一类复杂非线性系统的优化及控制方法研究

微生物发酵过程是一个典型的具有基因网络尺度、细胞代谢尺度和反应器尺度等网络结构的非线性系统。为了实现经济效益、降低原材料消耗和提高市场竞争力，人们迫切需要对生物过程进行优化操作和控制。因此，开展对生物过程的优化和控制方法研究是一项具有重要科学意义和应用价值的课题。本项目基于系统生物学原理，从基因调控、细胞内的分子网络、反应器等多个层次上系统地研究微生物发酵过程的优化和控制问题，建立和发展与这类复杂过程特点相适应的优化和控制方法。该项研究有助于设计更合理的过程控制参数和反应器、提高反应器效率，进而促进生物技术的大规模工业化。本项目研究的成果将对生物发酵过程的优化和控制问题的研究提供新的研究方法，并且为研究其它复杂系统的建模、优化和控制问题提供了一些可以借鉴的手段。本项目的完成不仅可以实现对生物过程的最优操作和最优控制，而且对非线性系统的优化和控制方法研究，也具有重要的理论意义和应用价值。

微生物发酵过程是一个典型的具有基因网络尺度、细胞代谢尺度和反应器尺度等网络结构的非线性系统。为了实现经济效益、降低原材料消耗和提高市场竞争力，人们迫切需要对生物过程进行优化操作和控制。因此，开展对生物过程的优化和控制方法研究是一项具有重要科学意义和应用价值的课题。本项目以色氨酸生物合成系统和甘油生物歧化为1, 3-丙二醇过程作为主要应用研究背景，系统地研究了微生物发酵过程的优化和控制问题，建立和发展与这类复杂过程特点相适应的优化和控制方法。首先，提出了一种可快速获得几何规划问题最优解的全局优化方法，该方法可用于生物过程、化工过程等领域相关优化问题的求解；应用简单的等价变换和凸化方法，提出了一种可以快速求解生物化学系统稳态优化问题的几何规划方法；基于生化系统理论中的S-系统建模方法，提出了一系列可有效求解生化系统多目标非线性规划问题的线性优化方法，该类方法具有计算成本低的优点；基于NBI与加权和方法，研究了甘油连续生物歧化为1, 3-丙二醇过程的多目标优化；基于双层规划和对偶理论，提出了一种可以计算甘油代谢目标函数的新算法，取得了较好地应用效果；建立了生物过程参数辨识问题的优化模型，并为其设计了有效的求解算法；建立了生物过程的多目标最优控制模型，并提出了一种有效的求解方法；完成了一部学术专著(科学出版社)。本项目研究的成果将对生物发酵过程的优化和控制问题的研究提供新的研究方法，并且为研究其它复杂系统的建模、优化和控制问题提供了一些可以借鉴的手段。本项目的完成不仅可以实现对生物过程的最优操作和最优控制，而且对非线性系统的优化和控制方法研究，也具有重要的理论意义和应用价值。