体）动力学比生长速率? 模型
• 2.2.1 无抑制作用的菌体生长的比生长速率模型－简单Monod 方程
• 2.2.2 菌体生长延迟期的Monod 方程
• 2.2.3 底物抑制的菌体生长的比生长速率模型－Andrew 底物抑制的比生长速率模型
• 2.2.4 产物抑制的菌体生长的比生长速率模型
• 2.3 发酵过程的微生物（菌体）生物反应的动力学模型
• 2.3.1 发酵过程的微生物（菌体）生长的非结构动力学模型
• 2.3.2 微生物发酵过程代谢产物生成的动力学模型
• 2.3.3 微生物发酵过程底物消耗的动力学模型
• 2.4 微生物（菌体）发酵过程的数学模型
• 2.4.1 生物发酵过程数学模型的一般形式
• 2.4.2 三种类型发酵罐的数学模型
• 2.5 生物发酵过程模型的参数辨识
• 2.5.1 对发酵过程进行辨识的重要性
• 2.5.2 模型辨识基本原理
• 2.5.3 模型辨识方法——最小二乘法
• 第三章 软件设计思想与框架结构
• 3.1 软件设计目的与功能
• 3.1.1 软件设计目的
• 3.1.2 软件功能需求与设计结构
• 3.2 软件设计原则
• 3.3 开发环境介绍
• 3.3.1 LabVIEW 程序开发环境.
• 3.3.2 LabVIEW 与MATLAB 交互环境编程
• 3.4 软件模块化设计方案
• 3.4.1 软件开发模块化设计的必要性
• 3.4.2 界面显示设计
• 3.4.3 算法设计方案
• 第四章 发酵过程仿真程序及软件界面设计与实现
• 4.1 系统仿真程序设计与实现
• 4.1.1 数值积分求解微分方程
• 4.1.2 常用数值积分方法介绍
• 4.1.3 数值积分的LabVIEW 实现
• 4.2 界面显示设计
• 4.2.1 多页面动态显示（Tab Control+ SubPanel）
• 4.2.2 控件的动态隐藏与显示（Property Node）
• 4.2.3 控件事件响应（Event Structure）
• 4.2.4 菜单显示及功能设置
• 4.2.5 前面板功能区域的分隔
• 4.3 软件流程与用户控制逻辑算法的设计与实现
• 4.3.1 VI 内与VI 间数据传递（Local Variable & Global Variable）
• 4.3.2 38 种模型?38 种不同参数组合
• 4.3.3 循环结构体
• 4.3.4 顺序结构与选择结构
• 第五章 与MATLAB 结合的参数辨识程序设计与实现
• 5.1 与MATLAB 结合开发的原因
• 5.1.1 LabVIEW 与MATLAB 的特点对比
• 5.1.2 辨识部份具体功能说明
• 5.2 MATLAB 部份辨识程序设计.
• 5.2.1 最小二乘法lsqnonlin 函数
• 5.2.2 MATLAB 辨识源程序.
• 5.3 LabVIEW 与MATLAB 交互开发设计.
• 5.3.1 交互开发策略.
• 5.3.2 MATLAB Script 结构
• 5.3.3 脚本调用及路径设置
• 5.3.4 交互辨识与MATLAB 独立环境辨识结果对比分析.
• 第六章 生物发酵过程仿真与辨识软件的应用示例
• 6.1 BioSim 软件安装文件制作过程
• 6.1.1 创建可执行文件
• 6.1.2 创建安装程序文件
• 6.2 安装BioSim 软件说明
• 6.3 操作步骤
• 6.4 软件示例缺省值
• 6.4.1 发酵罐操作类型及动力学模型选择
• 6.4.2 生化参数值
• 6.4.3 变量初始值
• 6.4.4 示例中由缺省参数值得到的最终模型
• 6.4.5 实验数据缺省值.
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文及设计总结
• 7.2 展望
• 附录一 生物发酵过程常用符号及其含义.
• 附录二：微生物的动力学模式（比生长速率μ ）
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文情况