沼气系统全运行状态信息感知与最优控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了沼气系统全运行状态信息感知与最优控制系统及方法，包括沼气系统的全运行状态云实时数据库，沼气系统的全运行状态云实时数据库与沼气系统的预处理单元的运行状态感知系统、沼气系统的厌氧发酵单元信息采集系统、沼气输配气运行状态感知系统、污水处理单元运行状态感知系统及沼气系统环境信息感知系统通信。选择沼气系统的运行状态特征；构造深信度网络DBN；逐层贪婪训练，使用反向传播BP算法，调整参数，完成的训练；将沼气系统实时数据输入到训练完成的DBN中，产生最佳控制变量；根据最佳控制变量完成控制。可有效解决具有运行过程复杂、影响因素众多等特征的沼气系统运行过程实时最优控制难及产气率低的问题。

【技术实现步骤摘要】
沼气系统全运行状态信息感知与最优控制系统及方法
本专利技术涉及沼气系统的运行优化控制
，尤其涉及沼气系统全运行状态信息感知与最优控制系统及方法。
技术介绍
能源紧缺、环境污染和气候变化是制约当今世界经济和社会可持续发展的重要因素，能源和环境问题已成为国内外高度关注的重大战略问题。大型养殖场禽畜排放的粪便，不仅造成严重的水质污染、空气污染及土壤污染，而且容易引起禽畜致病，直接影响养殖的防疫卫生和禽畜产品质量。而发展大中型沼气系统是实现生态养殖促进区域循环经济发展、减少养殖污染提高环境质量、发展无公害农产品保障食品安全及开发利用沼气新能源的重要途径，具有重要意义。但沼气系统是一个错综复杂的微生物生化过程，厌氧环境、原料的碳氮比、发酵温度、酸碱度、酶浓度、底物浓度等是影响沼气系统高效产气的重要关键因素，洞察沼气系统的运行机理及对其生产过程的优化控制极其困难。沼气系统能否高效运行，除取决于沼气系统的装置结构，更取决于对沼气系统的运行过程的全状态信息感知及实时最优控制方法，基于历史运行数据挖掘沼气系统运行机理，建立智能专家系统对沼气系统的运行过程实时最优调控，从而使沼气系统的高效运行并提高产气率。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述问题，提供一种沼气系统全运行状态信息感知与最优控制系统及方法，可有效解决具有运行过程复杂、影响因素众多等特征的沼气系统运行过程实时最优控制难及产气率低的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：沼气系统的全运行状态信息感知系统，包括沼气系统的全运行状态云实时数据库，所述沼气系统的全运行状态云实时数据库与沼气系统的预处理单元的运行状态感知系统、沼气系统的厌氧发酵单元信息采集系统、沼气输配气运行状态感知系统、污水处理单元运行状态感知系统及沼气系统环境信息感知系统通信。所述沼气系统的预处理单元的运行状态感知系统包括第一CPU模块，所述第一CPU模块与第一AI模拟量输入模块连接，所述第一AI模拟量输入模块与第一超声波水位计、第一温度变送器及第一总固体浓度检测计连接，所述第一CPU模块实现对预处理单元的水位、温度和总固体浓度的信息感知与采集。所述沼气系统的厌氧发酵单元运行状态感知系统包括第二CPU模块、所述第二CPU模块与第二AI模拟量输入模块及第一DI数字量输入模块连接；所述第二AI模拟量输入模块与第二超声波水位计、第二温度变送器、PH值检测器、第二总固体浓度检测计、第一化学需氧量值检测计、第一生化需氧量值检测计、第一挥发性有机酸检测计及氧化还原电位计连接；所述第一DI数字量输入模块与过载限位开关连接；实现对厌氧发酵单元的液位、上部中部下部的温度、PH值、总固体浓度及过载报警的信息感知与采集。所述沼气输配气单元运行状态感知系统包括第三CPU模块，所述第三CPU模块与第三AI模拟量输入模块及第二DI数字量输入模块连接；所述第三AI模拟量输入模块与CH4浓度检测仪、CO2浓度检测器、O2浓度检测器、H2S浓度检测器、沼气流量计、沼气水分检测器、沼气压力计连接；所述第二DI数字量输入模块与沼气泄露报警器连接；实现对沼气输配气单元的CH4、CO2、O2和H2S浓度及沼气流量、水分、压力及沼气泄露报警的信息感知与采集。所述污水处理单元运行状态感知系统包括第四CPU模块，所述第四CPU模块与第四AI模拟量输入模块及第三DI数字量输入模块连接；所述第四AI模拟量输入模块与污水温度计、污水流量计、污水液位计、第二化学需氧量值检测计、第二生化需氧量值检测计、第二挥发性有机酸检测计、悬浮物值检测计连接；所述第三DI数字量输入模块与烟雾探测报警器连接；实现对污水的流量、温度、液位、化学需氧量、生化需氧量、挥发性有机酸及悬浮物的信息感知与采集。所述沼气系统环境信息采集系统包括第五CPU模块，所述第五CPU模块与第五AI模拟量输入模块及第四DI数字量输入模块连接；所述第五AI模拟量输入模块与环境温度计、环境湿度计、气压计、风速计连接；所述第四DI数字量输入模块与烟雾探测报警器连接；实现沼气系统的温度、湿度、大气压、风速及烟雾探测报警的信息感知与采集。所述沼气系统的全运行状态云实时数据库包括云计算一体机，所述云计算一体机通过万兆交换机与所述沼气系统的预处理单元的运行状态感知系统、沼气系统的厌氧发酵单元信息采集系统、沼气输配气运行状态感知系统、污水处理单元运行状态感知系统及沼气系统环境信息感知系统通信；所述云计算一体机有实时生产数据库、历史数据查询库及实时生产数据库和历史数据查询库的数据表；两个数据库通过GoldenGate软件进行同步。3.3分别设计了沼气系统的全状态信息的实时生产数据库和历史数据查询库的数据表。实时生产数据库的日数据表，每张表中仅保留1日的数据。历史数据查询库设计了日数据表、月数据表，通过ETL将日数据存入对应日期的月表中。基于所述沼气系统的全运行状态信息感知系统的沼气系统的最优控制系统，所述沼气系统的全运行状态云实时数据库与智能专家系统通信，所述智能专家系统还与PLC控制器、自动进出料系统、物料总固体浓度自动调配系统、PH值自动控制系统、自动搅拌系统、自动排污系统及厌氧发酵单元自动增温系统通信；所述PLC控制器、自动进出料系统、物料总固体浓度自动调配系统、PH值自动控制系统、自动搅拌系统、自动排污系统及厌氧发酵单元自动增温系统根据智能专家模块的最优控制结果进行最优控制。基于所述的最优控制系统的控制方法，包括：步骤一，选择沼气系统的运行状态特征Vi；步骤二，构造深信度网络DBN；步骤三，将沼气系统的历史运行状态特征Vi输入DBN，先逐层贪婪训练DBN，再使用反向传播BP算法，调整DBN参数，完成DBN的训练；步骤四，将沼气系统实时数据输入到步骤4.3训练完成的DBN中，产生最佳控制变量步骤五，根据所述步骤四的最佳控制变量完成控制。其中，Vi＝[LTYCL,TYCL,TSYCL,LTYY,TYY-S,TYY-Z,TYY-X,PHYY,TSYY,CODYY,BODYY,VFAYY,CH4YY,CO2YY,LZQ,WZQ,PZQ,THJ,RHHJ,PHJ,SHJ]；LTYCL为预处理单元的液位值，TYCL为预处理单元的温度值，TSYCL为预处理单元的物料TS浓度值，LTYY为厌氧发酵单元的液位值，TYY-S为厌氧发酵单元的上部温度值，TYY-Z为厌氧发酵单元的中部温度值，TYY-X为厌氧发酵单元的下部温度值，PHYY为厌氧发酵单元的PH值，TSYY为厌氧发酵单元的物料TS浓度值，CODYY为厌氧发酵单元的化学需氧量值，BODYY为厌氧发酵单元的生化需氧量值，VFAYY为厌氧发酵单元的挥发性有机酸值，CH4YY为CH4浓度值，CO2YY为CO2浓度值，LZQ为沼气流量值，WZQ为沼气水分值、PZQ为沼气压力值、THJ为环境温度值、RHHJ为环境湿度值、PHJ为环境大气压值、SHJ为环境风速值；所述步骤一的具体方法包括：步骤1.1，采用C-C方法相空间重构沼气系统运行状态时间序列vi，设定vi的延迟时间ti和嵌入维数mi，并取ti＝1和mi＝3600，将沼气系统运行状态数据vi统一表达为vi＝[vi(t),vi(t-1),…,vi(t-(3600-1))]；步骤1.2，选择Vi为沼气系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.沼气系统的全运行状态信息感知系统，其特征是，包括沼气系统的全运行状态云实时数据库，所述沼气系统的全运行状态云实时数据库与沼气系统的预处理单元的运行状态感知系统、沼气系统的厌氧发酵单元信息采集系统、沼气输配气运行状态感知系统、污水处理单元运行状态感知系统及沼气系统环境信息感知系统通信。

【技术特征摘要】
1.沼气系统的全运行状态信息感知系统，其特征是，包括沼气系统的全运行状态云实时数据库，所述沼气系统的全运行状态云实时数据库与沼气系统的预处理单元的运行状态感知系统、沼气系统的厌氧发酵单元信息采集系统、沼气输配气运行状态感知系统、污水处理单元运行状态感知系统及沼气系统环境信息感知系统通信。2.如权利要求1所述沼气系统的全运行状态信息感知系统，其特征是，所述沼气系统的预处理单元的运行状态感知系统包括第一CPU模块，所述第一CPU模块与第一AI模拟量输入模块连接，所述第一AI模拟量输入模块与第一超声波水位计、第一温度变送器及第一总固体浓度检测计连接，所述第一CPU模块实现对预处理单元的水位、温度和总固体浓度的信息感知与采集。3.如权利要求1所述沼气系统的全运行状态信息感知系统，其特征是，所述沼气系统的厌氧发酵单元运行状态感知系统包括第二CPU模块、所述第二CPU模块与第二AI模拟量输入模块及第一DI数字量输入模块连接；所述第二AI模拟量输入模块与第二超声波水位计、第二温度变送器、PH值检测器、第二总固体浓度检测计、第一化学需氧量值检测计、第一生化需氧量值检测计、第一挥发性有机酸检测计及氧化还原电位计连接；所述第一DI数字量输入模块与过载限位开关连接；实现对厌氧发酵单元的液位、上部中部下部的温度、PH值、总固体浓度及过载报警的信息感知与采集。4.如权利要求1所述沼气系统的全运行状态信息感知系统，其特征是，所述沼气输配气单元运行状态感知系统包括第三CPU模块，所述第三CPU模块与第三AI模拟量输入模块及第二DI数字量输入模块连接；所述第三AI模拟量输入模块与CH4浓度检测仪、CO2浓度检测器、O2浓度检测器、H2S浓度检测器、沼气流量计、沼气水分检测器、沼气压力计连接；所述第二DI数字量输入模块与沼气泄露报警器连接；实现对沼气输配气单元的CH4、CO2、O2和H2S浓度及沼气流量、水分、压力及沼气泄露报警的信息感知与采集。5.如权利要求1所述沼气系统的全运行状态信息感知系统，其特征是，所述污水处理单元运行状态感知系统包括第四CPU模块，所述第四CPU模块与第四AI模拟量输入模块及第三DI数字量输入模块连接；所述第四AI模拟量输入模块与污水温度计、污水流量计、污水液位计、第二化学需氧量值检测计、第二生化需氧量值检测计、第二挥发性有机酸检测计、悬浮物值检测计连接；所述第三DI数字量输入模块与烟雾探测报警器连接；实现对污水的流量、温度、液位、化学需氧量、生化需氧量、挥发性有机酸及悬浮物的信息感知与采集。6.如权利要求1所述沼气系统的全运行状态信息感知系统，其特征是，所述沼气系统环境信息采集系统包括第五CPU模块，所述第五CPU模块与第五AI模拟量输入模块及第四DI数字量输入模块连接；所述第五AI模拟量输入模块与环境温度计、环境湿度计、气压计、风速计连接；所述第四DI数字量输入模块与烟雾探测报警器连接；实现沼气系统的温度、湿度、大气压、风速及烟雾探测报警的信息感知与采集。7.如权利要求1所述沼气系统的全运行状态信息感知系统，其特征是，所述沼气系统的全运行状态云实时数据库包括云计算一体机，所述云计算一体机通过万兆交换机与所述沼气系统的预处理单元的运行状态感知系统、沼气系统的厌氧发酵单元信息采集系统、沼气输配气运行状态感知系统、污水处理单元运行状态感知系统及沼气系统环境信息感知系统通信；所述云计算一体机有实时生产数据库、历史数据查询库及实时生产数据库和历史数据查询库的数据表；两个数据库通过GoldenGate软件进行同步。3.3分别设计了沼气系统的全状态信息的实时生产数据库和历史数据查询库的数据表。实时生产数据库...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵峰，张广渊，裴文卉，潘为刚，杨光，
申请(专利权)人：山东交通学院，
类型：发明
国别省市：山东,37