自适应无偏有限脉冲响应滤波的污水溶解氧浓度估计方法技术

本发明专利技术涉及污水处理技术领域，公开一种自适应无偏有限脉冲响应滤波的污水溶解氧浓度估计方法，包括：根据污水处理机理建立污水溶解氧浓度系统的数学模型，使用传感器监测污水溶解氧浓度，建立污水溶解氧浓度的传感器的观测模型；在窗口区间内使用无偏有限脉冲响应滤波器估计系统的状态值，获取不同窗口尺寸下的无偏有限脉冲响应滤波器的系统状态的估计值，根据马氏距离选择出估计值精度最高时对应的窗口尺寸作为最优窗口尺寸；使用最优窗口尺寸对应的窗口区间下的无偏有限脉冲响应滤波器实时估计污水溶解氧浓度的状态值。本发明专利技术可以实现对污水溶解氧浓度的实时估计、减小滤波器估计误差、增加估计精度。估计误差、增加估计精度。估计误差、增加估计精度。

【技术实现步骤摘要】
自适应无偏有限脉冲响应滤波的污水溶解氧浓度估计方法


[0001]本专利技术涉及污水处理
，尤其是指一种自适应无偏有限脉冲响应滤波的污水溶解氧浓度估计方法。

技术介绍

[0002]污水处理是指将污水中的有害物质通过一系列物理、化学和生物处理过程去除，使其达到国家和地方政府规定的排放标准，以减少对环境和人类健康的影响。污水处理的过程通常包括预处理、初级处理、二级处理和三级处理等多个阶段，其中预处理主要是去除大颗粒物质和沉积物，初级处理主要是通过沉淀和过滤去除悬浮物质和生物化学需氧量，二级处理主要是通过生物降解去除氮和磷等营养物质，三级处理主要是通过化学处理去除难降解物质和微量污染物。污水处理是一项非常重要的环保工作，可以有效地减少对环境的污染和对人类健康的威胁。
[0003]污水处理在工业上具有规模大、污染物种类多、水质波动大、处理难度大、运营成本高等特性，污水处理的特点在一定程度上增加了处理难度和成本，需要采用先进的技术和管理手段，以保证处理效果和经济效益的平衡。截止2022年3月份，全国共有一万多个拿到排污许可证的污水处理厂，其中98.6％的污水处理厂公布了自身污染物排放总量或排放浓度的限制信息。按照污水处理能力来看，1
‑
5万吨/日的污水处理厂最多，占比33.2％；5000
‑
10000吨/日的污水处理厂占比11.7％；1000
‑
5000吨/日的污水处理厂占比25.8％；1000吨/日以下的污水处理厂占比16.4％；1万吨/日以下的污水处理厂占比合计达到52.9％。
[0004]污水处理的过程具有非线性、时变、随机和大时滞的特性，目前对其的建模和空值过程仍然非易事，而且在具体的污水处理现场环境中，传感器由于干扰的作用会使得求出的状态值与真实值存在误差。污水处理过程中溶解氧浓度控制的好坏直接决定了水质的好坏。活性污泥池中的溶解氧浓度过少或者过量，均会导致污泥生存环境恶化：溶解氧浓度不足，则会引起好氧菌的生长速率降低，从而使出水水质下降；反之，若溶解氧浓度过高，则会因为絮凝剂遭到破坏，导致悬浮固体沉降性变差，同时也会造成能源浪费。
[0005]有限脉冲响应是近些年来比较热门的研究方向，其中无偏有限脉冲响应滤波器更是如此，许多相关的领域中都能见到它的身影，比如轨迹追踪、迁移学习等领域，传感器可以用来测量水质的各种参数，如PH值、温度、溶解氧、电导率等，这些数据可以被输入到滤波器中，用于预测水质的未来状态并进行控制。但是，污水溶解氧浓度是一个动态变化的过程，需要进行实时的监测和数据采集以确保滤波器能够及时有效地处理溶解氧信号，但是单纯使用无偏有限脉冲响应滤波器无法实现实时的监测和数据采集。此外，现有技术还缺少对滤波器的稳定性、实时性等的考虑和评估，无法确保滤波器的应用效果和稳定性，导致对污水溶解氧浓度的估计不准确。

技术实现思路

[0006]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提供一种自适应无偏有限脉冲响应滤波的污水溶解氧浓度估计方法，可以实现对污水溶解氧浓度的实时估计、减小滤波器估计误差、增加估计精度。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种自适应无偏有限脉冲响应滤波的污水溶解氧浓度估计方法，包括：
[0008]根据污水处理机理建立污水溶解氧浓度系统的数学模型，使用传感器监测污水溶解氧浓度，建立污水溶解氧浓度的传感器的观测模型；
[0009]结合系统的数学模型和传感器的观测模型，在窗口区间内使用无偏有限脉冲响应滤波器估计系统的状态值；
[0010]获取不同窗口尺寸下的无偏有限脉冲响应滤波器的系统状态的估计值，根据马氏距离选择出估计值精度最高时对应的窗口尺寸作为最优窗口尺寸；
[0011]使用最优窗口尺寸对应的窗口区间下的无偏有限脉冲响应滤波器实时估计污水溶解氧浓度的状态值。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，所述根据污水处理机理建立污水溶解氧浓度系统的数学模型，包括：
[0013]根据活性污泥法污水处理的处理机理建立溶解氧浓度状态空间方程为：
[0014]x
k
＝Ax
k
‑1+w
k
，
[0015]其中：
[0016]k为时间索引，x
k
是k时刻的系统状态，x
k
＝[x
1,k
,x
2,k
,x
3,k
]T
；其中，x
1,k
为微生物的质量浓度，x
2,k
为底物的质量浓度，x
3,k
为溶解氧的质量浓度，T表示转置；
[0017]w
k
为k时刻的系统噪声项，w
k
～N(0,Q)，其中Q是系统噪声项的协方差矩阵；
[0018]A为系统的状态转移矩阵，其中，u
H
为微生物最大生长速率，k
d
为内生的迟滞参数，C为二沉池浓度因子，Q
w
为污质的流量，V为反应器的体积，Y
NH
为观察到的生长系数，Q
in
为流入量，f为联系有机物与需氧量的因子，f
x
为水泵因子，δ为对溶解氧设置的冲量系数。
[0019]在本专利技术的一个实施例中，所述建立污水溶解氧浓度的传感器的观测模型，包括：
[0020]建立传感器的观测模型为：
[0021]y
k
＝Cx
k
+v
k
，
[0022]其中，y
k
为k时刻的传感器测得的污水溶解氧的观测值，C是系统的观测矩阵，x
k
是k时刻的系统状态，v
k
是k时刻的观测值的噪声项，v
k
～N(0,R)，其中的R是观测噪声项的协方差矩阵。
[0023]在本专利技术的一个实施例中，所述在窗口区间内使用无偏有限脉冲响应滤波器估计
系统的状态值，包括：
[0024]使用标准最小二乘法批处理无偏有限脉冲响应滤波器在窗口区间[m,k]内的估计值，得到k时刻的系统状态估计值为：
[0025][0026]其中，H
m,k
表示映射矩阵，Y
m,k
表示拓展观测向量，T表示转置；m表示初始时刻，m＝k
‑
N+1，N为窗口尺寸；
[0027]变换系统状态估计值，得到递归卡尔曼形式的系统状态估计值为：
[0028][0029]其中，A
k
表示系统的状态转移矩阵，G
k
表示广义噪声功率增益矩阵，C
k
表示系统的观测矩阵；
[0030]预测先验状态估计为：
[0031][0032]其中，是先验状态估计，l是辅助变量，从l＝m+K开始迭代至l＝k结束来获得在时间刻度k处的估计；
[0033]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自适应无偏有限脉冲响应滤波的污水溶解氧浓度估计方法，其特征在于，包括：根据污水处理机理建立污水溶解氧浓度系统的数学模型，使用传感器监测污水溶解氧浓度，建立污水溶解氧浓度的传感器的观测模型；结合系统的数学模型和传感器的观测模型，在窗口区间内使用无偏有限脉冲响应滤波器估计系统的状态值；获取不同窗口尺寸下的无偏有限脉冲响应滤波器的系统状态的估计值，根据马氏距离选择出估计值精度最高时对应的窗口尺寸作为最优窗口尺寸；使用最优窗口尺寸对应的窗口区间下的无偏有限脉冲响应滤波器实时估计污水溶解氧浓度的状态值。2.根据权利要求1所述的自适应无偏有限脉冲响应滤波的污水溶解氧浓度估计方法，其特征在于：所述根据污水处理机理建立污水溶解氧浓度系统的数学模型，包括：根据活性污泥法污水处理的处理机理建立溶解氧浓度状态空间方程为：其中：k为时间索引，x
k
是k时刻的系统状态，x
k
＝[x
1,k
,x
2,k
,x
3,k
]
T
；其中，x
1,k
为微生物的质量浓度，x
2,k
为底物的质量浓度，x
3,k
为溶解氧的质量浓度，T表示转置；w
k
为k时刻的系统噪声项，w
k
～N(0,Q)，其中Q是系统噪声项的协方差矩阵；A为系统的状态转移矩阵，其中，u
H
为微生物最大生长速率，k
d
为内生的迟滞参数，C为二沉池浓度因子，Q
w
为污质的流量，V为反应器的体积，Y
NH
为观察到的生长系数，Q
in
为流入量，f为联系有机物与需氧量的因子，f
x
为水泵因子，δ为对溶解氧设置的冲量系数。3.根据权利要求2所述的自适应无偏有限脉冲响应滤波的污水溶解氧浓度估计方法，其特征在于：所述建立污水溶解氧浓度的传感器的观测模型，包括：建立传感器的观测模型为：y
k
＝Cx
k
+v
k
，其中，y
k
为k时刻的传感器测得的污水溶解氧的观测值，C是系统的观测矩阵，x
k
是k时刻的系统状态，v
k
是k时刻的观测值的噪声项，v
k
～N(0,R)，其中的R是观测噪声项的协方差矩阵。4.根据权利要求3所述的自适应无偏有限脉冲响应滤波的污水溶解氧浓度估计方法，其特征在于：所述在窗口区间内使用无偏有限脉冲响应滤波器估计系统的状态值，包括：使用标准最小二乘法批处理无偏有限脉冲响应滤波器在窗口区间[m,k]内的估计值，得到k时刻的系统状态估计值为：
其中，H
m,k
表示映射矩阵，Y
m,k
表示拓展观测向量，T表示转置；m表示初始时刻，m＝k
‑
N+1，N为窗口尺寸；变换系统状态估计值，得到递归卡尔曼形式的系统状态估计值为：其中，A
k
表示系统的状态转移矩阵，G
k
表示广义噪声功率增益矩阵，C
k
表示系统的观测矩阵；预测先验状态估计为：其中，是先验状态估计，l是辅助变量，从l＝m+K开始迭代至l＝k结束来获得在时间刻度k处的估计；迭代更新先验状态估计，得到后验状态估计为：其中，K
l
是偏差校正增益，G
l
是广义噪声功率增益，z
l
是更新的测量残差，5.根据权利要求4所述的自适应无偏有限脉冲响应滤波的污水溶解氧浓度估计方法，其特征在于：所述获取不同窗口尺寸下的无偏有限脉冲响应滤波器的系统状态的估计值，根据马氏距离选择出估计值精度最高时对应的窗口尺寸，包括：在窗口尺寸的预设范围内分组随机挑选无偏...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵顺毅，许卫卫，张剑惠，栾小丽，刘飞，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：