基於混沌優化的支持向量機預測汙水處理節能控制系統的製作方法
2023-08-12 20:28:26 1
專利名稱：基於混沌優化的支持向量機預測汙水處理節能控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及採用活性汙泥法的城市汙水處理和工業廢水處理領域，具體涉及基於
混沌優化的支持向量機預測汙水處理節能控制系統。
背景技術：
在節能減排大的背景下，"十一五"期間單位國內生產總值能耗降低20%左右，主 要汙染物排放總量減少10%，全國設市城市汙水處理率不低於70%，城市汙水處理行業面 臨前所未有的發展機遇。當前我國已經進入汙水處理廠建設的高峰期，汙水處理廠生產過 程的節能降耗和運營管理已經成為業內的熱點話題。但是，當前汙水處理廠的運營現狀卻 不容樂觀，主要存在以下幾個方面的問題 —、汙水處理廠運營績效不高，負荷率低，全國汙水處理廠的平均負荷率為 63. 74(2008年數據)，有機物去除率低，出水水質波動較大； 二、運營集成化管理程度較低，管理人員素質水平普遍不高，無法充分發揮現有設 備的能力； 三、單位運營成本與能耗較高，先進的智能技術、工藝技術等沒有應用到生產過程 中。
發明內容
針對上述汙水處理過程所存在的問題，本發明的目的是提供一種適用於活性汙泥 工藝的基於混沌優化的支持向量機預測汙水處理節能控制系統，通過嵌入在該優化控制軟 件內的智能控制方法，實現汙水處理的優化運行、精確控制，並提供具有專家經驗的全廠調 度與管理策略，為不同層面的運行管理者提供了優質的決策支持信息，為輔助分析決策奠 定良好的基礎，為汙水處理企業規範化管理、節能降耗、減員增效和精細化管理提供強大的 技術支持。 本發明的目的是採用這樣的技術方案來實現的基於混沌優化的支持向量機預測 汙水處理節能控制系統，其特徵在於包括用於實現管理與控制一體化的計算機網絡系統、 活性汙泥汙水處理系統模型模塊、生產過程控制模塊、生產管理調度模塊，所述生產管理調 度模塊、生產過程控制模塊、活性汙泥汙水處理系統模型模塊通過計算機網絡系統依次連 接。 所述生產過程控制模塊為基於最小二乘支持向量機的生產過程控制模塊。 所述生產過程控制模塊為基於混沌優化的多目標最小二乘支持向量機非線性預
測生產過程控制模塊。 所述生產管理調度模塊為基於免疫優化算法的生產管理調度模塊。 所述計算機網絡系統由用於控制生產管理調度模塊的製造執行系統、用於控制生
產過程控制模塊的過程控制系統及用於控制活性汙泥汙水處理系統模型模塊的現場控制
系統構成。
所述活性汙泥汙水處理系統模型模塊包括系統黑箱模型和活性汙泥處理模型。
與現有技術相比，本發明具有如下有益效果及優點本發明用於汙水處理廠運行 時，不僅可以使汙水處理廠的能耗降低15% _25%，還可以將汙水處理廠的處理效果在原 設計的基礎上提高一個等級，潛力巨大。
圖1是計算機網絡系統的三級網絡結構圖； 圖2是生產管理調度模塊的結構圖； 圖3是生產過程控制模塊的結構圖； 圖4是混沌優化的LS-SVM非線性預測控制器結構圖。
具體實施例方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限 於此。 實施例 本發明包括用於實現管理與控制一體化的計算機網絡系統、活性汙泥汙水處理系 統模型模塊、基於最小二乘支持向量機(LS-SVM)的生產過程控制模塊、基於免疫優化算法 的生產管理調度模塊；其中計算機網絡系統採用三級網絡平臺的結構，劃分成生產管理層、 過程控制層和現場控制層，由用於控制生產管理調度模塊的製造執行系統(MES)、用於控制 生產過程控制模塊的過程控制系統(PCS)及用於控制活性汙泥汙水處理系統模型模塊的 現場控制系統構成，如圖1所示。 如圖2所示，所述的生產管理調度模塊下面設有分別與其連接的人事管理系統、 生產調度系統、能源管理系統、化驗信息管理系統、質量控制與管理系統、生產績效輔助分 析系統連接，將這六個系統的管理調度信息通過製造執行系統傳輸到生產過程控制模塊。 生產管理調度模塊是通過自學習方式對知識庫進行更新，指導以後的優化調度策略，優化 調度策略中引入基於專家知識的免疫優化算法，對汙水廠全廠的生產調度和運行中產生的 問題進行管理和控制，實現對汙水生產過程的科學管理。 如圖3所示，所述的生產過程控制模塊下面設有分別與其連接的汙水處理過程模 擬器、曝氣優化控制系統、過程監控系統、多媒體監視系統。生產過程控制模塊針對汙水處 理過程節能降耗問題以及汙水處理過程的高度非線性、強耦合、不確定性等特點，提出了汙 水處理過程的基於混沌優化的多目標LS-SVM非線性預測控制方法，該方法首先利用汙水 廠歷史數據建立汙水過程的多模型LS-SVM預測模型，並構建了包含出水水質區間控制和 經濟性能指標的多目標優化結構的預測控制策略。與設定值預測控制方法相比，多目標優 化多變量解耦預測控制策略在保證出水水質的前提下，能有效地節約能耗費用。
如圖4所示，生產過程控制模塊基於混沌優化的多目標最小二乘支持向量機，進 行非線性預測時，其控制原理為LS-SVM非線性預測控制器首先以LS-SVM為預測模型，混 沌優化算法作為滾動優化策略，避免了非線性預測控制中各種複雜的梯度和矩陣求逆問 題；同時將LS-SVM的參數選取看作參數的組合優化，對組合優化問題建立目標函數，採用 一種變尺度混沌優化算法來搜索最優的目標函數值，從而找到合適的參數取值。其中混沌優化算法是一種全局搜索方法，用於選取LS-SVM參數時，無需考慮LS-SVM模型的複雜度和 變量維數，可以作為一種普遍的選取參數方法。本發明利用預測誤差對模型進行校正以提 高控制器的魯棒性。非線性系統的離散時間模型可以描述為
x(&) = /(x(A:-l),…,x(A: — w)， !/(A: — c/)廣 ， 一 d — m))
(1)其中:n和m分別為輸出y (k)和控制u(k)的階次，d是非線性系統的時滯，f ( )
是未知非線性函數，(1)式表達的被控對象在k+l時刻的輸出預測值為
+1) = /(x(A:),…,x(卜w +1),
u(U + l),…，w(U —m +
5^ + 1) = /^(& + 1)) (2) 同時利用(2)式可以得到d步超前預測
乖+力=/(乖+ c -l),…，3f(A: — w + ti0, W(A:),…,W(& —附))
貝A; += /z問A: + (/)) (3 ) 對於(3)式中k+l時刻以前的都是已知的實際值。取優化性能指標為二次性能加 權指標，預測控制器是通過在k時刻對下面的性能指標進行優化以獲得控制作用
min y||Aw(A: + j'-1〕
△ ),"，Aw(*+M-l) 11 乂=1
(4)
其中A為最小預測時域，N2為最大預測時域，M為控制時域，S和R為加權矩陣， …，Au(k+M-1)為優化變量。在k時刻對該性能指標進行優化以獲得控制作用序 ，Au(k+M-1)，取Au(k)作用於系統，在k時刻以後重複上述過程進行滾動
A u (k)， 列Au(k)， 優化。 所述的活性汙泥汙水處理系統模型模塊包括系統黑箱模型和活性汙泥處理模型， 採用混合建模方法解決汙水處理過程的非線性、多變量、大滯後、非平穩、時變的問題，利用 汙水廠的歷史數據(化學需氧量(COD)、氨氮濃度(NH3-N) 、 TP(總磷含量)、TN(總氮含 量)、溶解氧(DO)、水溶液氧化還原能力(ORP))得到系統黑箱模型；並結合國際水協推出的 ASM2d活性汙泥處理模型，建立起汙水生化過程的動態仿真模型，描述系統動態連續特性和 離散特性。 本發明利用汙水廠的歷史數據，用最小二乘支持向量機並結合機理數學模型建立 其系統的仿真模型，包括活性汙泥模型和二沉池模型。當汙水入口水質和水量依季節、氣 候、毒素事件不同而發生變化時候，基於混沌優化的多目標LS-SVM非線性預測控制器就會根據當前的進水量、進水COD、進水氨氮濃度、汙泥濃度、DO、曝氣量、水流速等變量，利用所 建立的汙水過程多模型LS-SVM預測模型，將該經濟性能指標融入廣義預測控制的目標函 數中，得到一個雙層多目標優化策略，其中上層對出水水質進行區間控制，得到的輸出作為 約束加入到下層的考慮經濟性能指標的預測控制中，最後使用混沌優化方法計算出輸入變 量的最優序列。結果表明，考慮了經濟性能指標的預測控制在經濟成本上較為節約，並能達 到水質標準，從而達到在滿足出水水質要求的前提下儘量減小能耗的目的。與設定值預測 控制方法相比，多目標優化多變量解耦預測控制策略在保證出水水質的前提下，能有效地 節約能耗費用。同時專家管理系統運用免疫優化算法，對全廠的生產調度和運行中產生的 問題進行優化管理和控制，包括對關鍵工藝參數的調度、水處理工藝的故障診斷和決策支 持的系統、以及解決汙水處理生產過程中，需要保持物流連續運作，上下工序緊密銜接，作 業計劃和調度存在流量負荷平衡和時間平衡問題。汙水生產作業計劃和生產調度實現各工 序的計劃管理，使其負荷均衡，藥劑成本、能耗和其他各種損耗降低，從而降低生產成本。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的 限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
基於混沌優化的支持向量機預測汙水處理節能控制系統，其特徵在於包括用於實現管理與控制一體化的計算機網絡系統、活性汙泥汙水處理系統模型模塊、生產過程控制模塊、生產管理調度模塊，所述生產管理調度模塊、生產過程控制模塊、活性汙泥汙水處理系統模型模塊通過計算機網絡系統依次連接。
2. 根據權利要求1所述的基於混沌優化的支持向量機預測汙水處理節能控制系統，其 特徵在於所述生產過程控制模塊為基於最小二乘支持向量機的生產過程控制模塊。
3. 根據權利要求2所述的基於混沌優化的支持向量機預測汙水處理節能控制系統，其 特徵在於所述生產過程控制模塊為基於混沌優化的多目標最小二乘支持向量機非線性預 測生產過程控制模塊。
4. 根據權利要求1所述的基於混沌優化的支持向量機預測汙水處理節能控制系統，其 特徵在於所述生產管理調度模塊為基於免疫優化算法的生產管理調度模塊。
5. 根據權利要求1所述的基於混沌優化的支持向量機預測汙水處理節能控制系統，其 特徵在於所述計算機網絡系統由用於控制生產管理調度模塊的製造執行系統、用於控制 生產過程控制模塊的過程控制系統及用於控制活性汙泥汙水處理系統模型模塊的現場控 制系統構成。
6. 根據權利要求1所述的基於混沌優化的支持向量機預測汙水處理節能控制系統，其 特徵在於所述活性汙泥汙水處理系統模型模塊包括系統黑箱模型和活性汙泥處理模型。
全文摘要
本發明提供了基於混沌優化的支持向量機預測汙水處理節能控制系統，包括用於實現管理與控制一體化的計算機網絡系統、活性汙泥汙水處理系統模型模塊、生產過程控制模塊、生產管理調度模塊，所述生產管理調度模塊、生產過程控制模塊、活性汙泥汙水處理系統模型模塊通過計算機網絡系統依次連接。本發明用於汙水處理廠運行時，不僅可以使汙水處理廠的能耗降低15％-25％，還可以將汙水處理廠的處理效果在原設計的基礎上提高一個等級，潛力巨大。
文檔編號G05B13/02GK101694586SQ20091019320
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月20日 優先權日2009年10月20日
發明者劉寶建, 葉洪濤, 李致賢, 梁斌, 潘南全, 羅剛, 羅飛, 肖國強, 許玉格 申請人:華南理工大學;