[發明專利]基于無抖振模糊滑模的污水處理脫氮過程控制方法

有效

• 申請號: 202011057804.7
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112327615B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發明（設計）人: 韓紅桂;王童;伍小龍
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;C02F7/00
• 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

1.一種基于無抖振模糊滑模和自適應控制技術的污水處理過程控制方法，其特征在于：

1)針對污水處理生物脫氮工藝中的硝態氮S_no和溶解氧濃度S_o進行控制，控制單元利用在線傳感器信號，基于S_no與目標值的誤差，實現對內回流量Q_intr的調節；基于S_o與目標值的誤差，實現好氧末段曝氣量K_La5的調節；

規定被控對象的誤差為：

其中e₁(t)為t時刻硝態氮濃度與目標值的誤差，y₁(t)為t時刻的硝態氮濃度，y_1d(t)為t時刻的硝態氮目標值；e₂(t)為t時刻溶解氧濃度與目標值的誤差，y₂(t)為t時刻的溶解氧濃度，y_2d(t)為t時刻的溶解氧目標值；

建立滑模變量以得到被控對象的動態特性，定義為：

其中s₁(t)為t時刻硝態氮誤差的滑模變量，∫表示累加計算，dt表示采樣間隔，s₂(t)為t時刻溶解氧誤差的滑模變量；

2)設置有無抖振滑模控制器，控制器輸入為滑模變量s₁，s₂，輸出為：

其中u_s1(t)表示t時刻滑模控制的輸出回流量，γ_s∈(0,1)為魯棒增益比例；U_max1為控制系統允許的最大內循環流量；u_s2(t)表示t時刻滑模控制的輸出曝氣量，U_max2為控制系統允許的最大曝氣量；U_max1，U_max2應根據實際設備所標定的最大限制輸出量設置；

3)設置有自適應模糊控制器，基于T-S型模糊神經網絡構成；網絡結構為2-M-2的連接方式，即輸入節點2個，模糊神經元M個，M為正整數，輸出節點2個；控制器輸入同樣為滑模變量s₁，s₂，輸出為：

其中u_f1(t)表示t時刻模糊控制的輸出回流量，γ_f∈(0,1)為模糊增益比例；M為模糊神經元數，取大于1的整數；j＝1,2…M表示第j個神經元，W_1j為第1組第j個神經元權重，在(0,1)范圍取隨機初值；θ_1j為第1組第j個模糊隸屬度函數的輸出值；u_f2(t)表示t時刻模糊控制的輸出曝氣量，W_2j為第2組第j個神經元權重，在(0,1)范圍取隨機初值；θ_2j為第2組第j個模糊隸屬度函數的輸出值；第1組模糊神經元和隸屬度函數用于回流量的控制，第2組模糊神經元和隸屬度函數則用于曝氣量的控制；θ_1j，θ_2j的計算公式為：

其中exp為指數函數；c_1j為第1組第j個隸屬度函數的中心值，b_1j為第1組第j個隸屬度函數的寬度值；c_2j為第2組第j個隸屬度函數的中心值，b_2j為第2組第j個隸屬度函數的寬度值；c_1j,c_2j在(-1,1)范圍取隨機初值，b_1j,b_2j在(0,1)范圍取隨機初值；

4)所述的模糊控制器可通過在線自學習，啟動后即實時調整控制參數，而無需離線訓練；其參數調節方法為：

其中c_1j(t+1)為t+1時刻第1組第j個隸屬度函數中心值，Δc_1j(t)為t時刻此中心的調整值；c_2j(t+1)為t+1時刻第2組第j個隸屬度函數中心值，Δc_2j(t)為t時刻此中心的調整值；b_1j(t+1)為t+1時刻第1組第j個隸屬度函數寬度值，Δb_1j(t)為t時刻此寬度的調整值；b_2j(t+1)為t+1時刻第2組第j個隸屬度函數寬度值，Δb_2j(t)為t時刻此寬度的調整值；W_1j(t+1)為t+1時刻第1組第j個模糊神經元權重，ΔW_1j(t)為t時刻此權重的調整值；W_2j(t+1)為t+1時刻第2組第j個模糊神經元權重，ΔW_2j(t)為t時刻此權重的調整值；各調整值的計算方式為：

其中η_c,η_b,η_w∈(0,1)為別為中心、寬度、權重的學習率，取值影響收斂速度而不影響調整結果；c_1j(t)為t時刻第1組第j個隸屬度函數中心值，c_2j(t)為t時刻第2組第j個隸屬度函數中心值；b_1j(t)為t時刻第1組第j個隸屬度函數寬度值，b_2j(t)為t時刻第2組第j個隸屬度函數寬度值；W_1j(t)為t時刻第1組第j個模糊神經元權重，W_2j(t)為t時刻第2組第j個模糊神經元權重；θ_1j(t)表示t時刻第1組第j個模糊隸屬度函數輸出值，θ_2j(t)表示t時刻第2組第j個模糊隸屬度函數輸出值；

5)所述控制方法可實現過程的多變量自適應控制，由滑模和模糊兩種控制作用進行輸出量的動態調整，獲得當前時刻的總控制輸出為：

其中u₁(t)為t時刻的回流量，u₁(t-1)為t-1時刻的回流量；u₂(t)為t時刻的曝氣量，u₂(t-1)為t-1時刻的曝氣量；U_min1為控制系統允許的最小內循環流量，U_min2為控制系統允許的最小曝氣量；U_min1，U_min2應根據實際設備所標定的最小輸出量設置；利用出求解出的控制輸出對硝態氮和溶解氧濃度進行控制。