一种基于事件触发辨识的溶解氧浓度自适应滑模控制方法

技术领域

本发明基于事件触发辨识设计了自适应滑模控制器，实现了城市污水处理过程中受延时扰动变量影响的溶解氧浓度的稳定控制，溶解氧浓度的控制作为城市污水处理过程的重要环节，是先进制造技术领域的重要分支，既属于智能控制领域，又属于水处理领域。

背景技术

污水处理指为使污水达到排入某一水体或再次使用的水质要求对其进行净化的过程，是解决水污染问题的重要途径。活性污泥法工艺是应用最广泛的污水处理工艺之一，但该工艺涉及多种复杂的物理、化学和生物反应过程。活性污泥法工艺中好氧区溶解氧浓度的大小直接影响了微生物的代谢和污水处理的效果，如果溶解氧浓度过高，会加速污水中有机物的消耗，导致活性污泥老化；如果溶解氧浓度过低，微生物的活性就会受到抑制，导致微生物的衰退、解体和恶化。因此，溶解氧浓度的准确控制是确保污水处理厂出水水质的关键。

然而，大多数实际污水处理厂采用推流工艺，污水流入生化反应池后依次通过每个隔板，从而形成推流时滞，推流时滞的存在对溶解氧浓度的精确控制带来了一定的难题。传统的PID控制或者非线性模型预测控制无法适应以上特点，可能会降低系统运行性能及污水处理效率甚至破坏闭环系统的稳定性。如何针对城市污水处理过程变量时滞特性带来的控制难题设计有效的控制器，实现城市污水处理过程的稳定、高效控制，继而保证出水水质是一个亟待解决的问题。

本发明设计了一种基于事件触发辨识的溶解氧浓度自适应滑模控制方法，建立具有延迟扰动项的城市污水处理过程溶解氧浓度模型，设计基于事件触发递归最小二乘方法的模型参数辨识方法，设计自适应滑模控制器，实现了城市污水处理过程溶解氧浓度的稳定控制。

发明内容

1.一种基于事件触发辨识的溶解氧浓度自适应滑模控制方法，建立具有延迟扰动项的城市污水处理过程溶解氧浓度模型，构建基于事件触发的递归最小二乘模型参数辨识策略，设计自适应滑模控制器，实现城市污水处理过程溶解氧浓度的稳定控制；其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立具有延迟扰动项的城市污水处理过程溶解氧浓度模型

其中

(2)构建基于事件触发的递归最小二乘模型参数辨识策略，计算溶解氧浓度模型的未知参数

计算t时刻模型适配度ε(t)

其中||表示绝对值运算，x

若ε(t)>ε

其中

其中P

其中I表示3×3的单位矩阵；当k＝K时

(3)设计基于事件触发辨识的自适应滑模控制器，稳定控制城市污水处理过程溶解氧浓度，具体为

①取t＝1，ε

②计算t时刻的控制误差e(t)

e(t)＝x(t)-x

其中x

③计算t时刻滑模面S(t)

其中e(t)表示t时刻的控制误差；

④计算t时刻模型适配度ε(t)

⑤判断ε(t)>ε

⑥计算t时刻第k个样本的估计参数矩阵

⑦判断k

⑧计算t时刻的自适应滑模控制律u(t)

其中sgn()表示符号函数，指出滑模面S(t)的正负号；n(t)表示t时刻自适应增益系数，计算如下

其中n(t-1)表示t-1时刻的自适应增益系数，

⑨判断t<200是否成立，若成立则令t的值增加1，并转到步骤②，若不成立则结束循环；

(4)基于事件触发辨识的溶解氧浓度自适应滑模控制系统的输入是氧传递系数u(t)，输出是城市污水处理过程生化反应池第五分区的溶解氧浓度x(t)，利用求解得到的氧传递系数u(t)控制城市污水处理过程生化反应池第五分区的溶解氧浓度x(t)。

本发明的创造性主要体现在：

(1)本发明针对城市污水处理过程由推流时滞引起的难以准确建立溶解氧浓度模型的问题，建立具有延迟扰动项的城市污水处理过程溶解氧浓度模型，设计基于事件触发的递归最小二乘方法辨识模型参数，为控制器设计奠定了基础；

(2)本发明针对城市污水处理过程难以稳定控制受延时扰动影响的溶解氧浓度的问题，设计了自适应滑模控制器，实现了城市污水处理过程溶解氧浓度的稳定控制；

特别要注意：本发明只是为了描述方便，采用的是对溶解氧浓度的控制，同样该发明也可适用污水处理过程氨氮的控制等，只要采用了本发明的原理进行控制都应该属于本发明的范围。

附图说明

图1是本发明的控制结构图

图2是本发明的事件触发结果图

图3是本发明的溶解氧浓度控制结果图

图4是本发明的溶解氧浓度控制结果误差图

具体实施方式

1.一种基于事件触发辨识的溶解氧浓度自适应滑模控制方法，建立具有延迟扰动项的城市污水处理过程溶解氧浓度模型，构建基于事件触发的递归最小二乘模型参数辨识策略，设计自适应滑模控制器，实现城市污水处理过程溶解氧浓度的稳定控制；其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立具有延迟扰动项的城市污水处理过程溶解氧浓度模型

其中

(2)构建基于事件触发的递归最小二乘模型参数辨识策略，计算溶解氧浓度模型的未知参数

计算t时刻模型适配度ε(t)

其中||表示绝对值运算，x

若ε(t)>ε

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其中

其中P

其中I表示3×3的单位矩阵；当k＝K时

(3)设计基于事件触发辨识的自适应滑模控制器，稳定控制城市污水处理过程溶解氧浓度，具体为

①取t＝1，ε

②计算t时刻的控制误差e(t)

e(t)＝x(t)-x

其中x

③计算t时刻滑模面S(t)

其中e(t)表示t时刻的控制误差；

④计算t时刻模型适配度ε(t)

⑤判断ε(t)>ε

⑥计算t时刻第k个样本的估计参数矩阵

⑦判断k

⑧计算t时刻的自适应滑模控制律u(t)

其中sgn()表示符号函数，指出滑模面S(t)的正负号；n(t)表示t时刻自适应增益系数，计算如下

其中n(t-1)表示t-1时刻的自适应增益系数，

⑨判断t<200是否成立，若成立则令t的值增加1，并转到步骤②，若不成立则结束循环；

(4)基于事件触发辨识的溶解氧浓度自适应滑模控制系统的输入是氧传递系数u(t)，输出是城市污水处理过程生化反应池第五分区的溶解氧浓度x(t)，利用求解得到的氧传递系数u(t)控制城市污水处理过程生化反应池第五分区的溶解氧浓度x(t)。图2显示系统的触发情况，X轴：时间，单位是天，Y轴：事件触发情况；图3显示系统的溶解氧浓度值，X轴：时间，单位是天，Y轴：溶解氧浓度值，单位是毫克/升，实线为期望溶解氧浓度值，虚线是实际溶解氧浓度值；实际输出溶解氧浓度与期望溶解氧浓度的误差如图4，X轴：时间，单位是天，Y轴：溶解氧浓度误差值，单位是毫克/升；结果证明该方法的有效性。