[發(fā)明專(zhuān)利]基于數(shù)據(jù)的污水處理系統(tǒng)自學(xué)習(xí)軌跡跟蹤方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010705687.4
• 申請(qǐng)日: 2020-07-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111797363A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-10-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王鼎;趙明明;喬俊飛;杜勝利
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F17/15
• 分類(lèi)號(hào): G06F17/15;G06N3/08;G06Q10/04
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 吳蔭芳

本發(fā)明提供一種基于數(shù)據(jù)的污水處理系統(tǒng)自學(xué)習(xí)軌跡跟蹤方法，利用DHP結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)非仿射非線(xiàn)性系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)最優(yōu)跟蹤控制算法，并將該方法應(yīng)用于暴雨天氣下的污水處理過(guò)程控制。在本發(fā)明中，采用數(shù)值方法求解與期望軌跡對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定控制，進(jìn)而建立基于迭代DHP求解非仿射系統(tǒng)最優(yōu)控制律的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)自學(xué)習(xí)方法；將該方法應(yīng)用于溶解氧和硝態(tài)氮的濃度控制，以達(dá)到污水處理系統(tǒng)良好的軌跡跟蹤效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于污水處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于數(shù)據(jù)的污水處理系統(tǒng)自學(xué)習(xí)軌跡跟蹤方法。

背景技術(shù)

水是包括人類(lèi)在內(nèi)的所有生命賴(lài)以生存的基本資源，在人類(lèi)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展過(guò)程中扮演著重要角色。我國(guó)是一個(gè)淡水資源相當(dāng)缺乏的國(guó)家，人均淡水資源量?jī)H為世界的四分之一。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化規(guī)模的不斷擴(kuò)大，污水排放量逐年增加，導(dǎo)致的水污染問(wèn)題也愈發(fā)嚴(yán)重，如何實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用越來(lái)越重要。其中，城市污水處理是改善水資源短缺、水體污染的重要手段。然而，我國(guó)很多污水處理廠(chǎng)存在技術(shù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足的現(xiàn)狀，容易產(chǎn)生運(yùn)行成本高、能量消耗大、水質(zhì)超標(biāo)嚴(yán)重等問(wèn)題。因此，深入研究污水處理過(guò)程的控制機(jī)理與方法，特別是利用先進(jìn)的智能控制及優(yōu)化方法，使得污水處理廠(chǎng)低成本、低能耗、高效率地穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于我國(guó)污水處理行業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。但是，污水處理系統(tǒng)是一個(gè)高度非線(xiàn)性的工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)，由于各種因素的混合影響，使得污水處理的流程復(fù)雜，呈現(xiàn)出強(qiáng)耦合、大時(shí)變以及強(qiáng)干擾等特點(diǎn)。污水處理過(guò)程不僅具有典型的非線(xiàn)性特征，而且其數(shù)學(xué)機(jī)理模型難以精確建立，這使得污水處理控制存在很大的難度。對(duì)于傳統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)技術(shù)，由于自適應(yīng)能力差、參數(shù)固定等原因，使其無(wú)法適應(yīng)污水處理系統(tǒng)的復(fù)雜特征，難以達(dá)到理想的控制效果。因此，設(shè)計(jì)自適應(yīng)能力強(qiáng)且控制效果好的先進(jìn)控制方法，已經(jīng)成為污水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本發(fā)明提出基于迭代二次啟發(fā)式規(guī)劃(Dual heuristicprogramming，DHP)的先進(jìn)自學(xué)習(xí)最優(yōu)跟蹤控制技術(shù)，用于解決一類(lèi)污水處理過(guò)程的濃度設(shè)計(jì)問(wèn)題。

作為一種具有學(xué)習(xí)能力的智能優(yōu)化方法，自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃融合了動(dòng)態(tài)規(guī)劃、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、函數(shù)近似等，能夠通過(guò)迭代獲取非線(xiàn)性Hamilton-Jacobi-Bellman方程的近似解，有效地應(yīng)對(duì)非線(xiàn)性系統(tǒng)的最優(yōu)控制問(wèn)題。在自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃的算法結(jié)構(gòu)中，啟發(fā)式動(dòng)態(tài)規(guī)劃和DHP的使用最為廣泛。最優(yōu)跟蹤控制問(wèn)題是一類(lèi)重要的研究課題，目標(biāo)是使被控系統(tǒng)跟蹤上期望的軌跡。自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃也可應(yīng)用于解決最優(yōu)跟蹤控制問(wèn)題。一般地，將非線(xiàn)性系統(tǒng)與期望軌跡的誤差作為狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可將最優(yōu)跟蹤問(wèn)題轉(zhuǎn)換為最優(yōu)調(diào)節(jié)問(wèn)題。雖然自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃具有良好的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，且目前針對(duì)離散時(shí)間仿射系統(tǒng)已有很多的研究，但是對(duì)于非仿射未知系統(tǒng)的最優(yōu)跟蹤控制問(wèn)題卻缺乏系統(tǒng)性的研究成果，尤其在污水處理過(guò)程控制領(lǐng)域的應(yīng)用還比較少。特別地，已有的研究一般是針對(duì)晴天和雨天情況下的污水處理控制設(shè)計(jì)，很少有面向暴雨天氣的污水處理過(guò)程智能跟蹤控制技術(shù)，更沒(méi)有合理設(shè)計(jì)與期望軌跡對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定控制。

發(fā)明內(nèi)容

在此背景下，針對(duì)復(fù)雜非仿射系統(tǒng)，本發(fā)明提出一種基于DHP的自學(xué)習(xí)最優(yōu)跟蹤控制算法，并將該方法應(yīng)用于暴雨天氣下的污水處理過(guò)程控制。由于包含數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)過(guò)程，所以在處理近似最優(yōu)調(diào)節(jié)問(wèn)題時(shí)，不需要已知未知系統(tǒng)的模型，也就是對(duì)被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)信息要求較少。基于自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃思想求解最優(yōu)跟蹤控制問(wèn)題的過(guò)程可以看作是對(duì)新系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程，即通過(guò)一定的處理將被控系統(tǒng)與期望軌跡構(gòu)造成為一個(gè)新的增廣系統(tǒng)，將跟蹤問(wèn)題轉(zhuǎn)換為增廣系統(tǒng)的調(diào)節(jié)問(wèn)題，從而可以求解最優(yōu)控制律。在本發(fā)明中，提出一種數(shù)值方法求解與期望軌跡對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定控制，進(jìn)而建立基于迭代DHP求解非仿射系統(tǒng)最優(yōu)控制律的自學(xué)習(xí)方法。最后，將該方法應(yīng)用于污水處理過(guò)程的濃度控制，以達(dá)到污水處理系統(tǒng)良好的軌跡跟蹤效果。

附圖說(shuō)明

圖1污水處理系統(tǒng)智能跟蹤控制設(shè)計(jì)示意圖；

圖2基于數(shù)據(jù)的迭代DHP實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖；

圖3溶解氧濃度的模型網(wǎng)絡(luò)輸出值與平臺(tái)輸出值；

圖4硝態(tài)氮濃度的模型網(wǎng)絡(luò)輸出值與平臺(tái)輸出值；