[发明专利]一种污水处理过程自组织控制方法

权利要求书

1.一种污水处理过程自组织控制方法，其特征包括以下步骤：

(1)确定控制对象；针对序批式间歇活性污泥系统中溶解氧进行控制，以曝气量为控制量，溶解氧浓度DO为被控量；

(2)设计用于污水处理过程中溶解氧的控制系统，控制系统分为三部分：线性控制部分、鲁棒控制部分、神经网络控制部分；具体为：

①设定线性控制部分，线性控制器的输入为：

e_(t)=yd(t)-y(t);---(1)]]>

其中y_d是溶解氧浓度的期望输出，y是溶解氧浓度的实际输出；线性控制器的输出为：

udc(t)=he_(t);---(2)]]>

其中u_dc是线性控制器的输出，h是比例系数，h∈[5,25]；

②设定鲁棒控制部分，鲁棒控制器的输入与线性控制器的输入相同；鲁棒控制器的输出为：

usl(t)=γ2|h-1e_(t)|sgn(h-1e_(t));---(3)]]>

其中γ₂是鲁棒控制器设计系数，γ₂∈(0,0.5]，u_sl是鲁棒控制器的输出，sgn()是符号函数；

③设定神经网络控制部分，神经网络控制器的输入为x(t)=[y_d(t)，u_dc(t)+u_sl(t)]^T，T为公式的转置；神经网络控制器的输出为u_ad；

(3)设计用于污水处理过程中溶解氧自组织控制方法的RBF神经网络拓扑结构；网络分为三层：输入层、隐含层、输出层；输入为x(t)，输出为u_ad；

初始化RBF神经网络：确定神经网络2-K-1的连接方式，即输入层神经元为2个，隐含层神经元为K个，输出层神经元为1个；对神经网络的权值进行随机赋值；设第t时刻RBF神经网络输入为x(t)，神经网络的输出表示为u_ad(t)，RBF神经网络的计算功能是：

uad(t)=Σk=1kwk(t)θk(x(t));---(4)]]>

w_k(t)表示隐含层神经元和输出层的连接权值，k=1，2，…，K；θ_k是隐含层第k个神经元的输出，其计算公式为：

θk(x(t))=e(-||x(t)-μk(t)||/σk2(t));---(5)]]>

μ_k表示隐含层第k个神经元中心值，σ_k表示隐含层第k个神经元的中心宽度；

(4)自组织控制方法设计，具体为：

①给定一个RBF神经网络，隐含层神经元为较小自然数，K为小于10的正整数，输入为x(t)；

②计算隐含层神经元k的活跃度Af_k，

Afk=20×e-||x(t)-μk||θk(x(t))Σk=1Kθk(x(t));---(6)]]>

其中，k=1,2,…,K，Af_k是隐含层第k个神经元的活跃度，K是隐含层神经元数，θ_k是隐含层第k个神经元的输出；如活跃度Af_k小于活跃度阀值Af_o∈[0.01,0.2]，网络结构不需要调整；如活跃度Af_k大于活跃度阀值Af_o∈[0.01,0.2]，分裂神经元k，调整网络结构，并且更新隐含层神经元数K’=K+1；

③计算隐含层神经元X与输出层神经元Y间的连接强度，假设X和Y是相互连接的神经元，交互信息的强度M(X;Y)依赖于神经元X和Y间的平均信息量，神经元X和Y间的连接强度定义为：

M(X;Y)=H(X)-H(X|Y)=H(X)-H(Y|X)；                      (7)

其中，H(X)为X的香农熵，H(Y|X)为Y在X条件下的熵；由公式(7)可知，当神经元X和Y相互独立时，M(X;Y)的值为0；否则，M(X;Y)为正数；所以，M(X;Y)≥0，并且

M(X;Y)≤min(H(X),H(Y))；                      (8)

规则化交互信息的强度

m(X;Y)=M(X;Y)min(H(X),H(Y));---(9)]]>

其中0≤m(X;Y)≤1，通过公式(9)可以计算隐含层神经元X与输出层神经元Y间的连接强度；设定连接强度阀值m₀∈[0,0.1]，在RBF神经网络中，当m(X;Y)大于连接强度阀值m₀时则说明神经元X和Y间的信息交互较强，认为X和Y间有连接，网络结构不需要调整；当m(X;Y)小于连接强度阀值m₀时则表明神经元X和Y间的信息交互强度较弱，在网络结构调整时可忽略神经元X和Y间的连接，从而断开神经元X和Y间的连接，并且更新隐含层神经元数K’’=K’-1；

④调整神经网络的隐含层神经元与输出层之间的连接权值W(t)：

W•(t)=γ1e_(t)θ(x(t));---(10)]]>

其中，

θ(x(t))=[θ₁(x(t)),θ₂(x(t)),...,θ_K''(x(t))]^T；

W=[w₁,w₂,...,w_K'']^T；                      (11)

γ₁∈(0,0.1]表示神经网络学习率；

⑤根据公式(4)，u_ad(t)为神经网络t时刻的实际输出；

(5)用自组织控制方法实现污水处理过程中溶解氧的控制，控制系统的总输出为：

u=1υ(udc-uad+usl);---(15)]]>

其中υ是系统设计系数，υ[5∈,15]；控制系统的总输出u即为变频器的输入，变频器通过调节电动机的转速达到控制鼓风机的目的，最终控制曝气量，整个控制系统的输出为实际DO浓度值。