一種污水處理過程自組織控制方法
【專利摘要】針對污水處理過程高度非線性、強(qiáng)耦合性、時變、大滯后和不確定性嚴(yán)重等特點(diǎn)，本發(fā)明提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的污水處理過程自組織控制方法，實(shí)現(xiàn)對污水處理過程中溶解氧(DO)濃度的控制；該控制方法通過建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接控制系統(tǒng)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自組織設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制器的結(jié)構(gòu)調(diào)整，從而提高控制效果，實(shí)現(xiàn)溶解氧濃度的自組織控制；解決了當(dāng)前基于開關(guān)控制和PID控制自適應(yīng)能力較差，并且控制器結(jié)構(gòu)難以自組織的問題；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠快速、準(zhǔn)確地控制溶解氧濃度，并具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，提高污水處理的質(zhì)量和效率、降低污水處理成本，促進(jìn)污水處理廠高效穩(wěn)定運(yùn)行。
【專利說明】一種污水處理過程自組織控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自組織控制方法實(shí)現(xiàn)污水處理過程中溶解氧(DO)濃 度的控制，溶解氧(DO)的濃度直接決定了污水處理的效果，對出水水質(zhì)和能耗有著重要影 響。污水處理過程中溶解氧(DO)的控制作為污水處理的重要環(huán)節(jié)，是先進(jìn)制造【技術(shù)領(lǐng)域】的 重要分支，既屬于控制領(lǐng)域，又屬于水處理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]城市污水處理過程控制的最終目標(biāo)是出水滿足排放或回用國家標(biāo)準(zhǔn)，隨著國民經(jīng) 濟(jì)的增長和公眾環(huán)保意識的增強(qiáng)，污水處理自動化技術(shù)迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。國家 中長期科技發(fā)展規(guī)劃中提出要研究并推廣高效、低能耗的污水處理新技術(shù)。因此，本發(fā)明的 研究成果具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]溶解氧(DO)濃度是目前污水處理中應(yīng)用最為廣泛的運(yùn)轉(zhuǎn)控制參數(shù)，當(dāng)溶解氧不 足或過量時都會導(dǎo)致污泥生存環(huán)境惡化:當(dāng)氧氣不足時，一方面由于好氧池中絲狀菌會大 量繁殖，最終產(chǎn)生污泥膨脹，發(fā)生異常工況；另一方面由于好氧菌的生長速率降低從而引起 出水水質(zhì)的下降。而氧氣過量(即過量曝氣)則會引起懸浮固體沉降性能變差，影響污水 處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行。溶解氧的控制涉及到微生物的生長環(huán)境以及處理過程的能耗，因此， 溶解氧控制一直是研究的重點(diǎn)。
[0004]傳統(tǒng)的開關(guān)控制或者PID控制，雖然是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的控制方法，但是由于 氧氣的溶解過程受入水水質(zhì)、溫度和PH值等方面的影響，具有高度非線性、強(qiáng)耦合性、時變 和不確定性等特點(diǎn)。采用傳統(tǒng)開關(guān)控制或者PID控制方法自適應(yīng)能力較差，往往不能取得 理想的控制效果。同時，由于污水處理過程具有滯后特性，精確表述控制變量與控制目標(biāo)之 間的關(guān)系十分困難。目前，污水處理過程模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、待整定參數(shù)過多，可辨識性差，不能 動態(tài)地反應(yīng)出操作變量與控制目標(biāo)之間的蘊(yùn)含關(guān)系，無法用于在線控制。近年來，國內(nèi)外也 有基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制方法研究，解決了傳統(tǒng)開關(guān)控制或者PID控制方法自適應(yīng)能力 較差的問題。但是仍有一些不足，以上智能控制方法結(jié)構(gòu)無法自適應(yīng)，并且穩(wěn)定性難以保 證。因此，必須尋求新的控制方法，以滿足污水處理過程控制的需要。優(yōu)良的控制可以保證 污水處理正常運(yùn)行，同時也是減少和應(yīng)對異常工況發(fā)生的關(guān)鍵。此外，通過提高污水處理過 程自動化水平，還可以有效地減少運(yùn)行管理和操作人員，降低運(yùn)行費(fèi)用。
[0005]本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自組織控制方法，通過構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接控制 系統(tǒng)，利用自組織控制方法實(shí)現(xiàn)對污水處理過程中溶解氧(DO)的在線控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明獲得了一種溶解氧DO濃度的自組織控制方法，該控制方法通過構(gòu)建神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)直接控制系統(tǒng)，同時利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自組織設(shè)計(jì)提高控制能力；解決了控制器根據(jù)環(huán) 境自組織調(diào)整的問題，通過控制污水處理過程中的曝氣量從而達(dá)到控制DO濃度的目的；提 高了污水處理過程中DO控制的精度，保障污水處理過程正常運(yùn)行；[0007]本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案及實(shí)現(xiàn)步驟:
[0008]1.一種污水處理過程溶解氧DO自組織控制方法的設(shè)計(jì)，其特征在于，包括以下步驟:
[0009](I)確定控制對象；本發(fā)明主要針對序批式間歇活性污泥系統(tǒng)中溶解氧進(jìn)行控制，以曝氣量為控制量，溶解氧濃度為被控量；
[0010](2)設(shè)計(jì)用于污水處理過程中溶解氧的控制系統(tǒng)，如圖2，控制系統(tǒng)分為三部分: 線性控制部分、魯棒控制部分、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制部分；具體為:
[0011]①設(shè)定線性控制部分，線性控制器的輸入為:
[0012]?(0 =；(I)
[0013]其中yd是溶解氧濃度的期望輸出，y是溶解氧濃度的實(shí)際輸出；線性控制器的輸出為:
[0014]udc{t) = he{t) ;(2)
[0015]其中Udc是線性控制器的輸出，h是比例系數(shù)，h G [5，25]；
[0016]②設(shè)定魯棒控制部分,魯棒控制器的輸入與線性控制器的輸入相同；魯棒控制器的輸出為:
[0017]usl{1) = r1\h-xe(t)\s,^x(h-xe{1)) ;(3)
[0018]其中Y2是魯棒控制器設(shè)計(jì)系數(shù)，Y2 G (0,0.5]，Usl是魯棒控制器的輸出，sgn() 是符號函數(shù)；
[0019]③設(shè)定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制部分，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸入為X (t) = [yd(t)，Udc (t) +Usl (t)] T，T為公式的轉(zhuǎn)置；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸出為Uad ；
[0020](3)設(shè)計(jì)用于污水處理過程中溶解氧自組織控制方法的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 網(wǎng)絡(luò)分為三層:輸入層、隱含層、輸出層；輸入為x(t),輸出為Uad ;
[0021]初始化RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò):確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)2-K-1的連接方式，即輸入層神經(jīng)元為2個， 隱含層神經(jīng)元為K個，輸出層神經(jīng)元為I個；對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值進(jìn)行隨機(jī)賦值；設(shè)第t時刻 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入為X (t)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出表示為Uad (t)，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算功能是:
[0022]
【權(quán)利要求】
1.一種污水處理過程自組織控制方法，其特征包括以下步驟:(1)確定控制對象；針對序批式間歇活性污泥系統(tǒng)中溶解氧進(jìn)行控制，以曝氣量為控制量，溶解氧濃度DO為被控量；(2)設(shè)計(jì)用于污水處理過程中溶解氧的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)分為三部分:線性控制部分、魯棒控制部分、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制部分；具體為:①設(shè)定線性控制部分，線性控制器的輸入為:
【文檔編號】G05D11/00GK103499982SQ201310456956
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】韓紅桂, 錢湖海, 李穎, 喬俊飛 申請人:北京工業(yè)大學(xué)