[发明专利]一种基于二型模糊神经网络的污水处理过程协同控制方法

权利要求书

1.一种基于二型模糊神经网络的污水处理过程协同控制方法，针对污水处理过程中溶解氧DO浓度和硝态氮NO₃-N浓度进行控制，其中，以曝气量和内回流量为控制量，溶解氧DO浓度和硝态氮NO₃-N浓度为被控量；

其特征在于，包括以下步骤：

(1)设计用于溶解氧DO浓度和硝态氮NO₃-N浓度控制的二型模糊神经网络，二型模糊神经网络分为五层：输入层、隶属函数层、规则层、后件层、输出层；具体为：

①输入层：该层由4个输入神经元组成：

X(t)＝[x₁(t),x₂(t),x₃(t),x₄(t)]^T (1)

其中，X(t)表示二型模糊神经网络的输入向量，x₁(t)为t时刻溶解氧DO浓度设定值与实际测量值的误差，x₂(t)为t时刻溶解氧DO浓度设定值与实际测量值误差的变化率，x₃(t)为t时刻硝态氮NO₃-N浓度设定值与实际测量值的误差，x₄(t)为t时刻硝态氮NO₃-N浓度设定值与实际测量值误差的变化率，T为矩阵的转置；

②隶属函数层：该层有4×M个神经元，每个神经元代表一个二型隶属函数，表示如下：

其中，M为规则层神经元的总个数，1M≤20；m_ij(t)表示t时刻关于第i个输入和第j个规则层神经元的隶属函数层神经元的输出值下界，表示t时刻关于第i个输入和第j个规则层神经元的隶属函数层神经元的输出值上界，e为自然常数，e＝2.7183；c_ij(t)为t时刻关于第i个输入和第j个规则层神经元的隶属函数层神经元的中心值下界,为t时刻第i个输入和第j个规则层神经元的隶属函数层神经元的中心值上界，σ_ij(t)为t时刻关于第i个输入和第j个规则层神经元的隶属函数层神经元的宽度值；i表示二型模糊神经网络的输入个数，j表示二型模糊神经网络的规则层神经元的个数，i＝1，2，3，4；j＝1，2，…，M；

③规则层：该层有M个神经元，每个神经元的输出为：

其中，F_j(t)为t时刻第j个规则层神经元的激活强度，f_j(t)为t时刻第j个规则层神经元的激活强度下界，为t时刻第j个规则层神经元的激活强度上界，

④后件层：该层有4个神经元，每个神经元的输出为：

其中，y_k(t)为t时刻关于第k个输出层神经元的后件层神经元的输出下界，为t时刻关于第k个输出层神经元的后件层神经元的输出上界；为t时刻关于第j个规则层神经元与第k个输出层神经元的后件权值，为t时刻关于第i个输入、第j个规则层神经元和第k个输出神经元的权值系数，为t时刻关于第k个输出层神经元和第j个规则层神经元的权值偏置，k＝1，2；

⑤输出层：该层有2个神经元，每个输出神经元的输出为：

其中，Δu_k(t)为t时刻二型模糊神经网络的第k个输出值，q^k(t)为t时刻关于第k个输出层神经元的后件层神经元输出下界的比例值，0q^k(t)1；

(2)训练二型模糊神经网络，具体如下：

①将参数分为全局参数和局部参数；定义全局参数向量和局部参数向量为：

其中，Φ_g(t)为t时刻全局参数向量，Φ_l(t)为t时刻局部参数向量；定义目标函数为：

其中，l(t)为t时刻的综合误差，α(t)为t时刻的误差系数，l¹(t)为t时刻溶解氧DO浓度设定值与实际值的误差，l²(t)为t时刻硝态氮NO₃-N浓度设定值与实际值的误差，为t时刻溶解氧DO浓度的设定值，y¹(t)为t时刻溶解氧DO浓度的实际值，为t时刻硝态氮NO₃-N浓度的设定值，y²(t)为t时刻硝态氮NO₃-N浓度的实际值；

②利用综合误差和自适应二阶算法以协同优化二型模糊神经网络的全局参数和局部参数；定义参数更新公式为：

其中，Φ(t+1)为t+1时刻的参数向量，Φ(t)为t时刻的参数向量，I为单位矩阵，G_l(t)为t时刻的误差梯度向量，θ(t)为t时刻的自适应学习率，θ(t)∈(0,1]，J(t)为t时刻的雅克比向量，为t时刻综合误差关于全局参数的偏导数，为t时刻综合误差关于局部参数的偏导数，为t时刻综合误差关于不确定中心下界的偏导数，为t时刻综合误差关于不确定中心上界的偏导数，为t时刻综合误差关于宽度值的偏导数，为t时刻综合误差关于第k个输出的权值系数的偏导数，为t时刻综合误差关于第k个输出的权值偏置的偏导数，为t时刻综合误差关于第k个输出的比例值的偏导数；

(3)设计用于污水处理过程中溶解氧DO浓度和硝态氮NO₃-N浓度的协同控制方法，具体为：

①根据公式(7)计算二型模糊神经网络的输出；

②判断当前时刻综合误差的大小，如果l(t)0.01，转到步骤③；如果l(t)≤0.01，转到步骤④；

③根据公式(10)求解各个参数的更新值；

④计算当前时刻控制器的输出值u_k(t)

u_k(t)＝u_k(t-1)+Δu_k(t) (11)

其中，u_k(t)为t时刻控制器的第k个输出，u₁(t)为t时刻控制器的曝气量输出，u₂(t)为t时刻控制器的内回流量输出，u_k(t-1)为t-1时刻控制器的第k个输出；

⑤u_k(t)为当前时刻溶解氧DO浓度和硝态氮NO₃-N浓度协同控制器的实际输出；转到步骤①；

(4)利用求解出的t时刻控制器的输出值u₁(t)和u₂(t)对溶解氧DO浓度和硝态氮NO₃-N浓度进行控制，u₁(t)即t时刻曝气量的控制输入量，u₂(t)即t时刻内回流量的控制输入量，控制系统的输出为实际溶解氧DO浓度值和实际硝态氮NO₃-N浓度值。