Integration of reinforcement learning and model predictive control to optimize semi‐batch bioreactor

强化学习 计算机科学 模型预测控制 功能(生物学) 转化(遗传学) 批处理 过程(计算) 人工智能 控制(管理) 机器学习 操作系统 基因 生物 化学 程序设计语言 进化生物学 生物化学
作者
Tae Hoon Oh,Hyun Min Park,Jong Woo Kim,Jong Min Lee
出处
期刊:Aiche Journal [Wiley]
卷期号:68 (6) 被引量:39
标识
DOI:10.1002/aic.17658
摘要

Abstract As the digital transformation of the bioprocess is progressing, several studies propose to apply data‐based methods to obtain a substrate feeding strategy that minimizes the operating cost of a semi‐batch bioreactor. However, the negligent application of model‐free reinforcement learning (RL) has a high chance to fail on improving the existing control policy because the available amount of data is limited. In this article, we propose an integrated algorithm of double‐deep Q‐network and model predictive control. The proposed method learns the action‐value function in an off‐policy fashion and solves the model‐based optimal control problem where the terminal cost is assigned by the action‐value function. For simulation study, the proposed method, model‐based method, and model‐free methods are applied to the industrial scale penicillin process. The results show that the proposed method outperforms other methods, and it can learn with fewer data than model‐free RL algorithms.
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