A Comprehensive Benchmark Platform for Process Control Research of Outdoor Microalgae Raceway Reactors
作者: Enrique Rodríguez-Miranda, Pablo Otálora, José González-Hernández, José Luis Guzmán, Manuel Berenguel
分类: eess.SY
发布日期: 2025-12-17
💡 一句话要点
构建微藻跑道池反应器过程控制基准平台，促进多变量控制策略研究
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 微藻跑道池 过程控制 基准测试平台 动态模型 多变量控制
📋 核心要点
- 室外微藻培养过程控制面临多变量强耦合、环境扰动大等挑战，缺乏统一的评估标准。
- 论文构建了一个高保真动态模型驱动的基准测试平台，集成了pH、溶解氧、培养体积和温度四个关键控制任务。
- 该平台提供闭环仿真环境和统一的性能指标，便于定量比较不同控制策略，并包含基线控制器示例。
📝 摘要（中文）
本文提出了一个基准测试框架，用于评估室外微藻跑道池反应器中的过程控制策略，集成了四个关键控制调节任务：pH值、溶解氧（DO）、通过协调收获-稀释操作控制培养体积，以及通过沉淀池安装的螺旋热交换器控制温度。该基准建立在高保真、实验校准的动态模型之上，该模型捕获了控制工业规模开放式跑道池的强耦合热、物理化学和生物过程。提供了一个闭环仿真环境，具有真实的执行器约束、气体传输延迟、刚性积分以及基于多日室外扰动（辐照度、温度、风和湿度）的完全指定的场景。四个用户可替换的控制器定义了CO2注入、空气鼓泡、收获/稀释排序和热交换器操作的控制。该平台计算统一的全局性能指标，以及每个控制问题的单独指标，结合了跟踪误差、气体和能量使用以及生物质生产力，从而能够对替代控制策略进行一致且定量的比较。包括基线调节架构（On/Off、PI/PID和经济模型预测控制（EMPC））以说明基准用于经典和高级控制方法。通过提供具有明确指定的功能接口的开放指定、可重现且计算上易于处理的基准，这项工作旨在弥合控制方法和室外藻类生物过程工程之间的差距，并支持开发用于多扰动环境系统的多变量控制策略。
🔬 方法详解
问题定义：室外微藻跑道池反应器的过程控制面临着多变量、强耦合、非线性以及环境扰动大的问题。现有的控制方法难以应对这些挑战，且缺乏统一的评估标准，导致不同控制策略难以比较和优化。
核心思路：论文的核心思路是构建一个高保真、可重现的基准测试平台，该平台基于实验校准的动态模型，能够模拟真实的室外环境和反应器运行状态。通过提供统一的接口和性能指标，方便研究人员开发和评估各种控制策略。
技术框架：该基准测试平台包含以下主要模块： 1. 动态模型：基于实验数据校准的高保真动态模型，用于模拟微藻生长、热力学过程、气体传输等。 2. 闭环仿真环境：模拟真实的执行器约束、气体传输延迟等，提供多日室外扰动数据（辐照度、温度、风和湿度）。 3. 控制器接口：提供四个用户可替换的控制器，分别用于控制pH、溶解氧、培养体积和温度。 4. 性能评估指标：包括全局性能指标和针对每个控制问题的单独指标，如跟踪误差、气体和能量使用、生物质生产力等。
关键创新：该基准测试平台的关键创新在于： 1. 综合性：集成了多个关键控制任务，考虑了它们之间的耦合关系。 2. 高保真度：基于实验数据校准的动态模型，能够更真实地模拟实际运行情况。 3. 可重现性：提供开放的接口和详细的文档，方便研究人员重现实验结果和比较不同控制策略。 4. 统一评估标准：提供统一的性能指标，方便定量比较不同控制策略的优劣。
关键设计： 1. 动态模型：采用基于机理建模的方法，考虑了微藻生长、光合作用、呼吸作用、热力学过程、气体传输等因素。 2. 控制器接口：采用模块化设计，方便用户替换和定制控制器。 3. 性能指标：综合考虑了控制精度、资源消耗和生物质生产力，采用加权平均的方法计算全局性能指标。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
论文提供了基线控制器的性能数据，包括On/Off、PI/PID和经济模型预测控制（EMPC）。通过这些基线控制器，可以验证基准测试平台的有效性，并为后续研究提供参考。该平台能够量化不同控制策略在跟踪误差、气体和能量使用以及生物质生产力等方面的差异，为控制策略的优化提供依据。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于室外微藻养殖的工业过程控制，提高生物质产量、降低能源消耗、优化资源利用率。通过该基准平台，研究人员可以更高效地开发和评估先进控制算法，推动微藻生物燃料、食品和医药等领域的产业化发展，并为其他复杂环境系统的控制提供借鉴。
📄 摘要（原文）
This paper presents a benchmarking framework to evaluate process control strategies in outdoor microalgae raceway reactors, integrating four key control regulation tasks: pH, dissolved oxygen (DO), culture volume through coordinated harvest-dilution actions, and temperature via a sump-mounted spiral heat exchanger. The benchmark is built upon a high-fidelity, experimentally calibrated dynamic model that captures the strongly coupled thermal, physicochemical, and biological processes governing industrial-scale open raceway ponds. A closed-loop simulation environment is provided, featuring realistic actuator constraints, gas transport delays, stiff integration, and a fully specified scenario based on multi-day outdoor disturbances (irradiance, temperature, wind, and humidity). Four user-replaceable controllers define the manipulation of CO2 injection, air bubbling, harvest/dilution sequencing, and heat-exchanger operation. The platform computes a unified global performance index, in addition to individual metrics for each control problem, combining tracking error, gas and energy usage, and biomass productivity, enabling consistent and quantitative comparison of alternative control strategies. Baseline regulatory architectures (On/Off, PI/PID, and Economic Model Predictive Control (EMPC)) are included to illustrate the benchmark use for classical and advanced control methods. By providing an openly specified, reproducible, and computationally tractable benchmark with well-defined function interfaces, this work aims to bridge control methodology and outdoor algal bioprocess engineering, and to support the development of multivariable control strategies for disturbance-rich environmental systems.