[發明專利]一種基于橢球的活性污泥處理過程狀態區間估計方法

在審

• 申請號: 202310523277.1
• 申請日: 2023-05-10
• 公開（公告）號: CN116522656A
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發明（設計）人: 周萌;武巖;王晶;王昶;薛同來;史運濤;董哲;翟維楓
• 申請（專利權）人: 北方工業大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06N7/06;G06F17/11
• 代理公司: 北京深川專利代理事務所(普通合伙) 16058
• 代理人: 湯鎮宇

本發明公開了一種基于橢球的活性污泥處理過程狀態區間估計方法。本發明中，包括基于活性污泥反應的動力學過程以及其應用場景，建立非線性的活性污泥質量平衡模型；針對步驟S2中連續時間的T?S模糊系統，基于近似離散化的方法，將其轉化為離散時間T?S模糊系統；為了能夠在觀測器估計狀態的同時得到狀態的上下界，本發明基于橢球集員估計理論，在得到的狀態點預測的基礎上，設計橢球的區間生成方法，區間的大小與過程不確定性和干擾相關根據上式可以在橢球迭代過程中運算出每一時刻的估計狀態的上下界，得出狀態估計區間，從而提高了估計時的精確性，使得其在對活性污泥處理過程狀態區間估計的過程中提高了估計效率，為人們的使用帶來了更多的便利。

技術領域

本發明涉及城市污水處理過程故障診斷領域，具體提出一種基于橢球的活性污泥處理過程狀態區間估計方法。

背景技術

污水處理是一個復雜的過程，需要通過一系列物理、化學和生物方法按照“一級處理—二級處理—三級處理”的順序將污水中的大型顆粒物和沉淀物、污泥懸浮物和有機物、氮磷富營養物、難降解性有機物和有毒有害污染物依次去除或是減少到能夠安全排放的水質標準以下。然而，在實際應用中，由于污水處理生物反應過程會受到入水成分、天氣環境、溫度、pH值和有機物濃度等因素影響，并且不同微生物之間的相互作用和代謝路徑本身便非常復雜難以進行預測和控制，因此會存在著眾多過程不確定性，導致如測量誤差、過程模型不完善等，這些不確定性會導致最終處理效果不達標，甚至對環境和健康產生負面影響。

針對系統中存在不確定性的問題，狀態估計區間生成法成為了一種常用的找尋受不確定性影響的系統狀態的方法。狀態區間生成可以根據測量數據和過程模型，通過計算和分析，生成包含真實狀態的可能區間，從而更準確地描述過程狀態的變化，目前常用的區間生成技術包括隨機概率論統計方法和集員估計方法，相比于前者是假設不確定性服從一定分布，后者的假設條件是不確定性未知但有界，實際應用更廣泛。常用的集員估計方法有基于區間觀測器的方法和基于各種幾何體的方法兩種，其中的幾何體包括橢球、盒子、中心對稱多胞體以及近年提出的橢球束等。

由于不確定性一般為具有光滑邊界的橢球形式，因此相比于其他幾何形狀，橢球具有運算簡便、邊界更適用于描述不確定性等優點。Song等人使用基于橢球體的狀態區間生成方法，對污泥濃度進行估計，從而提高了處理效率和質量。Zhou等人提出了一種增強型橢球集員濾波器算法，有效地降低了橢球法的保守性。Becis-Aubry等人針對峰值有界的干擾，運用橢球法得到了離散時間切換線性系統的可達集估計條件，并使用遺傳算法優化方法優化參數使橢球體盡可能小，最后設計了一個控制器縮小可達集，使系統可達集包含在橢球體內。You等人針對存在未知有界擾動和噪聲的線性離散時間系統，在每個時刻基于中心對稱多胞體法找到估計可達集，并計算出該可達集的外部橢球，并與輸出狀態集相交，獲得低保守性的可達集。Balandin等人研究了在擾動和初始狀態不確定的情況下，存在有界不確定度量的線性時變連續或離散系統的可達集。同時，設計了一個觀測器和控制器分別用于得到狀態的估計橢球以及將系統狀態保持在最終迭代的橢球內。

發明內容

本發明的目的在于解決污水處理過程中系統狀態區間估計問題，針對該問題，本發明提出一種基于橢球集員估計的活性污泥反應過程狀態區間估計方法。具體包括以下五個步驟：

步驟S1：基于活性污泥反應的動力學過程以及其應用場景，建立非線性的活性污泥質量平衡模型。

步驟S2：針對上述非線性模型，采用T-S(Takagi-Sugeno)模糊化方法進行模糊建模，構建T-S模糊模型。該方法可將非線性模型進行偽線性化處理，從而降低模型的復雜度。

步驟S3：針對步驟S2中連續時間的T-S模糊系統，基于近似離散化的方法，將其轉化為離散時間T-S模糊系統。

步驟S4：為了解決污水處理過程中存在的大量不確定性所造成的難以得到準確的實時狀態指標，針對步驟S3中的T-S離散系統設計一種峰值有界形式的離散時間T-S模糊觀測器，進而估計現場無法取得的狀態數據。