本文以微生物批式流加发酵甘油生产1,3-丙二醇(简记为1,3-PD)的实际问题为背景,以提高目标产物产量为目标,研究了非耦联批式流加发酵过程的非线性切换系统及最优控制.该项研究工作不仅扩展了最优控制理论以及优化算法的研究,所得结果还为实际的发酵实验提供了参考.本文的主要研究工作可概括如下:1、针对一类微生物发酵生产1,3-PD问题,综合考虑细胞内、外各物质浓度的变化,给出了非耦联批式流加发酵非线性切换动力系统,以甘油和碱的流加速率为控制变量,为使终端时刻1,3-PD的浓度最大,建立了非耦联批式流加发酵切换最优控制模型.应用粒子群优化算法对模型进行求解,通过大规模优化计算获得了甘油和碱的最优流加策略.数值结果表明依该流加策略,能够有效提高终端时刻1,3-PD的浓度.2、综合考虑细胞内、外各物质浓度的变化,建立了非线性切换系统来描述非耦联批式流加发酵.以甘油和碱的流加速率,甘油的切换时刻以及模式序列为控制变量,为使终端时刻1,3-PD的浓度最大,提出了带有控制约束和状态约束的切换最优控制问题.为了获得一个数值解,讨论了一个参数选择问题来近似原来的带有约束的切换最优控制问题.基于精确罚函数法,提出了一个基于梯度的算法.得到的终端时刻1,3-PD的浓度明显高于之前的研究结果,为实验室研究生产1,3-PD提供重要参考.3、综合考虑细胞内、外各物质浓度的变化,在切换次数和切换顺序预先不确定的状态下,研究了一个状态依赖的有四种模式切换的非线性切换系统.以甘油和碱的流加速率,不同模式之间的切换时刻以及模式序列为控制变量,为使终端时刻1,3-PD的浓度最大,提出了带有控制约束、状态约束以及终端约束的切换最优控制问题.建立了嵌入系统,讨论了切换最优控制问题和对应的嵌入系统最优控制问题的关系.基于并行原理,构造了一个并行算法.应用该算法求得终端时刻1,3-PD的浓度较之前的研究又有了明显提高,这不仅证明了该算法的有效性,也为实际发酵实验提供了参考.