I n d on e s i an   Jo u r n al   o El e c t r i c al   En gi n e e r i n g   an d   C o m p u te r   S c i e n c e   V o l .   17 ,   N o .   3 M a r c 20 20 ,   pp.   1 2 8 9 ~ 1 2 9 7   IS S N :   2502 - 4752 ,   D O I :   10. 1 1591 / i j e e c s . v 1 7 .i 3 . pp 1 2 8 9 - 1 2 9 7             1289       Jou r n al   h o m e pa ge ht t p: / / i j e e c s . i a e s c or e . c om   A r t i f i c i a l   n e u r a l   n e t w o r k   m o d e l   a n d   f u z z y   l o g i c   c o n t r o l   o f   d i sso l v e d   o x y g e n   i n   a   b i o r e a c t o r         N o r   H an a   M am at 1 ,   S am s u l   B ah ar i   M o h d   N o o r 2 ,   Lax s h an   A / L   R am ar 3 ,   A z u r C h e   S o h 4   F ar ah   S al e e n a   Ta i p 5 ,   A h m ad   H az r i   A b .   R as h i d 6   1 , 2 , 3 , 4 D e pa r t m e nt   o f   E l e c t r i c a l   &   E l e c t r o ni c   E ng i ne e r i ng ,   F a c ul t y   of   E ng i ne e r i ng ,   U n i v e r s i t i   P u t r a   M a l a y s i a ,   M a l a y s i a   5 D e pa r t m e n t   o f   F o o a nd   P r o c e s s   E ng i ne e r i ng ,   F a c ul t y   o f   E ng i ne e r i ng ,   U ni v e r s i t i   P u t r a   M a l a y s i a ,   M a a y s i a   1 D e pa r t m e n t   o f   A ut o m a t i o n,   F a c ul t y   o f   E l e c t r i c a l   a nd   A ut o m a t i o E ng i ne e r i ng   T e c h no l o gy ,     T A T I   U ni v e r s i t y   C o l l e g e ,   M a l a y s i a   6 I ndus t r i a l   B i o t e c hno l o gy   R e s e a r c h   C e n t r e ,   S I R I M   B e r h a d ,   P e r s i a r a D a t o   M e nt e r i ,   M a l a y s i a       A r ti c l e   I n fo     A B S TR A C T   Ar t i c l e   h i s t or y :   R e c e i v e d   M a y   20 ,   2019   R e v i s e d   A ug  21 ,   2019   A c c e pt e S e 5 ,   201 9       I n   a   f e r m e nt a t i o pr o c e s s ,   di s s o l v e o x y g e i s   t he   o ne   o f   t he   ke y   pr oc e s s   v a r i a b l e s   t h a t   n e e d s   t o   be   c o nt r o l l e be c a u s e   o f   t he   e f f e c t   t he y   ha v e   o t he   pr o duc t   qua l i t y .   I a   pe ni c i l l i pr o duc t i o n ,   di s s o l v e o xy g e c o n c e nt r a t i o i nf l u e nc e b i o m a s s   c o nc e nt r a t i o n.   I t hi s   p a pe r ,   m ul t i l a y e r   p e r c e p t r o ne u r a l   ne t w o r k   ( M L P )   a n R a di a l   B a s i s   F unc t i o ( R B F )   ne u r a l   n e t w o r i s   us e i n   m o de l i ng   pe n i c i l l i f e r m e n t a t i o p r o c e s s .   P r o c e s s   d a t a   f r o m   a n   i nd us t r i a l   s c a l e   f e d - ba t c bi o r e a c t o r   i s   us e i de v e l o pi ng   t h e   m o de l s   w i t h   di s s o l v e o x y g e a nd  pe n i c i l l i c o nc e nt r a t i o a s   t h e   o ut pu t s .   R B F   n e ur a l   ne t w o r m o de l   g i v e s   b e t t e r   a c c ur a c y   t ha M L P   ne u r a l   n e t w o r k .   T he   m o de l   i s   f ur t he r   us e i f uz z y   l og i c   c o nt r o l l e r   de s i g t o   s i m ul a t e   c o nt r o l   o f   di s s o l v e o x y g e n   by   m a ni pu l a t i o o f   a e r a t i o r a t e .   S i m ul a t i o r e s ul t   s ho w s   t ha t   t h e   f uz z y   l og i c   c o nt r o l l e r   c a c o nt r o l   t he   d i s s o l v e d   o x y g e ba s e o t h e   g i v e pr o f i l e .     Ke y w or ds :   A r t i f i c i a l   n e u r a l   n e t w o r b i o r e a c t o r   D i s s o l ve o x y g e n   F uz z y   l o gi c   c o n t r o l   P e n i c i l l i n   C opy r i gh t   ©   2020   I n s t i t ut e   o f   A dv anc e E ng i ne e r i ng   and   S c i e nc e .     A l l   r i gh t s   r e s e r v e d .   Cor r e s pon di n g   Au t h or :   N o r   H a na   M a m a t ,     D e pa rt m e n t   o f   E l e c t ri c a l   &   E l e c t r o n i c   E n g i n e e r i ng,     F a c ul t y   of   E n g i n e e ri n g,   U ni v e r s i t i   P ut ra   M a l a y s i a ,     43400  U P M   S e r d a n g ,   S e l a n go D a rul   E h s a n ,   M a l a y s i a .   E m a i l :   n o rha n a @ t a t i uc . e du. m y       1.   I N TR O D U C TI O N   B i o r e a c t o r   i s   kn o w n   a s   v e s s e l   o r   t a n i n   w h i c h   a   c h e m i c a l   p r o c e s s   i s   c a rr i e o ut   t h a t   i n v o l ve s   o r ga ni s m s   o b i o c h e m i c a l l y   a c t i v e   s ub s t a n c e s   de r i v e f r o m   s uc h   o r g a ni s m s .   B i o r e a c t o r   p r o v i de s   a   c o n t r o l l e a n s ui t a b l e   e n v i r o nm e nt   f o r   m i c r o o r ga ni s m   t o   g r o w ,   r e pr o duc e   a n s y n t h e s i s   p r o duc t .   I t   i s   us e t o   m a n uf a c t u r e   a   w i de   r a n ge   of   us e f ul   b i o l o gi c a l   pr o duc t s   v i a   f e r m e n t a t i o n   p r o c e s s ,   a m o n o t h e r s   e t ha n o l   [1] a n t i b i o t i c s   [2] ,   p r o t e i p r o duc t i o [3] ,   v a c c i n e s   [ 4]   a n b i o pl a s t i c   [5] .   I b i o pr o c e s s ,   b i o l o gi c a l   c o m po n e n t s   a r e   s e n s i t i v e   t o   e n v i r o n m e nt a l   c ha n ge s   i n   t h e   b i o r e a c t o r.   V a r i a t i o n s   i n   pH ,   t e m pe ra t u r e ,   di s s o l v e o x y g e n   (D O a nd  n u t r i e nt s   m a y   a dv e r s e l y   a ff e c t   p r o c e s s   r e pr o duc i b i l i t y   o r   c e l l   a c t i v i t y   [6]   D i s s o l ve o x y ge n   i s   a   ke y   m a c r o - n u t r i e n t   f o r   t h e   m i c r o o r g a ni s m   g r o w t h,   m e t a b o l i c   p r o duc t i o n   a n m a i n t e n a n c e   [7] .   F u n c t i o n a l   r e l a t i o n s hi b e t w e e n   t h e   pr o c e s s   v a r i a b l e s   i n   a   pe ni c i l l i n   f e r m e n t a t i o i n t r o duc e i n   [8]   s t a t e s   t ha t   di s s o l v e o x y g e n ,   pH   a n t e m pe ra t u r e   i n f l ue n c e b i o m a s s   c o n c e n t r a t i o n,     w h i l e   di s s o l ve o x y g e n   c o n c e n t r a t i o n   i s   r e l a t e t o   p H   a n t e m pe r a t u r e .   F i n d i n gs   f r o m   e xpe r i m e nt a l     s t udy   s ugge s t s   b i o m a s s   gr o w t h   i s   h i g hl y   de p e n de nt   o n   b o t h   g l uc o s e   a s   t h e   c a r b o n   s o ur c e   a nd  o x y ge n   a s   s ub s t r a t e s   [7] .   Co n t r o l   o f   e n v i r o nm e n t a l   v a r i a b l e s   (t e m pe r a t ur e ,   pH   a n di s s o l v e o x y g e n i s   i m po r t a n t   i n   a   f e r m e n t a t i o n   p r o c e s s .   P r o t e i n s ’  r e a c t i o n   i s   s l o w   i f   t e m pe ra t u r e   de c r e a s e s   a n d   i f   i t   ri s e s   t h e   c ha r a c t e r i s t i c   pr o pe rt i e s   o t h e   p r o t e i n   w i l l   b e   a l t e r e d.   A   s ui t a b l e   pH   l e ve l   i s   n e e de fo r   t ra n s f e r   o f   fe e ds t u f t o   c e l l   m e m b ra n e   a nd  e n e r gy   o ut   of   t h e   c e l l   [9]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   17 ,   N o .   3 M a r c 20 20  :     1 2 8 9   -   1 2 9 7   1290   Co m m e r c i a l   p r o duc t i o n   o f   a n t i b i o t i c s   s uc h   a s   pe n i c i l l i i s   t hr o ug h   f e r m e nt a t i o n   i n   f e d - b a t c b i o r e a c t o r s .   In   f e d - b a t c h   f e r m e nt a t i o n ,   s ub s t ra t e   i s   a dde i n t o   t h e   b i o r e a c t o r   du r i ng  t h e   b a t c h   ru n   w h i l e   c e l l s   a n p r o duc t s   a r e   o n l y   w i t h d r e w   a t   t h e   e n d   o f   fe r m e nt a t i o n   run  [10] .   I t   i s   a   p r e f e r r e m o de   of   fe r m e n t a t i o n   a s   i t   c o m b i n e s   t h e   a dv a nt a ge s   o f   b a t c h   a n c o n t i n uo us   m o de s .   Co m pa r e t o   b a t c h   m o de ,   i m p r o v e ove r a l l   pr o duc t i v i t y   c a n   b e   a c h i e v e us i n f e d - b a t c h   a s   i t   o ff e r s   c o n v e n i e n c e   i n   t e r m s   o f   b e t t e r   c o n t r o l   o ve r   v a ri a t i o i n   s ub s t r a t e   c o n c e n t ra t i o a n d   d i f fe r e nt i a t i o n   o f   gr o w t [11]   Co n t r o l   o f   fe d - b a t c h   b i o pr o c e s s   i s   c h a l l e ngi n g   a s   a c c ur a t e   m a t h e m a t i c a l   m o de l   i s   u na v a i l a b l e ,     a l s o   r a n do m   v a r i a t i o n s   o c c ur   i n   i n i t i a l   p r o c e s s   s t a t e   a n m o de l   pa ra m e t e r s   f r o m   b a t c h   t o   b a t c h.   L a c o unde r s t a n d i n o n   t h e   m i c r o o r ga n i s m ’s   c o m pl e r e gul a t o r y   n e t w o r a n t h e   i nt e ra c t i o n s   i n   b i o r e a c t o c o n t ri b ut e s   t o   t h e   a b s e n c e   of   r e l i a b l e   m e c ha n i s t i c   m o de l   [12] .   A n   a l t e rna t i v e   t o   m e c h a ni s t i c   m o de l   of  pe n i c i l l i f e r m e n t a t i o n   i s   da t a -   d ri v e n   m o de l s   us i n h i s t o r i c a l   d a t a   o f   t h e   pr o c e s s .   U n l i k e   m e c h a ni s t i c   m o de l s ,   k n o w l e dge   of   de t a i l e p r o c e s s   de s c r i pt i o i s   n o t   n e c e s s a r y   a s   i t   o n l y   de pe n ds   o t h e   a v a i l a b i l i t y   o f   a   l a r ge   p r o c e s s   da t a b a s e   [10] .   Co l l e c t i o n   o f   l a r ge   a m o unt s   of   da t a   i s   po s s i b l e   w i t h   t h e   us e   o m o de r i n s t r u m e nt a t i o n   t e c hn i q ue s   i i n d us t r i a l   s c a l e   f e d - b a t c b i o r e a c t o r s .     A r t i f i c i a l   n e u r a l   n e t w o r i s   a   da t a - d r i v e n   m e t h o t ha t   ha s   b e e n   s uc c e s s f ul l y   a ppl i e i p r e di c t i ng  s y s t e m   b e h a v i o r   b a s e d   o n   m e a s u r e v a r i a b l e s   i n   a   f e r m e n t a t i o n   pr o c e s s   be c a us e   i t   c a n   a r b i t ra r i l y   a ppr o xi m a t e   t h e   n o nl i n e a r   b e h a v i o r   o f   t h e   pr o c e s s   [13] .   P r e v i o us   s t udi e s   on   t h e   us e   of  A N N   i n   fe r m e n t a t i o n   i n c l ude   r um e f e r m e n t a t i o n   [14] ,   a c i s y n t h e s i s   [15] ,   x a n t ha n   gu m   [16] ,   fo r e i gn   p r o t e i n   [17] ,   E - c o l i   f e r m e n t a t i o n   [18]   y e a s t   f e r m e nt a t i o n   [1 9]   a n s o l i d - s t a t e   f e r m e n t a t i o n   [20] .   M ul t i l a y e r   pe r c e pt r o n   n e u r a l   n e t w o r (M L P   N N )   a n r a d i a l   b a s i s   f un c t i o n   n e ura l   n e t w o r (R BF   N N a r e   t w o   of   t h e   m o s t   f r e que n t l y   us e n e ur a l   n e t w o r s t ruc t u r e ,   a n t hus   c h o s e n   f o r   m o de l   de v e l o pm e n t   i t hi s   w o r k.   F u z z y   c o n t r o l   i s   de s i g n e t o   de a l   w i t h   un c e rt a i n t i e s   i n   a   s y s t e m   a s   n o rm a l l y   a ri s e s   i n   a   f e d - b a t c f e r m e nt a t i o due   t o   n o n l i n e a r   b e ha v i o r   o f   t h e   pr o c e s s .   U n l i ke   m o de l - b a s e m e t h o d,   f uz z y   l o gi c   c o n t r o l   do e s   n o t   ut i l i z e   c o m pl e m o de l   a n i ni t i a l   kn o w l e dge   o n   t h e   dy n a m i c s   o f   t h e   s y s t e m   i s   n o t   r e qui r e d   [21 ]   In  t hi s   p a pe r,   M u l t i l a y e r   P e r c e pt r o (M L P a n d   R a di a l   B a s i s   F un c t i o n   (R B F n e u ra l   n e t w o r m o de l s   a r e   de ve l o p e us i n r e a l   p r o c e s s   da t a   f r o m   a n   i n dus t ri a l   fe d - b a t c h   pe n i c i l l i n   f e r m e nt a t i o n .   T h e   n e u r a l   n e t w o r m o de l   i s   t h e n   us e i n   p l a c e   o f   t h e   p r o c e s s   m o de l   i n   a   f uz z y   l o gi c   c o n t r o l   o f   di s s o l ve o x y ge n   b y   m a ni pul a t i n g   a e r a t i o n   ra t e   t o   t h e   f e d - b a t c b i o r e a c t o r       2.   R ES EA R C H   M ET H O D   T h e   p r o c e s s   o f   m o de l l i ng  t h e   b i o r e a c t o r   a nd  i n v o l v e s   a   fe w   i m po r t a n t   s t e ps   a s   o ut l i n e i n   t h e   f l ow c h a r t   o f   F i gur e   a n F i gu r e   3 .   V a ri a b l e   s e l e c t i o n   i s   d o n e   b e fo r e   b ui l di n n e u ra l   n e t w o r m o de l s   f o r   f ur t h e r   us e   i n   f uz z y   l o gi c   c o n t r o l   of   di s s o l v e o x y ge n .   T hi s   i s   t o   e n s ur e   o n l y   i n put   v a r i a b l e   t h a t   h a s   i n f l ue n c e   o n   t h e   o ut put   v a ri a b l e   i s   us e i m o de l l i ng  t h e   p r o c e s s .   T w o   A r t i f i c i a l   N e ura l   N e t w o r b e e n   i m pl e m e n t e f o r   m o de l l i n g ,   na m e l y   t h e   M ul t i l a y e r   P e r c e pt r o n   (M L P a n d   R a d i a l   B a s i s   F u n c t i o n   (R B F ).   F uz z y   l o gi c   c o n t r o l l e r   de s i gn  i n v o l v e s   f uz z i f i c a t i o n   p r o c e s s   a n de f uz z i f i c a t i o n   p r o c e s s .       2. 1 .       V ar i ab l e   S e l e c t i o n   P r o c e s s   da t a   us e i t hi s   p a pe i s   o b t a i n e d   f r o m   a   s t u dy   o de v e l o pm e n t   o f   r e a l i s t i c   s i m u l a t o r   f o r   pr o c e s s   c o n t r o l   a n o pt i m i z a t i o n   s t udy   of   a n   i n dus t ri a l   pe ni c i l l i n   f e r m e n t a t i o n   p r o c e s s   [22] .   T h e   f e d - b a t c h   b i o r e a c t o r   i s   1 00, 0 00L   i v o l um e   a n f i t t e w i t h   s e n s o r s   f or  o n l i n e   m e a s u r e m e nt s   o f   p H ,   di s s o l ve o x y ge n   (D O ),   t e m pe ra t u r e ,   p r e s s u r e   a n d   f o a m i n g .   A   t o t a l   o f   10  f e r m e nt a t i o b a t c h e s   i s   a v a i l a b l e .   b a t c h e s   w i l l   b e   us e fo r   n e u r a l   n e t w o r t r a i n i ng,   o n e   b a t c h   f o r   n e u r a l   n e t w or t e s t i n a n a n o t h e r   b a t c h   i s   us e a s   r e f e r e n c e   pr o f i l e   f o r   f uz z y   l o gi c   c o n t r o l l e r.     T h e   f i r s t   s t e i n   m o de l l i n i s   t o   de t e r m i n e   w h i c h   i n put   v a r i a b l e   w i l l   a f fe c t   t h e   D O   l e v e l   of   t h e   b i o r e a c t o r   a n pe ni c i l l i n   c o n c e nt r a t i o n.   P r e v i o us   s t udi e s   s t a t e   t ha t   i n pu t   v a r i a b l e s   a ff e c t i ng  t h e   D O   l e v e l   a r e   a e ra t i o n   r a t e   (L / m ) ,   p r e s s ur e   (b a r ) ,   w a t e r   i n j e c t i o n   ra t e   (L / m ),   s ub s t r a t e   f e e di n ra t e   (L / m a n t e m pe r a t u r e   (Ce l s i us [22 - 23] .   S e n s i t i v i t y   a na l y s i s   i s   pe r f o r m e o n   t h e   p r o c e s s   b a t c h   d a t a   us i n g   c o s i n e   a m pl i t ude   m e t h o (CA M t o   de t e r m i n e   t h e   r e l a t i v e   e f fe c t   of   e a c h   p r o c e s s   va r i a b l e   t o w a r ds   t h e   o ut pu t   v a r i a b l e s ;   di s s o l v e d   o x y g e n   a n pe n i c i l l i n   c o n c e nt r a t i o n,   a s   de f i n e by   t h e   v a l ue   of   R i j   i n   ( 1 )   [24] .   A   l a r ge r   v a l ue   o R i j   i n di c a t e s   a   s t r o n ge r   i n f l ue n c e   o t h e   i n pu t   v a ri a b l e   xi   t o w a r ds   a n   o ut put   v a r i a b l e   y j   i n   m - d i m e n s i o n a l   s pa c e     da t a   p a i r s   [25]      =   = 1  2  2 = 1 = 1   (1)       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       A r t i f i c i a l   N e ur al   N e t w or k   Mod e l   and   F uz z y   L og i c   C on t r ol   of   D i s s ol v e d   O x y ge i a…   ( Nor   H ana   Mam at )   1291   2. 2 .       M u l ti l a ye r   P e r c e p tr o n   A N N   M ul t i l a y e r   P e r c e pt r o n   n e u r a l   n e t w o r c o n s i s t s   of   a   s e r i e s   o n   i n t e r c o nn e c t e n o de s   o r   n e u r o n   a s   s h o w n   i n   F i gu r e   2 .   T h e s e   n e u r o n s   a r e   e s s e n t i a l l y   n o n l i n e a r   pr o c e s s i n e l e m e n t s   w hi c h   r e p r e s e n t   a   n o n l i n e a t r a n s f o r m a t i o n   o n   t h e   s um m a t i o n   o f   t h e   i n pu t   s i g n a l s   [ 5].   T he   n o de s   a r e   c o n n e c t e by   a   s e t   of   s c a l a r   w e i gh t s .   T h e r e   i s   a l w a y s   a n   i n pu t   a n a n   o ut pu t   l a y e r   t o   t h e   n e t w o r k   a n t h e   n u m b e r   o f   n e ur o n s   i n   b o t h   t h e s e   l a y e r s   de pe n ds   o n   t h e   r e s pe c t i v e   n um b e r   o i n pu t s   a n o ut put s   b e i n c o n s i de r e d.   I n   c o n t r a s t ,   t h e   num b e r   o h i dde l a y e r   n e u r o n s   m a y   v a r y   f r o m   z e r o   t o   a n y   f i n i t e   num b e r.   T h e   n um b e r   o f   n e u r o n s   i e a c h i d de l a y e r   i s   a l s o   us e r - s pe c i f i e [6].     T h e   M L P   n e t w o r i s   c o de i n   M A T L A B   s of t w a r e .   T h e   m o de l   t ra i n e us i ng  d a t a   s e t s   p r e v i o us l y   a c qui r e f r o m   r e a l   b i o r e a c t o r .   T w o   da t a   s e t s   a r e   c r e a t e d   f r o m   t h e   b a t c da t a ,   c a l l e t r a i n i ng  d a t a   a n d   t e s t i ng  da t a .   T h e   t ra i ni n da t a   w i l l   b e   us e t o   t r a i n   t h e   n e u ra l   n e t w o r r e pe a t e dl y   un t i l   i t   r e a c h e s   a c c e pt a b l e   e rr o ra n ge .   M e a n w h i l e   t e s t i n da t a   w i l l   b e   us e t ve r i fy   t r a i n e d   n e u r a l   n e t w o r k.   T h e   t r a i ni n d a t a   a n t e s t i ng  da t a   s h o ul n o t   c o nt a i n   s a m e   d a t a   s e t s .   A dv i s a b l y ,   80%  o a v a i l a b l e   da t a   us e f o r   t r a i n i ng  a nd  r e m a i ni n g   20%  us e fo r   t e s t i n g .   I n   t h i s   c a s e ,   da t a   f r o m   b a t c h   2,   b a t c h   3 ,   b a t c h   a nd  b a t c h   1 us e fo r   t ra i ni n a n m e a n w h i l e ,   da t a   f r o m   b a t c h   us e f o r   t e s t i n g .   A n o t h e r   m a t t e r   t ha t   s h o ul c o n s i de r e i s   t h e   s t r uc t u r e   o f   M L P   A N N ,   s pe c i f i c a l l y   t h e   n u m b e r   o f   h i dde l a y e r s   a n d   n e u r o ns   fo r   e a c h   l a y e r .   T h e r e   i s   n o   s pe c i f i c   m e t h o t o   de t e r m i n e   t h e   o pt i m u m   n u m b e r   o f   h i d de l a y e r s   a nd  n e u ro n s   o f   e a c h   l a y e r .   T h us ,   t h e   t ra i ni n g   p r o c e s s   i s   r e pe a t e m a n y   t i m e s   w i t h   di f f e r e n t   c o m b i na t i o n   o n um b e r   o h i dde n   l a y e r s   a n n e ur o n s   of   e a c h   l a y e r .     B e s t   s t r uc t u r e   i s   c h o s e n   b a s e o n   t h e   pe r f o r m a n c e   o f   e a c h   M P L   s t r uc t u r e s ,   w h i c h   w a s   [15 3 0]  a s   s h o w n     i n   F i gu r e   3 .   F l o w c h a r t   f o r   R B F   n e u r a l   n e t w o r k   a s   s h o w n   i n   F i gu r e   4 .           F i gu r e   1 .   F l o w c h a r t   f o r   M L P   n e u r a l   n e t w o r k       T h e r e   a r e   f e w   pa r a m e t e r s   t ha t   s h o ul d   b e   s e t   fo r   t h e   t r a i n i ng .   T h e   l e a rni n g   p r o c e s s   c o n t i n ue s   a s   t h e   da t a   s e t s   a r e   p r e s e n t e d   r e pe a t e dl y   t o   t h e   A N N   a n d   w e i gh t s   b e t w e e n   t h e   n o de s   a r e   a dj us t e t o   r e duc e   t h e   e rr o r.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   17 ,   N o .   3 M a r c 20 20  :     1 2 8 9   -   1 2 9 7   1292   E po c h   i s   t h e   n u m b e r   o f   t i m e s   t h e   s a m e   da t a   s e t   b e i n g   f e i n t o   t h e   A N N .   W hi l e   t ra i ni n t h e   A N N ,     t h e   m a xi m u m   n um b e r   o f   e poc h s   s h o ul b e   s e t ,   s t h a t   t h e   t ra i ni n w i l l   s t o a f t e r   a   c e r t a i n   n um b e r   o f   e poc h s .   F a i l u r e   t o   s e t   t h i s   t ra i ni n p a r a m e t e r   m a y   r e s ul t   i n   n o n - s t o t r a i ni n p r o c e s s .   In   t hi s   s t udy ,   w e   s e t   t h e   m a x i m u m   n u m b e r   o e p o c h s   t o   b e   1000.   A n o t h e r   pa ra m e t e t ha t   s h o ul b e   s e t   i s   t h e   e rr o r   go a l .   T h e   t r a i ni n g   pr o c e s s   c o n t i n ue s   u nt i l   t h e   m a xi m u m   n u m b e r   o f   e p o c h s   i s   re a c h e o r   t h e   e rr o r   m e t   t h e   e rr o r   go a l ,   w hi c h e v e r   c o m e s   f i r s t .   L e a rni n ra t e   i s   a n o t h e r   p a r a m e t e r   w h i c h   c o nt r o l s   t h e   s pe e o f   t h e   l e a rn i ng  o f   t h e   A N N .   I n   b a c pr o pa g a t i o n,   t h e   l e a rn i ng  ra t e   i s   a n a l o go us   t t h e   s t e p - s i z e   pa r a m e t e r   f r o m   t h e   g r a di e n t - de s c e n t   a l go ri t hm .     If   t h e   s t e p - s i z e   i s   t o o   h i g h ,   t h e   s y s t e m   w i l l   e i t h e r   o s c i l l a t e   a bo ut   t h e   t r ue   s o l ut i o n,   o r   i t   w i l l   n o t   d i v e r ge   c o m pl e t e l y .   I f   t h e   s t e p - s i z e   i s   t o l ow ,   t h e   s y s t e m   w i l l   t a k e   a   l o n t i m e   t o   c o n v e r ge   o n   t h e   f i n a l   s o l ut i o n.     T h e   l e a rni n g   ra t e   i s   s e t   t o   0. 1 .               F i gu r e   2 .   M u l t i l a y e r   P e r c e pt r o A r t i f i c i a l   N e u r a l   N e t w o r k     F i gu r e   3 .   M L P   n e u ra l   n e t w o r s t r uc t u r e           F i gu r e   4 .   F l o w c h a r t   f o r   R B F   n e u r a l   n e t w o r k       2. 3 .       R ad i al   B as i s   F u n c ti o n   A N N   RB F   A N N   i s   a   f o r w a r n e u ra l   n e t w o r w h i c h   us e s   r a d i a l   b a s i s   f un c t i o n s ,   Φ m (. a s   a c t i v a t i o f un c t i o n s   f o r   e a c h   hi dde n   l a y e r   n e ur o n   a n t h e   o ut pu t   o f   RBF   A N N   i s   w e i ght e l i n e a r   s upe r po s i t i o n   o f   t h e s e   b a s i s   f un c t i o n s   [7] .   F i gu r e   5   s h o w s   t h e   s t ruc t u r e   o f   RB F   A N N .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       A r t i f i c i a l   N e ur al   N e t w or k   Mod e l   and   F uz z y   L og i c   C on t r ol   of   D i s s ol v e d   O x y ge i a…   ( Nor   H ana   Mam at )   1293   T h e   p r o c e s s   of   s e l e c t i n d a t a   f o r   b o t h   t r a i n i ng  a nd  t e s t i ng  t e s t s   a r e   t h e   s a m e   w i t h   t h e   M L P   A N N   pr o c e s s .   N e v e r t h e l e s s ,   t h e   s t r uc t u r e   o f   RB F   h a s   di f f e r e n t   a pp r o a c c o m pa r e   t o   M L P .   U n l i ke   M L P ,   i t   ha s   o n l y   o n e   s i n gl e   l a y e r   w h i c h   c o n s i s t s   o n um b e r s   o f   n e ur o n s .   T h e   pa r a m e t e r   t o   be   a dj us t e i s   t h e   s pr e a of   e a c h   n e u r a l .   S i m i l a r   l i ke   M L P ,   t h e r e   i s   n o   m e t h o t o   f i n o pt i m u m   s pr e a t h a t   w i l l   gi v e   be s t   pe r fo r m a n c e .     T h us ,   t h e   t ra i ni n p r o c e s s   w i l l   b e   r e pe a t e w i t h   di f f e r e n t   ra di us   v a l ue   a n d   c o m pa r e t o   c h o o s e   t h e   o n e   w i t h   m o r e   a c c u r a t e   r e s ul t .           F i gu r e   5 .   T h e   b a s i c   s t r uc t u r e   o f   RB F   n e ura l   n e t w o r k       2. 4 .       D e s i gn i n g   th e   V al v e     T h e   a e r a t i o l e v e l   c a n   b e   c o n t r o l l e us i n l i m i t e i nt e g r a t o r   i n   t h e   s i m ul a t e v a l v e   s ub s y s t e m   a s   s h o w n   i n   F i gu r e   6.   N o t e   t h a t   t h e   v a l v e   i s   di r e c t l y   c o n t r o l l e by   t h e   f uz z y   l o gi c   c o n t r o l l e r .   T h e   D O   l e v e l   s h o ul d n t   d r o b e l ow   30%  of   t h e   n o m i n a l   v a l ue   i n   o r de r   t o   e n s u r e   s ur v i v a l   o f   pe n i c i l l i n   c u l t u r e .   A e ra t i o n   i s   di r e c t l y   r e l a t e t o   t h e   D O   l e ve l .   T o   pr e v e n t   D O   l e v e l   t o   dr o b e l ow   30%,   a   l i m i t e r   i s   a d de t o   t h e   v a l v e   s t h a t   i t   w o n ’t   c l o s e   m o r e   t ha a   s pe c i f i c   l e v e l .           F i gu r e   6 .   V a l v e   s ub s y s t e m   i n   s i m u l i nk       2. 5 .       F u z z Lo gi c   C o n tr o l l e r   (F LC )   B e fo r e   de s i gn i ng  t h e   f uz z y   l o gi c   c o n t r o l l e r   (F L C) ,   t h e   i nput s   t o   t h e   f uz z y   l o gi c   a n i t s   o ut put   s h o ul d   b e   d e t e r m i n e d.   I n   t h i s   c a s e ,   t h e   o ut put   w i l l   c h a nge   t h e   o pe ni n o f   v a l ve   b a s e c ur r e n t   o pe n i n s i z e   a s   t h e   o pe n i n o f   t h e   v a l v e   w i l l   de t e rm i n e   t h e   a e r a t i o n   r a t e   b e i n f e e i n t o   t h e   b i o r e a c t o r .   M e a n w hi l e ,   a s   t h e   i nput s ,   e rr o r   o f   D O   l e ve l   of   o u t put   t o   t h e   s e t   po i n t   a n r a t e   o c h a n ge   o f   e rr o r   a r e   t a ke n.   F i gu r e   s h o w s   a   s i m pl e   r e p r e s e n t a t i v e   of   i nput   a nd  o ut pu t   o f   t h e   f uz z y   l o gi c   c o n t r o l l e r .           F i gu r e   7 .   S t ruc t u r e   o f   f uz z y   l o gi c   w i t i nput s   a n d   o ut put   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   17 ,   N o .   3 M a r c 20 20  :     1 2 8 9   -   1 2 9 7   1294   T h e   n e xt   s t e w i l l   b e   f uz z i f i c a t i o n   w hi c t ra n s f o r m i n g   t h e   s y s t e m   i n p ut s ,   w h i c h   a r e   c ri s n u m b e r s ,   i n t o   f uz z y   s e t s .   F o r   t h e   i nput   e rr o r”   i t   h a s   t hr e e   f uz z y   s e t s   w h i c a r e   L ow ,   O K   a n H i gh” .   M e a n w hi l e ,   fo r   t h e   i n put   R a t e   o E rr o r”   i t   h a s   t hr e e   f uz z y   s e t s   a s   w e l l :   N e ga t i v e ,   Z e r o ,   a n P o s i t i v e .   T h e   o ut put   w i l l   ha v e   di s t i n c t   m e m b e r s h i ps :   Cl o s e   L a r ge ,   Cl o s e   S m a l l ,   N o   Ch a nge ,   O pe n   S m a l l   a n O pe l a r ge .   T a b l e   a n T a b l e   s h o w   t h e   m e m b e r s h i t y pe   of  e a c h   i nput   o f   E RR O R   a n R A T E   of   E RR O R   r e s pe c t i v e l y   i n c l udi n t h e i r   c r i s i n pu t   r a nge .   M e a n w h i l e   T a b l e   s h o w s   t h e   m e m b e r s h i f u n c t i o n   f o r   t h e   F L C’s   o ut put .   A f t e f uz z i f i c a t i o n,   a   s e t   o f   r ul e s   w i l l   b e   c r e a t e d.   T h e   r u l e s   a r e   c o nn e c t e by   a n d   c o n n e c t i v e s .   T a b l e   s h o w s   t h e   r u l e   b a s e   o f   t h e   F L b a s e o r e l a t i o n s hi p   o f   t h e   i n pu t s   f o r   t h e   o ut put s .   T o   de t e r m i n e   t h e   o ut put   gi v e n   i n pu t   v a l ue s ,   t h e   F L   s ho ul u n de rgo   de f uz z i f i c a t i o p r o c e s s .   D e f uz z i f i c a t i o n   i s   t h e   p r o c e s s   o f   c o n ve r t i ng  t h e   de g r e e   o f   m e m b e r s h i p   o f   o ut put   l i n gu i s t i c   v a r i a b l e   i n t o   c ri s n u m e r i c a l   v a l ue s .   F o r   t hi s   s t udy ,   c e n t r o i d   o f   gra v i t y   m e t h o i s   us e d.         T a b l e   1 .   M e m b e r s h i o f   E a c h   V a r i a b l e   o   In p ut   " E rr o r "   F u z z y   V a ri a b l e   M F   U s e d     Cri s p   In p u t   Ra n g e   H i g h   G a u s s i a n   M F   (3 , - 10)   OK   G a u s s i a n   M F   (3 , 0 )   L o w   G a u s s i a n   M F   ( - 3 , 1 0 )     T a b l e   2 M e m b e r s h i o f   E a c h   V a r i a b l e   o   In p ut   " R a t e   o E rr o r "   F u z z y   V a ri a b l e   M F   U s e d     Cri s p   In p u t   Ra n g e   N e g a t i v e   G a u s s i a n   M F   ( - 0 . 3 , - 1)   Z e r o   G a u s s i a n   M F   (0 . 3 , 0 )   P o s i t i v e   G a u s s i a n   M F   ( - 0 . 3 , 1 )         T a b l e   3 .   M e m b e r s h i F u n c t i o o f   E a c V a ri a b l e   o f   O ut put   " V a l v e   Cha n ge s "   F u z z y   V a ri a b l e   M F   U s e d     Cri s p   O u t p u t   Ra n g e   Cl o s e   l a rg e   t ri m M F   (0 . 8 ,   1 )   Cl o s e   s m a l l   t ri m M F   (0 . 2 ,   0 . 4 )   N o   c h a n g e   t ri m M F   ( - 0 . 1 ,   0 . 1 )   O p e n   s m a l l   t ri m M F   ( - 0 . 4 ,   - 0 . 2 )   O p e n   l a rg e   t ri m M F     ( - 1 ,   - 0 . 8 )         T a b l e   4 .   R ul e   b a s e   f o r   F uz z y   L o gi c   t o   Cha n ge   t h e   V a l v e   O pe n i ng  S i z e   In p u t s   E rro r         Ra t e   o f   E rro r   M e m b e r s h i p s   L o w   OK   H i g h   N e g a t i v e   O p e n   l a rg e   O p e n   S l o w   Cl o s e   f a s t   Z e r o   O p e n   l a rg e   N o   C h a n g e   Cl o s e   f a s t   P o s i t i v e   O p e n   L a rg e   Cl o s e   S l o w   Cl o s e   f a s t         3.   R ES U LTS   A N D   A N A L Y S I S   3. 1 .      S e n s i ti v i ty   A n al ys i s   S e n s i t i v i t y   a n a l y s i s   w a s   c a rr i e o ut   o n   t h e   da t a s e t   f o r   b a t c h e s   2,   3,   a nd  10  w h i c h   a r e   us e f o r   n e u r a l   n e t w o r t ra i n i n g   us i ng  c o s i n e   a m pl i t u de   m e t h o t o   de t e rm i n e   R i j   t ha t   gi v e s   t h e   r e l a t i v e   s i gni f i c a n c e   o i n put   v a ri a b l e ’s   e ffe c t   t ow a r ds   o ut put   v a ri a b l e .   T h e   hi g h e r   v a l ue   of   R i j   gi ve n   b e t w e e n   a n i n d i c a t e s   a   m o r e   i n f l ue n t i a l   i nput   v a r i a b l e .   F i gu r e   s h o w s   t h e   r e s ul t   o f   s e n s i t i v i t y   a na l y s i s   fo r   i n pu t   v a r i a b l e s ;   t e m pe ra t u r e   (Ce l s i us ),   w a t e r   i n j e c t i o n   ra t e   (L / m ) ,   s uga r   s ub s t r a t e   f e e di n r a t e   (L / m ) ,   p r e s s ur e   (b a r)  a n d   a e ra t i o n   ra t e   (L / m o n   o ut pu t   v a r i a b l e s ;   di s s o l v e o x y g e n   a n d   pe ni c i l l i n   c o n c e nt r a t i o n .   F r o m   t h e   r e s ul t s   f o r   t w b a t c h e s   s h o w n   h e r e ,   t e m pe ra t u r e   a n s ug a r   s ub s t r a t e   fe e di n r a t e   ha s   t h e   b i gge s t   i n f l ue n c e   o n   di s s o l v e d   o x y g e n   a n pe ni c i l l i n   c o n c e nt r a t i o r e s pe c t i v e l y .   T h e   l e a s t   s i g n i f i c a n t   v a ri a b l e   f o r   bo t h   o ut put   v a ri a b l e s   i s   w a t e r   f o r   i n j e c t i o n .   A l l   o t h e r   f o ur   i n pu t   v a r i a b l e s   us e i n   b ui l d i n t h e   n e ura l   n e t w o r m o de l s   s h o w s   s t r o n r e l a t i o n s h i p   t o   t h e   o ut put   v a r i a b l e .             (a )   (b )     F i gu r e   8 .   S e n s i t i v i t y   a na l y s i s   fo r   ( a b a t c (b b a t c 3   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       A r t i f i c i a l   N e ur al   N e t w or k   Mod e l   and   F uz z y   L og i c   C on t r ol   of   D i s s ol v e d   O x y ge i a…   ( Nor   H ana   Mam at )   1295   3. 2 .       Bl o c k   D i agr am   o th e   S ys t e m   i n   S i m u l i n k   T h e   pr o j e c t   b e e n   s i m u l a t e i n   S i m u l i nk  M A T L A B   s of t w a r e   us i ng  a   b l o c di a gra m   t h a t   b e e n   de s i gn e i n   S i m u l i n k   w h i c h   c o n s i s t   o f   bo t h   m o de l   o f   t h e   b i o r e a c t o r   a nd  f uz z y   l o gi c   c o n t r o l l e t o   a dj us t   t h e   a e ra t i o n   ra t e   t o   c o n t r o l   t h e   di s s o l v e o x y ge n   l e v e l   i t h e   b i or e a c t o r.   T h e   b i o r e a c t o pl a n t   c o n s i s t s   o f   a r t i f i c i a l   n e u r a l   n e t w o r m o de l   fo r   bo t h   D O   l e ve l   a n pe n i c i l l i n   c o n c e nt r a t i o n   o f   t h e   b i o r e a c t o r .   T h e   n e ga t i v e   f e e d b a c k   e rr o r   o f   D O   i s   fe i n t o   f uz z y   l o gi c   c o n t r o l l e r   a s   i n pu t .   T h e   ne ga t i v e   fe e d b a c a l s o   b e e n   f e i n t o   di f fe r e n t i a t o b l oc (du/ dt t o   ge t   ra t e   o f   c h a n ge   o f   e rr o r ,   w hi c h   i s   t h e   s e c on i n pu t   f o r   t h e   f uz z y   l o gi c .   T h e   o pe n i n s i z e   of  v a l v e   i s   di r e c t l y   c o n t r o l l e by   t h e   f uz z y   l o gi c   c o n t r o l l e r.   T h e   o pe n i n s i z e   of   v a l v e   w i l l   de t e rm i n e   t h e   a e ra t i o n   ra t e   (L / m )   t o   b e   f e e i n t o   t h e   b i o r e a c t o m o de l .       3. 3 .       S e l e c t i o n   o ANN  M o d e l   S tr u c tu r e   T a b l e   s h o w s   r e gr e s s i o n   v a l ue s   of   t r a i n i ng  a n t e s t i n r e s ul t s   f o r   b o t h   M L P   a n R B F   A N N   ob t a i n e f r o m   r e g r e s s i o n   pl o t s .   R e gr e s s i o n   a n a l y s i s   i s   a   s e t   of   s t a t i s t i c a l   p r o c e s s e s   fo r   e s t i m a t i n g   t h e   r e l a t i o n s h i ps   a m o n v a r i a b l e s .   In  t h e   c a s e ,   r e l a t i o n s hi b e t w e e n   t h e   t a rge t   o ut put   a n t r a i n e o ut put   c a b e   ob s e r ve a nd  a na l y s e d.   A   c o rr e l a t i o c o e ff i c i e n t   o r   r e g r e s s i o n   v a l ue   R v a l ue   c l o s e r   t o   i n d i c a t e s   a   c l o s e r   f i t   of   pr o c e s s   o ut put   t o   m o de l   o ut put .   T a b l e   c o m pa r e s   t h e   r e gr e s s i o n   v a l ue s   t o   pi c t h e   b e s t   a v a i l a b l e   t r a i n e n e u r a l   n e t w o r t o   b e   us e a s   b i o r e a c t o r   m o de l   i n   s i m ul a t i o n.   F o r   D O   l e v e l ,   M L P   s h o w s   h i g h e r   r e g r e s s i o n   v a l ue   c o m pa r e t o   R BF ,   w h i c h   m e a n s   i t   i s   b e t t e r   t h a R B F .   H ow e ve r ,   t h e   t e s t i ng  r e g r e s s i o n   s h o w s   t h a t   R B F   gi v e s   b e t t e r   f i t   c o m pa r e t o   M L P .   T h i s   s h o w s   t h a t   R B F   pe r fo r m   b e t t e r   d u r i n g   t h e   t e s t i ng.   T hi s   c o n di t i o n   m a y   o c c ur   due   t o   M P L   h a s   b e e n   o v e r - t r a i n e d   a n d   b e c o m e s   l e s s   f l e xi b l e .   S i m i l a c o n di t i o i s   s e e n   i n   A N N   t r a i n i ng  fo r   pe ni c i l l i c o n c e n t ra t i o n   w h e r e   M L P   ha s   h i g h e r   r e g r e s s i o n   v a l ue   c o m pa r e   t o   RB F   i n   t r a i n i ng,   b ut   R B F   ha s   hi g h e r   r e g r e s s i o n   v a l ue   i t e s t i ng.   T hi s   m e a n s   t ha t   i n   bo t h   m o de l l i n g ,   M L P   h a s   b e e n   o v e r - t r a i n e d,     w h i c h   m a de   i t   l e s s   f l e xi b l e   c o m pa r e   t o   RB F   A N N .   T h us ,   R B F   A N N   i s   c h o s e n   a s   f o r   bo t h   D O   a n pe n i c i l l i n   c o n c e n t r a t i o m o de l   t o   b e   us e i n   s i m u l a t i o n.       T a b l e   5 .   R e gr e s s i o V a l ue s   o f   T ra i ni n a n d   T e s t i n g   R e s ul t   f o r   A N N   O u t p u t   V a ri a b l e     A N N   M e t h o d   T ra i n i n g     Re g r e s s i o n   v a l u e   T e s t i n g     Re g r e s s i o n   v a l u e   D 0 2     l e v e l   M L P   A N N   0 . 9 0 5 7   0 . 8 6 3 0   RBF   A N N   0 . 7 9 8 1   0 . 8 7 3 1   P e n i c i l l i n     Co n c e n t ra t i o n   M L P   A N N   0 . 9 8 8 9   0 . 8 8 6 0   RBF   A N N   0 . 9 1 0 5   0 . 9 1 0 5       3. 4 .      S i m u l ati o n   R e s u l t   F i gu r e   s h ow s   D O   l e v e l   o ut put   of   t h e   b i o r e a c t o r   v e r s us   t h e   D O   s e t   p o i n t   t ha t   v a ri e s   a c c o r di n t i m e   a s   de f i n e by   P r of i l e   f r o m   b a t c h   1.   T h e   r e s ul t s   s h o w   t h a t   t h e   D O   l e v e l   s uc c e s s f ul l y   c o n t r o l l e t o   fo l l ow   t h e   pr o f i l e   w i t h   v e r y   s m a l l   e rr o r   by   us i n g   f uz z y   l o gi c   c o n t r o l l e r .   T h e   f uz z y   l o gi c   c o n t r o l l e r   a l s o   m a na ge t e l i m i na t e   o v e r s h o o t s   oc c ur r e n c e   i n   t h e   r e s po n s e   a s   n o rm a l l y   s e e n   i n   P ID   c o n t r o l l e r.   T h e   s t e a dy   s t a t e   e rr o c a b e   r e duc e by   a dj us t i n g   t h e   e rr o g a i n.   F i gu r e   s h o w s   a e r a t i o n   r a t e   a s   a dj us t e by   t h e   v a l v e   w h i c h   c o n t r o l l e by   t h e   f uz z y   l o gi c   c o n t r o l l e r .   By   m a ni pul a t i n a e r a t i o n   ra t e ,   D O   l e v e l   c a n   b e   c o n t r o l l e d.   T hi s   r e l a t i o n s h i c a n   b e   s e e n   by   c o m pa r i n g     F i gu r e   9   a n F i gu r e   10 .   A s   a e r a t i o n   ra t e   i s   i n c r e a s e t h e   D O   l e ve l   i n   t h e   b i o r e a c t o r   a l s o   i n c r e a s e s ,   t h i s   i s   t r ue   a l s o   f o r   o ppo s i t e   c o n di t i o n .             F i gu r e   9 .   S i m u l a t e D O   l e v e l   us i ng  P r o f i l e   1     F i gu r e   10 .   S i m u l a t e r e s ul t   o f   a e ra t i o n   ra t e   t o   b i o r e a c t o r   c o n t r o l l e d   by   F uz z y   L o gi c   Co n t r o l l e r   f o r   P r o f i l e   1   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   17 ,   N o .   3 M a r c 20 20  :     1 2 8 9   -   1 2 9 7   1296   F i gu r e   11  s h o w s   t h a t   t h e   pe ni c i l l i n   c o n c e nt ra t i o n   a ga i ns t   t i m e   f o r   P r o f i l e   1.   T h e   pe n i c i l l i c o n c e n t r a t i o n   i n c r e a s e s   a s   t h e   f e r m e nt a t i o n   du r a t i o n   i n c r e a s e s   a s   o bs e r v e i n   t h e   b a t c h   d a t a .   T hi s   s h o w s   t h a t   bo t h   m o de l   a n c o n t r o l l e r   s uc c e s s f ul   i n   s i m u l a t i n t h e   pe ni c i l l i n   s fe r m e n t a t i o n.   T h e   w h o l e   pr o c e s s   t oo k   140  h o u r s .   F r o m   t h e   pl o t ,   i t   i s   o b s e r ve t h a t   pe ni c i l l i n   c o n c e n t ra t i o n   r e a c h e i t s   s a t u r a t i o n   a t   h o u r   90.     T h i s   m e a n s   t ha t ,   t h e   p r o c e s s   i s   c o m pl e t e by   h o ur   100  a n p r o duc t   c a n   b e   c o l l e c t e by   t h e n .   T h e r e   i s   n o   n e e t o   w a i t   unt i l   140  h o u r s   t o   c o l l e c t   t h e   p r o duc t   i t h e   r e a c t o r.   T h i s   i s   a   f e b a t c h   p r o c e s s ;   h e n c e   w h o l e   pr o duc t   m us t   b e   c o l l e c t e a t   t h e   e n o f   t h e   pr o c e s s .   T h e   c h a ra c t e ri s t i c   of   t h e   s t e r e s po n s e   c a n   b e   a n a l y s e b a s e d     o n   F i g u r e   12 .             F i gu r e   11 .   S i m u l a t e r e s ul t   o f   pe n i c i l l i c o n c e n t r a t i o i b i o r e a c t o c ul t u r e   f o r   P r o f i l e   1     F i gu r e   12 :   S t e p   R e s po n s e   of   t h e   F u z z y   L o gi c   Co n t r o l l e r       A   s t e r e s po n s e   o f   13  m g/ L   f o r   D O   l e v e l   i s   gi v e n   a s   t h e   s e t   po i n t .   R i s e   t i m e ,   t r ,   i t   t a ke s   f o r   t h e   r e s po n s e   t o   r i s e   f r o m   10%  t o   90%  o f   t h e   s t e a dy - s t a t e   r e s po ns e .   T h e   ri s i n t i m e ,   t r,   e qui v a l e nt   t o   0. 135  h o u r s   o r   8. 1   m i n ut e s .   T h e   s t e r e s po n s e   of   F L s h ow s   t h a t   i t   do e s   n o t   h a v e   a n y   ov e r s h o o t .   S t e a dy - s t a t e   e rr o r   i s   de f i n e a s   t h e   di f f e r e n c e   be t w e e n   t h e   s e t   po i n t   a n t h e   o ut put   o f   a   s y s t e m   i n   t h e   l i m i t   a s   t i m e   go e s   t o   i n f i n i t y .   T h e   o ut put   s e t t l e s   a t   12 . 83  m g / L   w h e n   t h e   s e t - po i nt   i s   s e t   t o   13.   T h e r e f o r e ,   i t   h a s   s t e a dy   s t a t e   e rr o r   o 0. 17 m g/ L   o r   1 . 307 %.   T h i s   v a l ue   i s   c o n s i de r e go o a s   s t e a d y   s t a t e   e rr o r   i n   b i o - p r o c e s s   i s   us ua l l y   l a r ge .   S e t t l i n g   t i m e ,   t s   i s   t i m e   i t   t a ke s   f o r   t h e   e rr o r   b e t w e e n   t h e   r e s po n s e   a nd  s e t   po i n t   t o   f a l l   t o   w i t hi n   2% .   I t hi s   c a s e ,   t h e   s e t t l i ng  t i m e   i s   0. 2   h o u r s   o 12   m i n u t e s .       4.   C O N C LU S I O N   Bo t h   M L P   a n d   R B F   n e ura l   n e t w o r m o de l s   s h o w   g oo r e s ul t s   a s   s h o w n   by   r e gr e s s i o n   v a l ue s   fo r   t r a i ni n a n t e s t i n f o r   D O l e v e l   a n pe n i c i l l i n   c o n c e n t ra t i o n .   E xc e pt   fo r   t ra i ni n r e g r e s s i o n   v a l ue   o f   RBF   A N N   fo r   D O l e v e l   a r o un d   0. 8,   a l l   o t h e r e g r e s s i o n   v a l ue s   e xc e e 0. 85.   R B F   n e ura l   n e t w o r m o de l   s h o w s   b e t t e r   r e s ul t   a s   i t   s h o w s   n o   ov e r f i t t i n o c c ur s .   S i m ul a t i o n   r e s ul t s   f o r   f uz z y   l o gi c   c o n t r o l l e r   s h o w s   t h a t   i t   c a fo l l ow   t h e   r e f e r e n c e   p r o f i l e   fo r   D O   a nd  pe n i c i l l i c o n c e n t ra t i o n .   T h e   de s i g n e f uz z y   l o gi c   c o n t r o l l e r   c a pr o v i de   a   go o s t e r e s po n s e .   I n c r e a s i n t h e   g a i o f   e r r o a nd  r a t e   o f   e r r o i t h e   c i r c ui t   g i v e s   f a s t e r   r e s po n s e ,   b ut   t h e r e   i s   c h a n c e   t o   pr o duc e   h i g h   n o i s e   l e v e l   i n   t h e   re s po n s e ,   w h i c h   i s   b a f o r   t h e   a c t ua t o r s   s uc h     a s   t h e   v a l v e .       A C K N O WL ED G E M EN TS   T h e   a ut h o r s   w o ul l i ke   t o   a c kn o w l e dge   t h e   f i na n c i a l   s uppo rt   o f   U n i v e r s i t i   P u t r a   M a l a y s i a   t hr o ug P ut r a   G r a nt   S c h e m e   w i t g r a nt   n u m b e r   955 2500 .         R EF ER EN C ES   [ 1]   A .   R o m o - H e r nd e z ,   S .   H e r n de z ,   A .   S á nc he z ,   a nd  H .   H e r n á nde z - E s c o t o ,   " A   C o m pa r a t i v e   S t udy   of   M P C - B a s e d   C o nt r o l   C o nf i g ur a t i o ns   o f   a I ndus t r i a l   B i o r e a c t o r   t o   P r o duc e   E t ha n o "l ,   v o l .   29 .   E l s e v i e r   B . V . ,   20 11 .   [ 2]   M .   C .   F e r n de z ,   S .   R óm o l i ,   M .   N .   P a n t a no ,   O .   A .   O .   D .   P a t i ñ o ,   a nd  G .   J .   E .   S c a g l i a ,   C o n t r o l l e r   de s i g by   m o ni t o r i ng   de s i r e d   c o nc e nt r a t i o p r o f i l e s   f o r   t he   pe n i c i l l i p r o duc t i o i a   f e e b a t c r e a c t o r ,   i X V I   W or k s hop   on   I nf or m a t i on  P r o c e s s i ng  and   C on t r ol   ( R P I C ) ,   20 15,   p p.   1 - 6.   [ 3]   M .   V o S t o s c h,   J .   H a m e l i nk ,   a nd  R .   O l i v e i r a ,   H y br i m o de l i ng   a s   a   Q bD   /   P A T   t o o l   i p r o c e s s   de v e l o pm e n t :   a i ndu s t r i a l   E .   c o l i   c a s e   s t udy ,   B i op r oc e s s   B i o s y s t .   E ng. ,   v o l .   3 9,   no .   5,   pp .   773 - 784 ,   201 6.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       A r t i f i c i a l   N e ur al   N e t w or k   Mod e l   and   F uz z y   L og i c   C on t r ol   of   D i s s ol v e d   O x y ge i a…   ( Nor   H ana   Mam at )   1297   [ 4]   A .   C .   L .   H o r t a ,   A .   J .   D a   S i l v a ,   C .   R .   S a r g o ,   V .   M .   G o a l v e s ,   T .   C .   Z a ng i r o l a m i ,   a n R .   D e   C a m po s   G i o r d a no ,   R o bus t   a r t i f i c i a l   i nt e l l i g e nc e   t o o l   f o r   a ut o m a t i c   s t a r t - up  o f   t he   s u ppl e m e nt a r y   m e di um   f e e di ng   i r e c o m bi na n t   E .   c o l i   c ul t i v a t i o ns ,   B i op r oc e s s   B i os y s t .   E n g. ,   v o l .   34 ,   no .   7 ,   pp .   891 - 901,   2 011 .     [ 5]   Q .   J i a   e t   al . ,   P r o duc t i o o f   po l y h y dr o x y a l ka no a t e s   ( P H A )   by   ba c t e r i a l   c o ns o r t i um   f r o m   e xc e s s   s l udg e   f e r m e nt a t i o l i q ui a t   l a bo r a t o r y   a nd  p i l o t   s c a l e s ,   B i or e s ou r .   T e c h nol . ,   v o l .   171 ,   pp.   1 59 - 167 ,   2014 .     [ 6]   P .   B i e c he l e ,   C .   B u s s e ,   D .   S o l l e ,   T .   S c he pe r ,   a n K .   R e a r do n,   S e n s o r   s y s t e m s   f o r   bi o pr o c e s s   m o ni t o r i ng ,   E ng .   L i f e   Sc i . ,   v o l .   15 ,   no .   5 ,   pp .   4 69 - 488 ,   2015 .   [ 7]   X .   W a ng ,   A .   O e hm e n,   E .   B .   F r e i t a s ,   G .   C a r v a l ho ,   a nd  M .   A .   M .   R e i s ,   T h e   l i nk  o f   f e a s t - ph a s e   d i s s o l v e o x y g e n   ( D O )   w i t s ubs t r a t e   c o m pe t i t i o a nd  m i c r o bi a l   s e l e c t i o i n   P H A   pr o duc t i o n,   W at e r   R e s . ,   v o l .   11 2,     pp.   26 9 - 278,   2 017 .   [ 8]   G .   B i r o l ,   C .   Ü nd e y ,   a nd  A .   Ç i na r ,   A   m o dul a r   s i m u l a t i o pa c ka g e   f o r   f e d - ba t c f e r m e nt a t i o n:   P e ni c i l l i n   pr o duc t i o n,   C om put .   C he m .   E ng . ,   v o l .   26,   no .   11 ,   pp .   1 553 - 15 65,   2 002.     [ 9]   A .   A s ho o r i ,   B .   M o s h i r i ,   A .   K ha ki - S e d i g h,   a nd  M .   R .   B a kh t i a r i ,   O p t i m a l   c o nt r o l   o f   a   no nl i ne a r   f e d - ba t c f e r m e nt a t i o p r o c e s s   us i ng   m o de l   pr e d i c t i v e   a pp r o a c h,   J .   P r oc e s s   C ont r ol ,   v o l .   19 ,   no .   7,   pp .   116 2 - 1173 ,   200 9.     [ 10]   H .   J i n,   X .   C h e n,   J .   Y a ng ,   L .   W u,   a nd  L .   W a ng ,   H y br i i nt e l l i g e nt   c o nt r o l   o f   s ubs t r a t e   f e e d i ng   f o r   i ndu s t r i a l   f e d - ba t c c h l o r t e t r a c y c l i ne   f e r m e n t a t i o p r o c e s s ,   I SA   T r ans . ,   v o l .   53 ,   n o .   6,   p p.   18 22 - 1837 ,   201 4.   [ 11]   A .   P a nde y   a nd  J .   A .   C .   T e i xe i r a ,   C ur r e nt   D e v e l opm e nt s   i B i o t e c hnol o gy   and  B i oe ngi ne e r i n g:   F ounda t i o ns   o f   B i o t e c hno l ogy   a nd  B i oe ng i ne e r i ng .   201 6.     [ 12]   D .   B o nne ,   M .   A .   A l v a r e z ,   a nd  S .   B .   J o r g e n s e n ,   D a t a   D r i v e M o de l i ng   f o r   M o ni t o r i ng   a nd  C o n t r o l   o f   I ndus t r i a l   F e d - B a t c C ul t i v a t i o ns ,   I nd.   E n g.   C he m .   R e s . ,   v o l .   53 ,   no .   18,   p p.   7365 - 738 1,   20 13.   [ 13]   K .   H o r ni k,   M .   S t i nc hc o m be ,   a n H .   W hi t e ,   M ul t i l a y e r   f e e df o r w a r ne t w o r ks   a r e   u ni v e r s a l   a pp r o xi m a t o r s ,   N e ur a l   N e t w or k s ,   v o l .   2 ,   no .   5 ,   pp .   359 - 36 6,   19 89.     [ 14]   M .   C r a n i nx ,   V .   F i e v e z ,   B .   V l a e m i nc k,   a nd  B .   D e   B a e t s ,   A r t i f i c i a l   n e ur a l   n e t w o r m o de l s   o f   t he   r um e f e r m e nt a t i o p a t t e r n   i n   d a i r y   c a t t l e ,   C om put .   E l e c t r on .   A g r i c . ,   v o l .   60,   no .   2,   p p.   22 6 - 238,   2 008 .   [ 15]   L .   C ui ,   P .   X i e ,   J .   S un ,   T .   Y u ,   a nd  J .   Y ua n,   D a t a - dr i v e p r e d i c t i o n   of   t he   pr o duc t   f o r m a t i o i i n dus t r i a l   2 - ke t o - l - g ul o ni c   a c i f e r m e n t a t i o n,   C om pu t .   C he m .   E ng . ,   v o l .   36 ,   no .   1 ,   pp .   386 - 39 1,   20 12 .     [ 16]   S .   V e l u ,   V .   V e l a y ut ha m ,   a nd  S .   M a ni c kka m ,   O pt i m i z a t i o o f   f e r m e n t a t i o m e d i a   f o r   xa nt ha g um   p r o duc t i o f r o m   X a nt ho m o na s   c a m pe s t r i s   us i ng   R e s po ns e   S ur f a c e   M e t ho do l o gy   a nd  A r t i f i c i a l   N e u r a l   N e t w o r t e c hni que s ,   I nd i an   J .   C he m .   T e c hn ol . ,   v o l .   23 ,   no .   5 ,   pp .   353 - 361 ,   201 6.   [ 17]   S .   Ö .   L a ur s e n ,   D .   W e b b,   a nd   W .   F .   R a m i r e z ,   D y na m i c   h y br i n e ur a l   ne t w o r m o de l   o f   a i n dus t r i a l   f e d - b a t c h   f e r m e nt a t i o p r o c e s s   t o   pr o duc e   f o r e i g p r o t e i n,   C om pu t .   C he m .   E ng. ,   v o l .   31 ,   no .   3 ,   pp .   163 - 17 0,   20 07.   [ 18]   L .   M .   R o s a l e s - C o l ung a ,   R .   G .   G a r c í a ,   a nd  A .   D e   L e ón  R o dr í g ue z ,   E s t i m a t i o o f   h y dr og e pr o duc t i o i n   g e ne t i c a l l y   m o di f i e E .   c o l i   f e r m e n t a t i o ns   us i ng   a a r t i f i c i a l   n e u r a l   ne t w o r k,   I n t .   J .   H y d r oge E ne r gy ,   v o l .   35,   no .   24,   pp .   131 86 - 1319 2,   20 10.     [ 19]   Z .   K .   N a g y ,   M o de l   ba s e c o nt r o l   o f   a   y e a s t   f e r m e n t a t i o bi o r e a c t o r   us i ng   o pt i m a l l y   de s i g ne a r t i f i c i a l   ne u r a l   ne t w o r k s ,   C he m .   E n g.   J . ,   v o l .   127 ,   no .   1 - 3 ,   pp .   9 5 - 109 ,   2 007 .     [ 20]   A .   C .   B a r c h i   e t   a l . ,   A r t i f i c i a l   i n t e l l i g e nc e   a pp r o a c ba s e o ne a r - i nf r a r e d   s p e c t r a l   d a t a   f o r   m o ni t o r i ng   o f   s o l i d - s t a t e   f e r m e nt a t i o n,   P r oc e s s   B i oc he m . ,   v o l .   51 ,   no .   10 ,   p p.   13 38 - 13 47,   20 16.     [ 21]   L .   M e a r s ,   S .   M .   S t o c ks ,   G .   S i n ,   a n K .   V .   G e r na e y ,   A   r e v i e w   o f   c o nt r o l   s t r a t e g i e s   f o r   m a ni p ul a t i ng   t h e   f e e r a t e   i n   f e d - ba t c f e r m e nt a t i o p r o c e s s e s ,   J .   B i ot e c hn ol . ,   v o l .   245 ,   pp .   34 - 4 6,   201 7.     [ 22]   S .   G o l dr i c k ,   A .   Ş t e f a n,   D .   L ov e t t ,   G .   M o nt a g ue ,   a nd  B .   L e nno x,   T he   de v e l o pm e nt   o f   a i ndus t r i a l - s c a l e   f e d - ba t c f e r m e nt a t i o s i m u l a t i o n,   J .   B i o t e c hno l . ,   v o l .   19 3,   pp .   70 - 82 ,   2015 .   [ 23]   S .   G o l dr i c k,   B .   L e nno x,   D .   L o v e t t ,   K .   S m i t h,   a nd  G .   M o nt a g ue ,   T he   de v e l o pm e n t   o f   a   s i m u l a t i o t o   a dd r e s s   t he   r e a l   c ha l l e ng e s   a s s o c i a t e w i t h   i ndus t r i a l   s c a l e   pe n i c i l l i p r o duc t i o n. ,   i n   I F A C   P r oc e e di ngs   V ol um e s   ( I F A C - P ape r s O nl i ne ) ,   201 3,   v o l .   1 2,   no .   P A R T   1,   pp .   24 - 29 .   [ 24]   S .   E t h a i b ,   R .   O m a r ,   M .   K a m a l ,   S .   M a z l i na ,   A .   B i a k,   a n D .   R a di a h ,   D e v e l o pm e nt   o f   a   hy br i P S O     A N N   m o de l   f o r   e s t i m a t i ng   g l uc o s e   a n xy l o s e   y i e l ds   f o r   m i c r o w a v e - a s s i s t e d   pr e t r e a t m e n t   a nd   t he   e nz y m a t i c   hy dr o l y s i s   o f   l i g no c e l l u l o s i c   b i o m a s s ,   N e ur al   C om p ut .   A pp l . ,   201 6.     [ 25]   Y .   Y a ng   a nd  Q .   Z ha ng ,   A   hi e r a r c hi c a l   a na l y s i s   f o r   r o c e n g i ne e r i ng   us i ng   a r t i f i c i a l   n e ur a l   n e t w o r ks ,   R o c k   M e c h .   R oc k   E ng . ,   v o l .   30 ,   no .   4 ,   pp .   207 - 222 ,   199 7.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.