[發(fā)明專利]一種基于多梯度下降的污水處理過程優(yōu)化控制方法

有效

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• 申請日: 2014-11-02
• 公開（公告）號: CN104360597B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發(fā)明（設計）人: 韓紅桂;張璐;喬俊飛
• 申請（專利權）人: 北京工業(yè)大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G06F19/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司11203
• 代理人: 劉萍

1.一種基于多梯度下降的污水處理過程優(yōu)化控制方法，

針對序批式間歇活性污泥系統(tǒng)中溶解氧DO和硝態(tài)氮S_NO濃度進行控制，以曝氣量和內循環(huán)回流量為控制量，溶解氧DO和硝態(tài)氮S_NO濃度為被控量；

其特征在于，包括以下步驟：

(1)設計用于污水處理過程中溶解氧DO和硝態(tài)氮S_NO濃度預測控制方法的多目標函數：

J1(U,X)=12UTW1U+12XTP1X;]]>

J2(U,X)=12UTW2U+12XTP2X;---(1)]]>

其中W₁和W₂是目標函數J₁和J₂的Hessian矩陣，P₁和P₂是目標函數J₁和J₂的權值矩陣，T為矩陣的轉置，溶解氧DO和硝態(tài)氮S_NO的狀態(tài)量X和控制量U為：

U(t)＝[u(t)，u(t+1)，L，u(t+H-1)]^T；

u(t)＝[u₁(t)，u₂(t)]；

X(t)＝[x(t)，x(t+1)，L，x(t+H-1)]^T；

x(t)＝[x₁(t)，x₂(t)]；???(2)

u₁是曝氣量，u₂是內循環(huán)回流量，x₁是溶解氧DO濃度值，x₂是硝態(tài)氮S_NO濃度值，H為變化時域，H∈[1，5]；限制條件：

Δu₁(t)＝u₁(t)-u₁(t-1)；

Δu₂(t)＝u₂(t)-u₂(t-1)；

|Δu₁(t)|≤Δu_1，max；|Δu₂(t)|≤Δu_2，max；

u_1，min≤u₁(t)≤u_1，max；u_2，min≤u₂(t)≤u_2，max；

x_1，min≤x₁(t)≤x_1，max；x_2，min≤x₂(t)≤x_2，max；???(3)

其中，Δu_1，max是控制器允許的最大曝氣調整量，u_1，min是控制器允許的最小曝氣量，u_1，max是控制器允許的最大曝氣量，Δu_2，max是控制器允許的最大內循環(huán)回流調整量，u_2，min是控制器允許的最小內循環(huán)回流量，u_2，max是控制器允許的最大內循環(huán)回流量，x_1，min是控制對象允許的最小溶解氧濃度，x_1，max是控制對象允許的最大溶解氧濃度，x_2，min是控制對象允許的最小硝態(tài)氮濃度，x_2，max是控制對象允許的最大硝態(tài)氮濃度，Δu_1，max、u_1，min、u_1，max、Δu_2，max、u_2，min、u_2，max、x_1，min、x_1，max、x_2，min和x_2，max根據控制系統(tǒng)設備設置；

(2)設計用于污水處理過程中溶解氧DO和硝態(tài)氮S_NO濃度預測控制的多目標優(yōu)化方法，具體為：

①根據狀態(tài)量X(t)和上一時刻的控制量U(t-1)，計算每個目標函數的下降梯度：

u‾i(t)=-▿ji(U(t-1),X(t))||▿ji(U(t-1),X(t))||=-WiU(t-1)+PiTX(t)||WiU(t-1)+PiTX(t)||,i=1,2;---(5)]]>

②根據每個目標函數的下降梯度計算多個目標函數的共同下降梯度：

▿J(U(t-1),X(t))=Σi=12βi(t)u‾i(t);---(6)]]>

其中，目標函數間的系數β_i(t)表示為：

βi(t)=||u‾i(t)||2||U‾T(t)U‾(t)||2,i=1,2;---(7)]]>

并且U‾(t)=[u‾1T(t),u‾2T(t)]T;]]>

③判斷共同下降梯度的大小，如果轉到步驟④；如果轉到步驟⑤；σ是設定的共同下降梯度閥值，σ∈(0，0.01]；

④計算當前時刻的控制量U(t)

U(t)=U(t-1)+h▿J(U(t-1),x(t));---(8)]]>

其中，h為梯度下降步長，h∈(0，0.1]；轉到步驟⑥；

⑤計算當前時刻的控制量U(t)

U(t)＝U(t-1)；???(9)

⑥抽取當前時刻控制量U(t)中的u(t)，u(t)為當前時刻污水處理系統(tǒng)預測控制系統(tǒng)的實際輸入量；

(3)利用求解出的u(t)對溶解氧DO和硝態(tài)氮S_NO進行控制，u₁(t)即為曝氣量，u₂(t)即為內循環(huán)回流量，整個控制系統(tǒng)的輸出為實際溶解氧DO和硝態(tài)氮S_NO濃度值。