[发明专利]一种基于多梯度下降的污水处理过程优化控制方法

摘要

针对污水处理过程高度非线性、强耦合性和不确定性严重等特点，本发明提出一种基于多梯度下降的污水处理过程优化控制方法，实现对污水处理过程中溶解氧DO和硝态氮SNO浓度的同时控制；该控制方法通过构建控制系统的多目标函数，基于多梯度下降的优化方法求解污水处理过程的多目标问题，通过控制优化后的曝气量和内循环回流量达到控制溶解氧DO和硝态氮SNO浓度的目的；解决了污水处理过程多目标优化控制的问题，提高了污水处理过程中溶解氧DO和硝态氮SNO的控制精度，保障污水处理过程正常运行，促进污水处理厂高效稳定运行。

主权项

一种基于多梯度下降的污水处理过程优化控制方法，针对序批式间歇活性污泥系统中溶解氧DO和硝态氮SNO浓度进行控制，以曝气量和内循环回流量为控制量，溶解氧DO和硝态氮SNO浓度为被控量；其特征在于，包括以下步骤：(1)设计用于污水处理过程中溶解氧DO和硝态氮SNO浓度预测控制方法的多目标函数：J1(U,X)=12UTW1U+12XTP1X;]]>J2(U,X)=12UTW2U+12XTP2X;---(1)]]>其中W1和W2是目标函数J1和J2的Hessian矩阵，P1和P2是目标函数J1和J2的权值矩阵，T为矩阵的转置，溶解氧DO和硝态氮SNO的状态量X和控制量U为：U(t)＝[u(t),u(t+1),…,u(t+H‑1)]T；u(t)＝[u1(t),u2(t)]；X(t)＝[x(t),x(t+1),…,x(t+H‑1)]T；x(t)＝[x1(t),x2(t)]；                  (2)u1是曝气量，u2是内循环回流量，x1是溶解氧DO浓度值，x2是硝态氮SNO浓度值，H为变化时域，H∈[1,5]；限制条件：Δu1(t)＝u1(t)‑u1(t‑1)；Δu2(t)＝u2(t)‑u2(t‑1)；|Δu1(t)|≤Δu1,max；|Δu2(t)|≤Δu2,max；u1,min≤u1(t)≤u1,max；u2,min≤u2(t)≤u2,max；x1,min≤x1(t)≤x1,max；x2,min≤x2(t)≤x2,max；        (3)其中，Δu1,max是控制器允许的最大曝气调整量，u1,min是控制器允许的最小曝气量，u1,max是控制器允许的最大曝气量，Δu2,max是控制器允许的最大内循环回流调整量，u2,min是控制器允许的最小内循环回流量，u2,max是控制器允许的最大内循环回流量，x1,min是控制对象允许的最小溶解氧浓度，x1,max是控制对象允许的最大溶解氧浓度，x2,min是控制对象允许的最小硝态氮浓度，x2,max是控制对象允许的最大硝态氮浓度，Δu1,max、u1,min、u1,max、Δu2,max、u2,min、u2,max、x1,min、x1,max、x2,min和x2,max根据控制系统设备设置；(2)设计用于污水处理过程中溶解氧DO和硝态氮SNO浓度预测控制的多目标优化方法，具体为：①根据状态量X(t)和上一时刻的控制量U(t‑1)，计算每个目标函数的下降梯度：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根据每个目标函数的下降梯度计算多个目标函数的共同下降梯度：▿J(U(t-1),X(t))=Σi=12βi(t)u‾i(t);---(6)]]>其中，目标函数间的系数βi(t)表示为：βi(t)=||u‾i(t)||2||U‾T(t)U‾(t)||2,i=1,2;---(7)]]>并且③判断共同下降梯度的大小，如果转到步骤④；如果转到步骤⑤；σ是设定的共同下降梯度阀值，σ∈(0,0.01]；④计算当前时刻的控制量U(t)U(t)=U(t-1)+h▿J(U(t-1),x(t));---(8)]]>其中，h为梯度下降步长，h∈(0,0.1]；转到步骤⑥；⑤计算当前时刻的控制量U(t)U(t)＝U(t‑1)；        (9)⑥抽取当前时刻控制量U(t)中的u(t)，u(t)为当前时刻污水处理系统预测控制系统的实际输入量；(3)利用求解出的u(t)对溶解氧DO和硝态氮SNO进行控制，u1(t)即为曝气量，u2(t)即为内循环回流量，整个控制系统的输出为实际溶解氧DO和硝态氮SNO浓度值。