一種基于多梯度下降的污水處理過(guò)程優(yōu)化控制方法
【專(zhuān)利摘要】針對(duì)污水處理過(guò)程高度非線性、強(qiáng)耦合性和不確定性嚴(yán)重等特點(diǎn)，本發(fā)明提出一種基于多梯度下降的污水處理過(guò)程優(yōu)化控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理過(guò)程中溶解氧DO和硝態(tài)氮SNO濃度的同時(shí)控制；該控制方法通過(guò)構(gòu)建控制系統(tǒng)的多目標(biāo)函數(shù)，基于多梯度下降的優(yōu)化方法求解污水處理過(guò)程的多目標(biāo)問(wèn)題，通過(guò)控制優(yōu)化后的曝氣量和內(nèi)循環(huán)回流量達(dá)到控制溶解氧DO和硝態(tài)氮SNO濃度的目的；解決了污水處理過(guò)程多目標(biāo)優(yōu)化控制的問(wèn)題，提高了污水處理過(guò)程中溶解氧DO和硝態(tài)氮SNO的控制精度，保障污水處理過(guò)程正常運(yùn)行，促進(jìn)污水處理廠高效穩(wěn)定運(yùn)行。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于多梯度下降的污水處理過(guò)程優(yōu)化控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明利用基于多梯度下降的模型預(yù)測(cè)控制方法實(shí)現(xiàn)污水處理過(guò)程中溶解氧DO 和硝態(tài)氮Sm濃度的控制，溶解氧DO和硝態(tài)氮Sto的濃度直接決定了污水處理的效果，對(duì)出 水水質(zhì)和污水處理過(guò)程的能耗有著重要影響。將基于多梯度下降的模型預(yù)測(cè)控制方法應(yīng)用 于污水處理系統(tǒng)，對(duì)溶解氧DO和硝態(tài)氮Sm進(jìn)行優(yōu)化控制，既可節(jié)約投資和運(yùn)行成本，又能 促使污水處理廠高效穩(wěn)定運(yùn)行，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] 污水生化處理過(guò)程的實(shí)質(zhì)是利用人工培養(yǎng)的微生物群體來(lái)吸附、分解、氧化污水 中可生物降解的有機(jī)物，通過(guò)生物化學(xué)反應(yīng)，將這些有機(jī)物從污水中分離出來(lái)，使污水得到 凈化。城市污水處理廠的有效運(yùn)行對(duì)于削減污染物排放量、改善水環(huán)境、促進(jìn)水資源有效利 用發(fā)揮了重要作用，是緩解水資源匱乏的重要舉措；國(guó)家中長(zhǎng)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] 污水處理過(guò)程中硝化反應(yīng)主要是在有氧條件下發(fā)生的，溶解氧DO濃度的大小直 接影響了硝化反應(yīng)進(jìn)程，溶解氧DO濃度變大時(shí)，系統(tǒng)中出水氨氮和總氮的濃度就會(huì)呈下降 趨勢(shì)，但是當(dāng)溶解氧DO濃度達(dá)到一定值時(shí)，出水中的氨氮的變化幅度就減弱了，而且總氮 也受硝態(tài)氮的影響，硝態(tài)氮增加時(shí)，總氮濃度也會(huì)升高。然而，污水處理過(guò)程中反硝化反應(yīng) 主要是在缺氧環(huán)境下進(jìn)行的，缺氧區(qū)的硝態(tài)氮SN()濃度是衡量脫氮效果的重要指標(biāo)，它反映 了反硝化反應(yīng)過(guò)程的進(jìn)程，將硝態(tài)氮Sm濃度控制在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，能夠提高反硝化反 應(yīng)的潛力。因此，對(duì)曝氣池中溶解氧DO和硝態(tài)氮Snq的控制非常重要，需要將溶解氧DO和硝 態(tài)氮Sm濃度控制在一定范圍內(nèi)，才能高效利用硝化反應(yīng)的潛力。傳統(tǒng)的開(kāi)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(guò)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(shí)變、大滯后和不確定性等特點(diǎn)。采用傳統(tǒng) 的開(kāi)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。因此，必須 尋求新的控制方法，以滿(mǎn)足污水處理過(guò)程控制的需要。優(yōu)良的控制可以節(jié)省污水處理運(yùn)行 費(fèi)用，同時(shí)也是減少和應(yīng)對(duì)異常工況發(fā)生、保障污水處理過(guò)程正常運(yùn)行的關(guān)鍵。此外，通過(guò) 提高污水處理過(guò)程自動(dòng)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。
[0004] 本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于多梯度下降的模型預(yù)測(cè)控制方法，主要通過(guò)多梯度下降方 法對(duì)控制目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)溶解氧DO和硝態(tài)氮Sm的在線控制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明獲得了一種基于多梯度下降的污水處理模型預(yù)測(cè)控制方法，該控制器基于 多梯度下降的優(yōu)化方法求解污水處理過(guò)程的多目標(biāo)問(wèn)題，通過(guò)控制優(yōu)化后的曝氣量和內(nèi)循 環(huán)回流量達(dá)到控制溶解氧DO和硝態(tài)氮Sto濃度的目的；解決了污水處理過(guò)程多目標(biāo)優(yōu)化控 制的問(wèn)題，提高了污水處理過(guò)程中溶解氧DO和硝態(tài)氮Sm濃度的控制精度，保障污水處理過(guò) 程正常運(yùn)行；
[0006] 本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案及實(shí)現(xiàn)步驟：
[0007] 1. -種基于多梯度下降的污水處理過(guò)程優(yōu)化控制方法包括以下步驟：
[0008] 針對(duì)序批式間歇活性污泥系統(tǒng)中溶解氧DO和硝態(tài)氮Snq進(jìn)行控制，以曝氣量和內(nèi) 循環(huán)回流量為控制量，溶解氧DO和硝態(tài)氮Sto濃度為被控量；
[0009] (1)設(shè)計(jì)用于污水處理過(guò)程中溶解氧DO和硝態(tài)氮Sto濃度預(yù)測(cè)控制方法的多目標(biāo) 函數(shù)：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于多梯度下降的污水處理過(guò)程優(yōu)化控制方法， 針對(duì)序批式間歇活性污泥系統(tǒng)中溶解氧DO和硝態(tài)氮Sm濃度進(jìn)行控制，以曝氣量和內(nèi) 循環(huán)回流量為控制量，溶解氧DO和硝態(tài)氮Sto濃度為被控量； 其特征在于，包括以下步驟： (1) 設(shè)計(jì)用于污水處理過(guò)程中溶解氧DO和硝態(tài)氮Sm濃度預(yù)測(cè)控制方法的多目標(biāo)函 數(shù)：
其中W1和W2是目標(biāo)函數(shù)J1和J2的Hessian矩陣，P 1和P2是目標(biāo)函數(shù)J1和J2的權(quán)值 矩陣，T為矩陣的轉(zhuǎn)置，溶解氧DO和硝態(tài)氮Sto的狀態(tài)量X和控制量U為： U(t) = [u(t), u(t+l), L, u(t+H-l)]T ； u(t) = [U1 (t), U2 (t)]； X(t) = [x(t), x(t+l), L, x(t+H-l)]T ； x(t) = [X1 (t), x2 (t)] ； (2) U1是曝氣量，u2是內(nèi)循環(huán)回流量，X1是溶解氧DO濃度值，x 2是硝態(tài)氮SN〇濃度值，H為 變化時(shí)域，H G [1，5];限制條件： Au^t) = u1(t)-u1(t-l)； Au2(t) = u2(t)-u2(t-l)； AUl(t) I ^ Auljmax ； I Au2(t) I ^ Au2jmax ； Ul, min Ui (t) € U1, max ;U2, min € U2 (t) € U2, max ; Xijmin^ X1 (t) ^ Xljmax ；x2jmin^ X2 (t) ^ X2jmax ； (3) 其中，是控制器允許的最大曝氣調(diào)整量，Uuin是控制器允許的最小曝氣量，U1, _是控制器允許的最大曝氣量，Au2,_是控制器允許的最大內(nèi)循環(huán)回流調(diào)整量，u2,min是控 制器允許的最小內(nèi)循環(huán)回流量，U2,_是控制器允許的最大內(nèi)循環(huán)回流量，Xl,min是控制對(duì)象 允許的最小溶解氧濃度，Xumax是控制對(duì)象允許的最大溶解氧濃度，x2,min是控制對(duì)象允許的 最小硝態(tài)氮濃度，X2,_是控制對(duì)象允許的最大硝態(tài)氮濃度，A U1,_、+,_、U1,_、Au2,_、U2, min、^2, max、Xi, min、 Xi,max、X2,min和x2,max根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)備設(shè)置； (2) 設(shè)計(jì)用于污水處理過(guò)程中溶解氧DO和硝態(tài)氮Sto濃度預(yù)測(cè)控制的多目標(biāo)優(yōu)化方法， 具體為： ① 根據(jù)狀態(tài)量X (t)和上一時(shí)刻的控制量U (t-1)，計(jì)算每個(gè)目標(biāo)函數(shù)的下降梯度：
② 根據(jù)每個(gè)目標(biāo)函數(shù)的下降梯度計(jì)算多個(gè)目標(biāo)函數(shù)的共同下降梯度：
并且 ti(/) = [<(/),< (〇]T; ③ 判斷共同下降梯度的大小，如果VJClKMXXWba，轉(zhuǎn)到步驟④；如果 VJ(U(M)，X?)k，轉(zhuǎn)到步驟⑤；0是設(shè)定的共同下降梯度閥值，0 G (〇,〇.〇!]; ④ 計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的控制量U (t) U(〇 = U(M)+/zVJ(U(M),x(〇) ； (8) 其中，h為梯度下降步長(zhǎng)，h e (0,0. 1];轉(zhuǎn)到步驟⑥； ⑤ 計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的控制量U (t) U(t) = u(t-l) ； (9) ⑥ 抽取當(dāng)前時(shí)刻控制量U(t)中的u(t)，u(t)為當(dāng)前時(shí)刻污水處理系統(tǒng)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng) 的實(shí)際輸入量； ⑶利用求解出的u(t)對(duì)溶解氧DO和硝態(tài)氮Sm進(jìn)行控制，Ul(t)即為曝氣量，u2(t) 即為內(nèi)循環(huán)回流量，整個(gè)控制系統(tǒng)的輸出為實(shí)際溶解氧DO和硝態(tài)氮Sm濃度值。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK104360597SQ201410602860
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月2日
【發(fā)明者】韓紅桂, 張璐, 喬俊飛 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)