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基于輸出觀測(cè)器的污水COD軟測(cè)量方法

發(fā)布時(shí)間：2018-6-27 21:14:04 中國(guó)污水處理工程網(wǎng)

　　申請(qǐng)日2013.08.20

　　公開(公告)日2013.11.20

　　IPC分類號(hào)G01N33/18

　　摘要

　　一種基于輸出觀測(cè)器的污水COD軟測(cè)量方法，它涉及一種污水COD軟測(cè)量方法。本發(fā)明要解決污水處理過(guò)程中反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜、非線性關(guān)系強(qiáng)、部分關(guān)鍵變量難于測(cè)量的問(wèn)題。該方法是將待測(cè)變量作為系統(tǒng)輸出，構(gòu)建性能良好的輸出觀測(cè)器，其中的觀測(cè)器參數(shù)由歷史測(cè)量數(shù)據(jù)離線辨識(shí)得到。本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)有：1)不依賴于對(duì)污水處理反應(yīng)模型的先驗(yàn)知識(shí)，僅利用污水處理系統(tǒng)歷史測(cè)量數(shù)據(jù);2)基于成熟的控制理論，構(gòu)建閉環(huán)觀測(cè)器，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)異，軟測(cè)量效果好;3)應(yīng)用范圍廣泛，除污水處理系統(tǒng)出水COD外，改進(jìn)的系統(tǒng)應(yīng)用于測(cè)量其他水質(zhì)指標(biāo)以及化工、冶煉、造紙等類似工業(yè)過(guò)程的產(chǎn)品成分。本方法應(yīng)用于污水在線測(cè)量領(lǐng)域。

　　權(quán)利要求書

　　1.一種基于輸出觀測(cè)器的污水COD軟測(cè)量方法，其特征在于所述的基于輸出觀測(cè)器的污水COD軟測(cè)量方法是按照以下步驟進(jìn)行的：

　　步驟一，選擇輔助變量和待測(cè)變量：選取TOC、DO、ORP、pH、T、HRT和r作為輔助變量，分別設(shè)為u1,…,u7，將出水COD設(shè)為y，所述的y為待測(cè)變量;將污水處理過(guò)程定義為反應(yīng)系統(tǒng)，系統(tǒng)輸入為u=[u1…u7]∈Rl，l=7，系統(tǒng)輸出y∈Rm，m=1; 其中，TOC為進(jìn)水總有機(jī)碳含量，DO為反應(yīng)池溶解氧，ORP為氧化還原電位，pH為酸堿度， T為水溫，HRT為水力停留時(shí)間，r為回流比;

　　步驟二，數(shù)據(jù)采集：利用傳感器采集污水的輔助變量和待測(cè)變量的數(shù)據(jù)樣本，其中，輔助變量數(shù)據(jù)樣本為u1(i),…,u7(i)，待測(cè)變量數(shù)據(jù)樣本為y(i);i=1,…,N0，N0為采樣數(shù) 量，傳感器采集數(shù)據(jù)樣本的時(shí)間為10s～10min;

　　取N1組數(shù)據(jù)樣本為訓(xùn)練樣本，取N2數(shù)據(jù)樣本為檢測(cè)樣本，其中，N1與N2均為正整數(shù)， N1+N2=N0;

　　步驟三，構(gòu)建軟件測(cè)量模型：

　　A、構(gòu)建數(shù)據(jù)集：

　　選取采集訓(xùn)練樣本時(shí)間的中間時(shí)刻k，取訓(xùn)練樣本N1中的數(shù)據(jù)，按如下方式構(gòu)建數(shù)學(xué)矩陣Zp和Zf：

　　 $Z_{p} = [\begin{matrix} Y_{p} \\ U_{p} \end{matrix}],$ 其中， $Y_{p} = [\begin{matrix} Y (k - s) \\ . \\ . \\ . \\ Y (k - 1) \end{matrix}],$ $U_{p} = [\begin{matrix} U (k - s) \\ . \\ . \\ . \\ U (k - 1) \end{matrix}];$

　　 $Z_{f} = [\begin{matrix} Y_{f} \\ U_{f} \end{matrix}],$ 其中， $Y_{f} = [\begin{matrix} Y (k) \\ . \\ . \\ . \\ Y (k + s - 1) \end{matrix}],$ $U_{f} = [\begin{matrix} U (k) \\ . \\ . \\ . \\ U (k + s - 1) \end{matrix}];$

　　Y(j)=[y(j)…y(j+N-1)]，U(j)=[u(j)…u(j+N)]

　　其中，N為正整數(shù)，N1>N+2s，N≥s+1，所述的s=3;

　　B、估計(jì)左零空間：

　　計(jì)算并對(duì)其進(jìn)行奇異值分解，結(jié)果如下：

　　 $\frac{1}{N} Z_{f} Z_{p}^{T} = U_{z} [\begin{matrix} Λ_{XY} & 0 \\ 0 & Λ_{Φ} \end{matrix}] V_{z}^{T},$

　　Uz=[Uz，XY Uz，res]，其中，ΛXY為對(duì)角陣，ΛΦ≈0;

　　C、估計(jì)等價(jià)向量，公式如下：

　　取的最后一行，記為β，β為等價(jià)向量;

　　滿足：β=[βu βy]，

　　βu=[βu,0…βu,s]∈Rl(s+1)，

　　βy=[βy,0…βy,s]∈Rm(s+1)，βy,s=1;

　　D、構(gòu)建軟測(cè)量模型

　　構(gòu)建系統(tǒng)的輸出觀測(cè)器，即為軟測(cè)量模型sensors，其中軟測(cè)量模型構(gòu)建公式如下：

　　 ${sensor}_{s} : \{\begin{matrix} z_{s} (t + 1) = A_{s} z_{s} (t) + B_{s} u (t) + L_{s} \tilde{y} (t) \\ {\hat{y}}_{s} (t) = C_{s} z_{s} (t) + d_{s} u (t) \end{matrix}$

　　其中，u(t)為系統(tǒng)輸入，為系統(tǒng)輸出，zs(t)為內(nèi)部變量，為軟測(cè)量結(jié)果，

　　其中，系統(tǒng)的輸出觀測(cè)器參數(shù)確定方法如下：

　　 $B_{s} = - [\begin{matrix} β_{u, 0} \\ . \\ . \\ . \\ β_{u, s - 1} \end{matrix}] &Element; R^{s},$ cs=[0…0 1]∈Rs，ds=-βu,s， $L_{s} = - [\begin{matrix} β_{y, 0} \\ . \\ . \\ . \\ β_{y, s - 1} \end{matrix}];$

　　步驟四，確定最優(yōu)觀測(cè)器：

　　分別取s=4,…,l，重復(fù)步驟A至D，得l-3個(gè)軟測(cè)量模型，根據(jù)s取值，各模型分別為sensor3,…,sensorl;將步驟一中的輔助變量數(shù)據(jù)樣本u1(i),…,u7(i)和待測(cè)變量數(shù) 據(jù)樣本y(i)代入各軟測(cè)量模型sensor3,…,sensorn中，得

　　定義評(píng)價(jià)指標(biāo)其中y0(t)為測(cè)試樣本中的實(shí)際輸出結(jié)果;最優(yōu)軟測(cè)量模型S為E中數(shù)值結(jié)果最小的一組軟測(cè)量模型;所述的最優(yōu)軟測(cè)量模型為 $S : \{\begin{matrix} z_{0} (t + 1) = A_{0} z_{0} (t) + B_{0} u (t) + L_{0} \tilde{y} (t) \\ {\hat{y}}_{0} (t) = C_{0} z_{0} (t) + d_{0} u (t) \end{matrix};$

　　步驟五，在線測(cè)量：

　　E、模型移植

　　將最優(yōu)軟測(cè)量模型S移植到在線監(jiān)控計(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)獲取的采樣測(cè)量值u1,…,u7，以及計(jì)算出水COD值

　　F、在線濾波

　　通過(guò)在線濾波器對(duì)進(jìn)行處理;處理公式如下：

　　 ${\hat{y}}_{f} (t) = a {\hat{y}}_{0} (k - 1) + (1 - a) {\hat{y}}_{0} (t),$

　　其中，α∈[0,1]為濾波因子。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于輸出觀測(cè)器的污水COD軟測(cè)量方法，其特征在于步驟D構(gòu)建軟測(cè)量模型中所述的

　　若有在線儀表，則為在線儀表讀數(shù)，軟測(cè)量結(jié)果為優(yōu)化的測(cè)量數(shù)據(jù);

　　若無(wú)在線儀表，則為離線采樣獲得的中值。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于輸出觀測(cè)器的污水COD軟測(cè)量方法，其特征在于步驟F在線濾波中所述的在線濾波器為平滑濾波器。

　　說(shuō)明書

　　一種基于輸出觀測(cè)器的污水COD軟測(cè)量方法

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明涉及一種污水COD軟測(cè)量方法，特別涉及一種對(duì)污水處理系統(tǒng)出水COD的軟測(cè) 量方法。

　　背景技術(shù)

　　由于對(duì)出水水質(zhì)、系統(tǒng)效率等指標(biāo)要求的不斷提高，在線、實(shí)時(shí)地對(duì)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)成為現(xiàn)代污水處理系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)于溫度、酸堿度等指標(biāo)，通常采用在線測(cè)量?jī)x表進(jìn)行檢測(cè)。然而，傳統(tǒng)上采用的在線儀表存在諸多明顯不足：1)易受干擾，存在較大的測(cè)量誤差;2)時(shí)滯現(xiàn)象明顯;3)部分水質(zhì)變量無(wú)法在線測(cè)量;4)價(jià)格昂貴，維護(hù)費(fèi) 用高。相比之下，軟測(cè)量技術(shù)能夠很好的克服上述缺點(diǎn)，受到了普遍重視。

　　軟測(cè)量技術(shù)主要是指，不依賴于在線傳感器，而利用數(shù)學(xué)關(guān)系對(duì)在線可測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到在線不可測(cè)的變量。通常，其主要步驟包括輔助變量的選擇、數(shù)據(jù)采集與處理、軟測(cè)量模型、在線校正等。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，人們已經(jīng)提出了多種軟測(cè)量技術(shù)，主要可分為兩大類：1)依賴于模型的方法，入機(jī)理建模、狀態(tài)估計(jì);2)基于數(shù)據(jù)的方法，如：回歸分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等。前者通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的分析，構(gòu)建反應(yīng)模型，來(lái)獲得待測(cè)變量與可測(cè)變量間的關(guān)系。其主要優(yōu)點(diǎn)在于理論成熟，測(cè)量效果好。但對(duì)于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，建模過(guò)程困難甚至難以實(shí)現(xiàn)，從而限制了其使用范圍。后者則主要通過(guò)歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到合理的數(shù)學(xué)模型，并將其應(yīng)用于在線測(cè)量，實(shí)用性更強(qiáng)。該類方法的不足在于對(duì)建模數(shù)據(jù) 的數(shù)量和質(zhì)量均有較高要求，并且對(duì)系統(tǒng)的變化不敏感，測(cè)量偏差較大。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明的目的是為了解決污水處理過(guò)程中反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜、非線性關(guān)系強(qiáng)、部分關(guān)鍵變量難于測(cè)量的問(wèn)題，而提供一種基于輸出觀測(cè)器的污水COD軟測(cè)量方法。

　　本發(fā)明的一種基于輸出觀測(cè)器的污水COD軟測(cè)量方法，是按照以下步驟進(jìn)行的：

　　步驟一，選擇輔助變量和待測(cè)變量：選取TOC、DO、ORP、pH、T、HRT和r作為輔助變量，分別設(shè)為u1,…,u7，將出水COD設(shè)為y，所述的y為待測(cè)變量;將污水處理過(guò)程定義為反應(yīng)系統(tǒng)，系統(tǒng)輸入為u=[u1 … u7]∈Rl，l=7，系統(tǒng)輸出y∈Rm，m=1; 其中，TOC為進(jìn)水總有機(jī)碳含量，DO為反應(yīng)池溶解氧，ORP為氧化還原電位，pH為酸堿度， T為水溫，HRT為水力停留時(shí)間，r為回流比;