一种基于椭球的活性污泥处理过程状态区间估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于椭球的活性污泥处理过程状态区间估计方法。本发明专利技术中，包括基于活性污泥反应的动力学过程以及其应用场景，建立非线性的活性污泥质量平衡模型；针对步骤S2中连续时间的T

【技术实现步骤摘要】
一种基于椭球的活性污泥处理过程状态区间估计方法


[0001]本专利技术涉及城市污水处理过程故障诊断领域，具体提出一种基于椭球的活性污泥处理过程状态区间估计方法。

技术介绍

[0002]污水处理是一个复杂的过程，需要通过一系列物理、化学和生物方法按照“一级处理—二级处理—三级处理”的顺序将污水中的大型颗粒物和沉淀物、污泥悬浮物和有机物、氮磷富营养物、难降解性有机物和有毒有害污染物依次去除或是减少到能够安全排放的水质标准以下。然而，在实际应用中，由于污水处理生物反应过程会受到入水成分、天气环境、温度、pH值和有机物浓度等因素影响，并且不同微生物之间的相互作用和代谢路径本身便非常复杂难以进行预测和控制，因此会存在着众多过程不确定性，导致如测量误差、过程模型不完善等，这些不确定性会导致最终处理效果不达标，甚至对环境和健康产生负面影响。
[0003]针对系统中存在不确定性的问题，状态估计区间生成法成为了一种常用的找寻受不确定性影响的系统状态的方法。状态区间生成可以根据测量数据和过程模型，通过计算和分析，生成包含真实状态的可能区间，从而更准确地描述过程状态的变化，目前常用的区间生成技术包括随机概率论统计方法和集员估计方法，相比于前者是假设不确定性服从一定分布，后者的假设条件是不确定性未知但有界，实际应用更广泛。常用的集员估计方法有基于区间观测器的方法和基于各种几何体的方法两种，其中的几何体包括椭球、盒子、中心对称多胞体以及近年提出的椭球束等。
[0004]由于不确定性一般为具有光滑边界的椭球形式，因此相比于其他几何形状，椭球具有运算简便、边界更适用于描述不确定性等优点。Song等人使用基于椭球体的状态区间生成方法，对污泥浓度进行估计，从而提高了处理效率和质量。Zhou等人提出了一种增强型椭球集员滤波器算法，有效地降低了椭球法的保守性。Becis
‑
Aubry等人针对峰值有界的干扰，运用椭球法得到了离散时间切换线性系统的可达集估计条件，并使用遗传算法优化方法优化参数使椭球体尽可能小，最后设计了一个控制器缩小可达集，使系统可达集包含在椭球体内。You等人针对存在未知有界扰动和噪声的线性离散时间系统，在每个时刻基于中心对称多胞体法找到估计可达集，并计算出该可达集的外部椭球，并与输出状态集相交，获得低保守性的可达集。Balandin等人研究了在扰动和初始状态不确定的情况下，存在有界不确定度量的线性时变连续或离散系统的可达集。同时，设计了一个观测器和控制器分别用于得到状态的估计椭球以及将系统状态保持在最终迭代的椭球内。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决污水处理过程中系统状态区间估计问题，针对该问题，本专利技术提出一种基于椭球集员估计的活性污泥反应过程状态区间估计方法。具体包括以下五个步骤：
[0007]步骤S1：基于活性污泥反应的动力学过程以及其应用场景，建立非线性的活性污
泥质量平衡模型。
[0008]步骤S2：针对上述非线性模型，采用T
‑
S(Takagi
‑
Sugeno)模糊化方法进行模糊建模，构建T
‑
S模糊模型。该方法可将非线性模型进行伪线性化处理，从而降低模型的复杂度。
[0009]步骤S3：针对步骤S2中连续时间的T
‑
S模糊系统，基于近似离散化的方法，将其转化为离散时间T
‑
S模糊系统。
[0010]步骤S4：为了解决污水处理过程中存在的大量不确定性所造成的难以得到准确的实时状态指标，针对步骤S3中的T
‑
S离散系统设计一种峰值有界形式的离散时间T
‑
S模糊观测器，进而估计现场无法取得的状态数据。
[0011]步骤S5：为了能够在观测器估计状态的同时得到状态的上下界，本专利技术基于椭球集员估计理论，在步骤S4得到的状态点预测的基础上，设计一种椭球的区间生成方法，区间的大小与过程不确定性和干扰相关。
附图说明
[0012]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
[0013]图1为本专利技术的应用场景流程图；
[0014]图2为反应本专利技术的整体系统设计步骤的框架图；
[0015]图3为本专利技术使用的椭球集员估计区间生成算法图
具体实施方式
[0016]以下结合附图和具体实施步骤对本专利技术作详尽的描述。
[0017]在步骤S1中，根据活性污泥的动力学过程，参考了3个著名微生物动力学方程，并以此针对模拟场景的生物处理过程建立非线性动力学模型，用以反映活性污泥中微生物量在污水处理过程中所发生的质量平衡变化。
[0018]以下分别介绍了所使用的3个基本微生物动力学方程。
[0019]莫诺德(monod)方程：
[0020][0021]其中μ为微生物量比增长速率，C
S
为底物浓度，μ
max
为最大比增长率，K
a
为半饱和系数，即μ＝0.5μ
max
时的底物浓度。该方程可用以描述底物浓度与微生物比增殖速度之间的关系,也可以描述曝气池中活性污泥的增长速度。
[0022]劳伦斯
‑
麦卡蒂(Lawrence
‑
McCarty)第一方程：
[0023][0024]其中，Y为微生物产率系数，反映了底物消耗速率和细胞增长速率之间的关系；K
d
为内部内源代谢系数，用以表示单位微生物量在单位时间内内源代谢消耗的微生物量。
[0025]劳伦斯
‑
麦卡蒂(Lawrence
‑
McCarty)第二方程：
[0026][0027]其中，r为底物比降解速率。劳伦斯
‑
麦卡蒂基本方程是根据莫诺德方程建立的动
力学关系式，用以表示单位质量的微生物在活性污泥生物处理过程中的平均停留时间，以此反映出活性污泥的平均泥龄。
[0028]设计的应用场景是由曝气池和沉降池组成的活性污泥系统。曝气池被认为是一个充分搅拌的容器，其中悬浮的微生物与废水中的有机物质和水中溶解的氧气反应，产生更多的细胞、二氧化碳和水，除去污水中的碳。氧气通过压缩空气注入到曝气池中，悬浮的微生物在沉降池中被完全分离，一部分被回收到曝气池，其余的则被排出，以保持生物反应器中一定的微生物浓度。需要注意的是，本专利技术所应用的场景仅考虑了利用微生物去除污水中有机物，即去除碳、氢元素的过程，并未考虑污水处理中除氮除磷等过程。
[0029]针对活性污泥的微生物动力学原理进行建模一般都需要用到一些假设，本设计也不例外。本设计的4个假设条件如下：
[0030]溶解氧浓度C
O
是过程唯一可测量的状态；
[0031]微生物量X、底物浓度C
S
和回收微生物量X
r
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于椭球的活性污泥处理过程状态区间估计方法，其特征在于：所述基于椭球的活性污泥处理过程状态区间估计方法包括以下步骤：S1:基于活性污泥反应的动力学过程以及其应用场景，建立非线性的活性污泥质量平衡模型S2:针对上述非线性模型，采用T
‑
S(Takagi
‑
Sugeno)模糊化方法进行模糊建模，构建T
‑
S模糊模型，该方法可将非线性模型进行伪线性化处理，从而降低模型的复杂度S3:针对步骤S2中连续时间的T
‑
S模糊系统，基于近似离散化的方法，将其转化为离散时间T
‑
S模糊系统S4:为了解决污水处理过程中存在的大量不确定性所造成的难以得到准确的实时状态指标，针对步骤S3中的T
‑
S离散系统设计一种峰值有界形式的离散时间T
‑
S模糊观测器，进而估计现场无法取得的状态数据S5:为了能够在观测器估计状态的同时得到状态的上下界，本发明基于椭球集员估计理论，在步骤S4得到的状态点预测的基础上，设计一种椭球的区间生成方法，区间的大小与过程不确定性和干扰相关。2.如权利要求1所述的一种基于椭球的活性污泥处理过程状态区间估计方法，其特征在于：所述步骤S1中，根据活性污泥的动力学过程，参考了3个著名微生物动力学方程，并以此针对模拟场景的生物处理过程建立非线性动力学模型，用以反映活性污泥中微生物量在污水处理过程中所发生的质量平衡变化。3.如权利要求1所述的一种基于椭球的活性污泥处理过程状态区间估计方法，其特征在于：所述步骤S2中，针对上文所列出的4个活性污泥生物处理过程的...

【专利技术属性】
技术研发人员：周萌，武岩，王晶，王昶，薛同来，史运涛，董哲，翟维枫，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：