[发明专利]一种基于输出观测器的污水COD软测量方法

摘要

一种基于输出观测器的污水COD软测量方法，它涉及一种污水COD软测量方法。本发明要解决污水处理过程中反应过程复杂、非线性关系强、部分关键变量难于测量的问题。该方法是将待测变量作为系统输出，构建性能良好的输出观测器，其中的观测器参数由历史测量数据离线辨识得到。本发明的主要优点有：1）不依赖于对污水处理反应模型的先验知识，仅利用污水处理系统历史测量数据；2）基于成熟的控制理论，构建闭环观测器，动态性能优异，软测量效果好；3）应用范围广泛，除污水处理系统出水COD外，改进的系统应用于测量其他水质指标以及化工、冶炼、造纸等类似工业过程的产品成分。本方法应用于污水在线测量领域。

主权项

1.一种基于输出观测器的污水COD软测量方法，其特征在于所述的基于输出观测器的污水COD软测量方法是按照以下步骤进行的：步骤一，选择辅助变量和待测变量：选取TOC、DO、ORP、pH、T、HRT和r作为辅助变量，分别设为u₁,…,u₇，将出水COD设为y，所述的y为待测变量；将污水处理过程定义为反应系统，系统输入为u=[u₁…u₇]∈R^l，l=7，系统输出y∈R^m，m=1；其中，TOC为进水总有机碳含量，DO为反应池溶解氧，ORP为氧化还原电位，pH为酸碱度，T为水温，HRT为水力停留时间，r为回流比；步骤二，数据采集：利用传感器采集污水的辅助变量和待测变量的数据样本，其中，辅助变量数据样本为u₁(i),…,u₇(i)，待测变量数据样本为y(i)；i=1,…,N₀，N₀为采样数量，传感器采集数据样本的时间为10s～10min；取N₁组数据样本为训练样本，取N₂数据样本为检测样本，其中，N₁与N₂均为正整数，N₁+N₂=N₀；步骤三，构建软件测量模型：A、构建数据集：选取采集训练样本时间的中间时刻k，取训练样本N₁中的数据，按如下方式构建数学矩阵Z_p和Z_f：Zp=YpUp,]]>其中，Yp=Y(k-s)...Y(k-1),]]>Up=U(k-s)...U(k-1);]]>Zf=YfUf,]]>其中，Yf=Y(k)...Y(k+s-1),]]>Uf=U(k)...U(k+s-1);]]>Y(j)=[y(j)…y(j+N-1)]，U(j)=[u(j)…u(j+N)]其中，N为正整数，N₁>N+2s，N≥s+1，所述的s=3；B、估计左零空间：计算并对其进行奇异值分解，结果如下：1NZfZpT=UzΛXY00ΛΦVzT,]]>U_z＝[U_z，XY U_z，res]，其中，Λ_XY为对角阵，Λ_Φ≈0；C、估计等价向量，公式如下：取的最后一行，记为β，β为等价向量；满足：β=[β_u β_y]，β_u=[β_u,0…β_u,s]∈R^l(s+1)，β_y=[β_y,0…β_y,s]∈R^m(s+1)，β_y,s=1；D、构建软测量模型构建系统的输出观测器，即为软测量模型sensor_s，其中软测量模型构建公式如下：sensors:zs(t+1)=Aszs(t)+Bsu(t)+Lsy~(t)y^s(t)=Cszs(t)+dsu(t)]]>其中，u(t)为系统输入，为系统输出，z_s(t)为内部变量，为软测量结果，其中，系统的输出观测器参数确定方法如下：Bs=-βu,0...βu,s-1∈Rs,]]>c_s=[0…0 1]∈R^s，d_s=-β_u,s，Ls=-βy,0...βy,s-1;]]>步骤四，确定最优观测器：分别取s=4,…,l，重复步骤A至D，得l-3个软测量模型，根据s取值，各模型分别为sensor₃,…,sensor_l；将步骤一中的辅助变量数据样本u₁(i),…,u₇(i)和待测变量数据样本y(i)代入各软测量模型sensor₃,…,sensor_n中，得定义评价指标其中y₀(t)为测试样本中的实际输出结果；最优软测量模型S为E中数值结果最小的一组软测量模型；所述的最优软测量模型为S:z0(t+1)=A0z0(t)+B0u(t)+L0y~(t)y^0(t)=C0z0(t)+d0u(t);]]>步骤五，在线测量：E、模型移植将最优软测量模型S移植到在线监控计算机，实时获取的采样测量值u₁,…,u₇，以及计算出水COD值F、在线滤波通过在线滤波器对进行处理；处理公式如下：y^f(t)=ay^0(k-1)+(1-a)y^0(t),]]>其中，α∈[0,1]为滤波因子。