CN108536106A - 一种基于卡尔曼滤波-极限学习机的曝气***溶解氧在线调控方法 - Google Patents
一种基于卡尔曼滤波-极限学习机的曝气***溶解氧在线调控方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开发明一种基于卡尔曼滤波‑极限学***滑以及标准化处理;因素分析单元,用于经过预处理后的相关因素利用灰色关联分析法与曝气***的DO做关联性分析,找到主要影响因素;初步预测单元,用于灰色关联分析方法得到的主要因素作为极限学习机模型的输入,对曝气***各时刻溶解氧(DO)进行预测;优化单元,用于对极限学习机模型得到的DO预测值,利用卡尔曼滤波算法进一步更新与优化。本发明通过因素分析及预测曝气***DO浓度值,并进行在线调控方法,可以提高污水处理厂出水水质,降低耗能***。
Description
技术领域
本发明涉及一种污水处理***中曝气池溶解氧值的在线调控,具体地说是基于卡尔曼滤波-极限学习机的曝气池溶解氧值在线监控方法。
背景技术
目前,世界各国普遍采用的污水处理方法为活性污泥法,该方法具有处理效率高,抗干扰能力强的特点,是一种二级污水处理方法,可以在很多污水处理厂使用,距今已有近百年的历史。而溶解氧含量是污水处理过程中一个非常重要的指标参数,过高和过低都会导致污泥生存环境的恶化,溶解氧浓度过高则会影响磷的吸收,有机物得到破坏,溶解氧浓度过低会引起水质的恶化。污水处理***运行状态是否良好都可以通过它快速直观的反应,并能进行及时预警和处理。实现对溶解氧的准确预测和优化控制,是活性污泥法进行污水处理至关重要的一步,也是亟待解决的问题。
活性污泥法污水处理***是一个多输入多输出动态***,同时也是一个复杂的生化反应过程,污水处理中曝气池溶解氧的软测量方法研究具有高度非线性、不确定、滞后大和耦合强等特点,易受到外界流入组分的影响,目前大多数工业过程控制采用常规PID等传统控制方法进行溶解氧浓度的控制,并没有达到理想的预测与控制效果。考虑到软测量方法和智能优化算所具有的优势,逐渐成为众多学者们的用于分析研究的焦点,目前已将其应用于污水处理的问题中。这主要取决于它的泛化性能好、计算难度低、学习熟读快,具有普遍的适应能力。本发明结合卡尔曼滤波-极限学习机对污水处理***中曝气池溶解氧进行预测,可提高测量的精度,为污水处理厂提高出水水质,降低耗能***,为污水处理闭环控制的实现奠定了基础。
发明内容
本发明利用污水处理***所提供的曝气池溶解氧相关因素数据,建立一种预测溶解氧值,并进行在线调控方法,以提高污水处理厂出水水质,降低耗能***。
本发明利用污水处理***所提供的曝气池溶解氧相关因素数据,对该数据进行数据预处理后输入极限学习机进行学习,并得出预测结果,再将极限学习得到的预测结果作为卡尔曼滤波方程进行进一步优化,得到新的最优估计值,重复步骤,直至得到所有时刻的DO最优预测值。其特征在于如下步骤:
(1)数据预处理单元,对污水处理厂收集到的与曝气池DO值相关的长期监测数据,包括进水COD和BOD以及曝气反应池内T、pH、SVI、SV30、MLSS、SS和DO,进行降噪、剔除异常值、平滑以及标准化处理;
(2)因素分析单元,用于预处理后的数据利用灰色关联分析方法与曝气***DO值做关联分析,得到对应的关联度;
(3)极限学习机预测单元,用于与DO值经过关联度分析后得到关联度大于0.7的主要影响因素输入到极限学习机进行学习,并输出预测结果;
(4)利用极限学习机得到的DO预测值作为卡尔曼滤波公式的观察值,并通过该算法得到DO最优估计值,重复此步骤直至对所有时刻的最优DO预测值。
研究通过对污水处理曝气反应池DO的影响因素分析,建立了基于卡尔曼滤波-极限学习机模型,可有效进行DO值的预测以及预测值的优化,优化后的预测结果降低了随机性造成的波动,得到更为准确DO值的预测结果,及时对DO值进行在线调控,提高污水处理厂出水水质,降低耗能***。
附图说明
图1为本发明的***流程图;
图2为本发明的增量型极限学习网络结构示意图;
图3为本发明的实施示意框图。
具体实施方式
本发明能在线调控曝气***DO浓度值,有利于提高污水处理厂出水水质,降低耗能***。
结合图1-3对本发明的方法步骤做详细说明。
(1)数据预处理
利用污水处理厂提供的与曝气池DO值相关的因素数据,包括进水COD和BOD以及曝气反应池内T、pH值、SVI、SV30、MLSS、SS和DO长期监测数据,进行降噪、剔除异常值、平滑以及标准化处理。
(2)因素分析
对经过预处理后的相关因素数据与曝气***的DO值运用灰色关联分析方法,做关联度分析,根据
(其中ξ=0.5),
当γ>0.7时,将作为主要因素,作为极限学习机模型的输入。
(3)极限学习机进行DO值的初步预测
将灰色关联分析方法得到关联度γ>0.7的主要因素作为极限学习机的输入,本发明选择增量型极限学习机并进行学习训练,过程如下:
1)一个线性输出节点的单隐层前向神经网络有L个隐层节点,其数学模型可以表示为:
其中gi(x)表示第i个隐层节点的输出,βi表示第i个隐含层节点与输出节点的输出权重,ai是连接输入层与第i个隐层节点之间的输入权值,bi是第i个隐层节点的阈值。
2)设最大隐层节点个数为M,隐层节点个数L从1开始增加当L<M且误差大于期望误差时:L=L+1;
3)随机获取当前隐层神经元的权值a和阈值b;
4)计算当前神经元激励函数g(x)的输入x;
A加法隐含层神经元:将b扩展成一个1×U的矩阵b,然后计算x=aX+b,其中X为n×U的矩阵。
B径向基隐层神经元:将a扩展成一个U×n的矩阵,然后计算
x=b·||XT-a||。
5)计算当前隐层输出;
6)然后计算该隐层神经元的输出权值;
重复上述步骤,直到误差小于期望误差停止学习,若误差一直大于期望误差,则当L>M时停止学习,这是由于输入权值a和阈值b随机造成,这时将重新开始学习。
7)利用建立好的极限学习机模型得到t+1,t+2.......t+n时刻的DO预测值Y(t+1),Y(t+2)......Y(t+n)。
(4)对卡尔曼滤波算法对预测值进行进一步优化
卡尔曼滤波算法运算过程主要分为两步,预测和更新。
1)预测,根据t时刻的DO的状态值预测t+1时刻的状态量,过程如下:状态预测方程:
X(t+1)=A(t+1,t)X(t)+B(t+1,t)ω(t),
预测误差协方差方程:
P(t+1,t)=A(t+1,t)P(t,t)AT(t+1,t)+B(t+1,t)Q(t)BT(t+1,t),
式中,X(t+1)是t+1时刻的状态预测值,X(t)是t时刻的状态值,A(t+1,t);B(t+1,t)为***参数,ω(t)为***噪声,P误差协方差矩阵;
2)更新:利用极限学习机t+1时刻的预测值Y(t+1),为观测值建立更新后的状态分析值及其相应的误差分析方程。
最优状态分析方程:
Z(t+1)=X(t+1)+K(t+1)[Y(t+1)-H(t+1)X(t+1)],
最优增益矩阵方程:
K(t+1)=[H(t+1)P(t+1,t)]T{H(t+1)[H(t+1)P(t+1,t)]T+R(t+1)}-1,
更新误差协方差方程:
P(t+1,t+1)=[1-H(t+1)K(t+1)]TP(t+1,t),
式中,Z(t+1)是t+1时刻的状态估计值,K(t+1)是t+1时刻的增益矩阵,H(t+1)是t+1时刻的观测算子,表示观测值和状态值之间的函数关系,得到t+1时刻的分析值和误差协方差矩阵,作为下一时刻预测方程计算的基础;
3)重复上述步骤1)和2),更新所有时刻的预测值,得到各时刻的最优状态估计值,并实现对曝气***的DO浓度的在线调控。
最后应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对本发明保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (7)
1.一种基于卡尔曼滤波-极限学习机的曝气***溶解氧在线调控方法,其特征在于,该方法包括:
(1)对污水处理厂长期监测的数据,进行数据预处理——降噪、剔除异常值、平滑以及标准化处理;
(2)利用灰色关联分析方法将经过预处理后的相关因素数据与曝气***的DO值做关联性分析,找到主要影响因素;
(3)将灰色关联分析方法找到的主要影响因素作为极限学习机的输入,预测曝气***的各时刻的DO值;
(4)将极限学习机模型得到的DO预测值通过卡尔曼滤波方程进行优化,得到各时刻的最优估计值,进行相应的在线调控。
2.根据权利要求1所述的曝气***溶解氧在线调控方法,其特征在于:
所述污水处理得到的相关因素还包括:进水化学需氧量(COD)和生化需氧量(BOD)以及曝气反应池内温度(T)、pH值、污泥指数(SVI)、30min沉降比(SV30)、污泥浓度(MLSS)、固体悬浮物(SS)和溶解氧(DO)长期监测数据,进行降噪、剔除异常值、平滑以及标准化处理。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述预处理后的相关因素数据利用灰色关联分析法与曝气***的DO值作关联度分析,当关联度γ>0.7时,将作为主要因素,作为极限学习机模型的输入。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,将灰色关联分析方法得到的关联度γ>0.7的主要因素作为极限学习机的输入,得到曝气***的各时刻的DO预测值。本发明采用增量型极限学习机,学习过程如下:
1)设最大隐层节点个数为M,隐层节点个数L从1开始增加,当L<M且误差大于期望误差时:L=L+1;
2)随机获取当前隐层神经元的权值和阈值;
3)计算当前神经元激励函数的输x;
4)计算当前隐层输出;
5)然后计算该隐层神经元的输出权值。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的将DO的预测值作为卡尔曼滤波方程对的观测值,并通过卡尔曼滤波方程得到各时刻的最优估计值,其卡尔曼滤波方程包括两个步骤:
1)预测;
2)更新。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,预测过程,根据当前t时刻DO状态分析值预测t+1时刻的状态值,包括:
A,状态预测;
B,估计协方差预测。
7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,更新过程,再加上t+1时刻观测值(极限学习机的预测值),对其进行进一步优化,包括
A,状态估计更新;
B,状态协方差更新。
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