基本模型和过程控制

基本动态模型在过程动力学和控制中起着核心作用。这些模型可用于:

• 提高对流程的理解。动态模型和计算机模拟允许在不干扰实际过程的情况下研究瞬态过程行为;

• 培训工厂操作人员。过程模拟器在训练工厂操作人员运行复杂装置和处理紧急情况方面发挥关键作用;

• 制定过程控制策略。过程的动态模型可以帮助识别应控制和应操作的过程变量;而且,

• 优化工艺操作条件。为了使利润最大化或成本最小化，可以使用稳态过程模型和经济信息来确定最有利可图的操作条件。

使用第一性原理的化学和生物过程的基本建模通常导致数学模型是微分和代数方程的系统，典型的物质和能量平衡加上系统的物理、化学和热力学关系。尽管商业软件包包含模拟方程所需的物理属性库和计算工具，但除了作为“点”解决方案外，动态建模包在工业中并没有广泛使用。

动态建模工具不具有与稳态仿真包相同的可接受级别。在化工和石化行业，动态模型软件的一个长期不足之处是，稳态包不是通过将时间导数设为零而从动态包推导出来的。因此，通常用户必须学习如何使用两个不同的包来执行稳态和动态模拟。

一个必须开发动态物理化学或生物模型用于过程控制的工程师的困境是，可以使用非常大范围的可能模型，从简单到复杂。每个模型都包含必须由建模者做出的假设，建模者通常不知道假设对模型精度或控制质量的影响。如果模型太复杂，那么控制计算的计算时间可能是令人望而却步的，在几个小时的范围内，对于响应时间常数在几分钟数量级的过程。相对较慢的模拟速度也可能是操作训练的问题。在过程工业中，使用严格的模型进行设计、控制、数据协调和优化已呈上升趋势，但大多数公司在过程建模方面缺乏专家是一个障碍。

在制药生产中，基本模型的使用很少，因为对这些模型的准确性和/或可维护性缺乏信心。为了提高药物的安全性、效率和可负担性，FDA最近提出了一个新的药物开发、制造和质量保证监管框架。PAT(过程分析技术)已经成为制药行业设计、分析和控制生产过程以减少可变性的首字母缩略词。通过对关键质量属性的建模和及时测量来确定可能导致患者风险的过程变化，然后通过过程控制来解决这些问题。

一个新兴的机会是使用具有精确质量和能量平衡的动态第一原理模型和动力学，其中包括营养素和细胞的活动以及细胞间代谢途径和细胞外参数之间的关系。这些模型可以提供生物反应器组成的实时推断测量，而没有现场实验室获得的分析结果的噪声和延迟。

该模型可以比实时更快地运行，用于快速测试和实验设计，并可用于批量剖面优化，批量性能监控和模型识别。预计技经方案将在今后几年内开始产生影响。

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