CN111580381B - 一种动态事件驱动控制策略的溶解氧控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种动态事件驱动控制策略的溶解氧控制方法，针对城市污水处理过程中溶解氧难以有效控制并且实时控制消耗传输资源等问题，结合事件驱动机制和自适应PID控制，实现污水处理过程的有效控制；本发明包括事件驱动部分和PID参数自适应调整两部分。本方法利用误差的变化值设计事件触发机制，建立相应的事件驱动规则，并根据期望的性能指标实现PID参数的整定，从而克服时间驱动机制下控制量的连续性传输。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，尤其涉及一种动态事件驱动控制策略的溶解氧控制方法，针对城市污水处理过程中溶解氧难以有效控制并且实时控制消耗传输资源等问题，结合事件驱动机制和自适应PID控制，实现污水处理过程的有效控制。
背景技术
污水处理是环保领域的一个重要研究方向，污水能否有效的处理不仅影响着居民日常的生活，更关系着地球的水质安全。然而我国污水处理厂的运行情况不容乐观，存在着电能消耗大、成本居高不下等不利情况。为了提高污水处理厂的经济效益，使用更加先进的智能控制方法对传统的控制方法进行改进成为了相关研究人员努力的方向。溶解氧浓度是衡量污水水质的重要指标，提高溶解氧浓度的控制精度以及控制系统的稳定性能够节能降耗、减小污水处理的成本。因此，本研究具有广阔的应用前景。
事件触发机制是对时间驱动机制的一种改进，相比于时间采样控制系统，事件触发采用非周期的控制方式。该机制通过系统状态或误差等变量来设置事件触发规则，仅在事件触发时对数据进行传输。通过动态的事件触发控制，在保证控制精度在一定范围内的同时可以减少不必要的控制传输行为，减轻传输系统的压力，提高系统的整体性能。
传统的PID控制方法虽然简单有效，但有着繁琐的参数调节过程。相比之下，在引入梯度下降算法后，动态事件驱动的自适应PID控制方法既可以弥补PID繁琐的参数调节过程，又能够在事件触发时进行动态的数据交互，弥补了PID固有的缺点，使系统拥有更加优秀的资源配置情况。
发明内容
基于动态事件驱动的自适应PID控制方法，主要包括事件驱动部分和PID参数自适应调整两部分。本方法利用误差的变化值设计事件触发机制，建立相应的事件驱动规则，并根据期望的性能指标实现PID参数的整定，从而克服时间驱动机制下控制量的连续性传输。
本发明采用了如下的基于动态事件驱动的城市污水处理PID控制方法，主要包括以下步骤：
1.自适应PID控制器
将t时刻的溶解氧浓度与期望的溶解氧浓度作差，得到溶解氧浓度的跟踪误差为：
e(t)＝rin(t)-yout(t) (1)
其中，rin(t)表示t时刻期望的溶解氧浓度，yout(t)为t时刻溶解氧浓度的实际测量值，e(t)为t时刻溶解氧浓度的跟踪误差。
基于跟踪误差，增量式PID在t时刻的曝气量增量Δu(t)为：
Δu(t)＝Kie(t)+Kp(e(t)-e(t-1))+Kd(e(t)-2e(t-1)+e(t-2)) (2)
其中，e(t)、e(t-1)、e(t-2)分别为在t、t-1、t-2时刻的溶解氧浓度的跟踪值。因此，t时刻的曝气量u(t)定义为：
u(t)＝u(t-1)+Δu(t) (3)
其中，u(t-1)为t-1时刻的曝气量。
2.控制增益Kp、Ki、Kd的调整
采用梯度下降法对控制增益进行逐步调整，具体调整步骤如下：
上式(4)中Kp,o与Kp,n分别表示旧的和新的比例控制增益；上式(5)中Ki,o和Ki,n分别表示旧的和新的积分控制增益；上式(6)中Kd,o和Kd,n分别表示旧的和新的微分控制增益。参数η表示学习率，J(t)表示系统的代价函数，定义为：
E(t)表示控制误差，定义为：
其中，uact(t)和uexp(t)分别表示实际的曝气量和期望的曝气量。
3.动态事件驱动机制
在系统的事件驱动时刻tk+1传输PID控制系统的增量输出Δu(tk+1)，该时刻定义为：
tk+1＝inf{t>tk|δ(t)+θl(t)≤0} (9)
其中θ>0，δ(t)为内部动态变量，且：
δ(t+1)＝ρδ(t)+l(t) (10)
其中0<ρ<1且l(t)为事件驱动检测函数，定义为：
l(t)＝((1+λ)e(t)-e(t-1))2-(σ+1)((1+λ)e(t-1)-e(t-2))2 (11)
其中0<σ<1，λ>-1。
本发明的创造性主要体现在：本发明设计了一种动态事件驱动的PID控制策略并将其应用到城市污水处理过程中溶解氧的控制之上，该方法能够根据设计的事件选择性的进行控制量的传输，降低了信号传输所造成的资源消耗，同时还能实现PID参数的自动更新。以上所设计的动态事件驱动机制及在本机制下的PID参数更新属于本发明的保护范围。
附图说明
图1：基于动态事件驱动的PID控制方法的系统框图；
图2：对溶解氧浓度进行跟踪控制；
图3：溶解氧浓度的跟踪误差；
图4：系统运行部分时间段内(0-21小时)的事件触发情况。
具体实施方式
污水处理工艺中主要包括生化反应池与二次沉淀池两个部分，其中，生化反应池包括五个组分：第一分区与第二分区为厌氧区，主要进行反硝化反应；第三分区至第五分区为好氧区，主要进行硝化反应。本系统采取的控制策略是：通过控制第五分区的曝气量对第二分区的溶解氧浓度进行跟踪控制。
事件触发机制有3个输入，分别为在t、t-1、t-2这三个时刻下溶解氧浓度的跟踪误差e(t)、e(t-1)、e(t-2)。PID控制器有6个输入，分别为控制增益Kp、Ki、Kd以及在t、t-1、t-2这三个时刻下溶解氧浓度的跟踪误差e(t)、e(t-1)、e(t-2)。基于动态事件驱动的PID控制方法的系统框图如图1所示，控制系统的具体实施方法如下：
(1)在t时刻时，采集污水处理流程中第二分区的溶解氧浓度yout(t)，定义期望的溶解氧浓度值rin(t)为2毫克/升，利用式(1)计算跟踪误差。并将在t、t-1、t-2时刻下溶解氧浓度的跟踪误差e(t)、e(t-1)、e(t-2)输入到事件触发机制中。其中，在0≤t<1时：e(t-1)＝0、e(t-2)＝0，在1≤t<2时：e(t-2)＝0。
(2)若事件触发机制的输入满足式(9)，将在t、t-1、t-2这三个时刻下的溶解氧浓度的跟踪误差e(t)、e(t-1)、e(t-2)输入到PID控制器中，使用式(2)与式(3)计算PID控制器的增量输出，传输曝气增量Δu(t)给污水处理过程。之后，以式(7)所定义的代价函数为依据，设置学习率η＝0.3、uexp(t)＝0，使用式(4)、式(5)与式(6)对PID的控制参数Kp、Ki、Kd进行自适应更新。
(3)若事件触发机制的输入不满足式(9)，继续使用上一时刻的曝气值Δu(t-1)。
在动态事件驱动的PID控制系统下，溶解氧浓度逐渐稳定在设定值2毫克/升上下，见图2。且系统有较小的跟踪误差，控制误差大致处于±0.03之间，见图3。与传统的PID控制器相比，控制误差有所降低。图4为系统运行0-21小时内的事件触发情况，其中，数字1代表在对应的横坐标所示的时间点触发事件。在与传统PID控制系统的控制结果对比后发现，数据的传输次数下降了大约38.4％，大大减轻了传输系统的压力，降低了不必要的信号传输所造成的资源消耗。
Claims (3)
1.一种动态事件驱动控制策略的溶解氧控制方法，其特征在于，污水处理工艺包括生化反应池与二次沉淀池两个部分，其中，生化反应池包括五个组分：第一分区与第二分区为厌氧区，用于进行反硝化反应；第三分区至第五分区为好氧区，用于进行硝化反应，本溶解氧控制方法的控制策略为：通过控制第五分区的曝气量对第二分区的溶解氧浓度进行跟踪控制；其中，
事件触发机制有3个输入，分别为在t、t-1、t-2这三个时刻下溶解氧浓度的跟踪误差e(t)、e(t-1)、e(t-2)，PID控制器有6个输入，分别为控制增益Kp、Ki、Kd以及在t、t-1、t-2这三个时刻下溶解氧浓度的跟踪误差e(t)、e(t-1)、e(t-2)，基于动态事件驱动的PID控制的具体过程如下：
步骤1、在t时刻时，采集污水处理流程中第二分区的溶解氧浓度yout(t)，计算跟踪误差，并将在t、t-1、t-2时刻下溶解氧浓度的跟踪误差e(t)、e(t-1)、e(t-2)输入到事件触发机制中；
步骤2、若事件触发机制的输入满足式(9)，将在t、t-1、t-2这三个时刻下的溶解氧浓度的跟踪误差e(t)、e(t-1)、e(t-2)输入到PID控制器中，计算PID控制器的增量输出，传输曝气增量Δu(t)给污水处理过程；之后，以式(7)所定义的代价函数为依据，设置学习率η＝0.3、uexp(t)＝0，使用式(4)、式(5)与式(6)对PID的控制参数Kp、Ki、Kd进行自适应更新；
其中，在系统的事件驱动时刻tk+1传输PID控制系统的增量输出Δu(tk+1)，该时刻定义为：
tk+1＝inf{t>tk|δ(t)+θl(t)≤0} (9)
其中，θ>0，δ(t)为内部动态变量，且：
δ(t+1)＝ρδ(t)+l(t) (10)
其中，0<ρ<1且l(t)为事件驱动检测函数，定义为：
l(t)＝((1+λ)e(t)-e(t-1))2-(σ+1)((1+λ)e(t-1)-e(t-2))2 (11)
其中，0<σ<1，λ>-1；
控制增益Kp、Ki、Kd的调整，具体调整步骤如下：
其中，上式(4)中Kp,o与Kp,n分别表示旧的和新的比例控制增益；上式(5)中Ki,o和Ki,n分别表示旧的和新的积分控制增益；上式(6)中Kd,o和Kd,n分别表示旧的和新的微分控制增益，参数η表示学习率，J(t)表示系统的代价函数，定义为：
E(t)表示控制误差，定义为：
其中，和uexp(t)分别表示实际的曝气量和期望的曝气量；
步骤3、若事件触发机制的输入不满足式(9)，继续使用上一时刻的曝气增量Δu(t-1)传输给污水处理过程。
2.如权利要求1所述的动态事件驱动控制策略的溶解氧控制方法，其特征在于，步骤1中，计算跟踪误差具体过程为：将t时刻的溶解氧浓度与期望的溶解氧浓度作差，得到溶解氧浓度的跟踪误差为：
e(t)＝rin(t)-yout(t) (1)
其中，rin(t)表示t时刻期望的溶解氧浓度，yout(t)为t时刻溶解氧浓度的实际测量值，e(t)为t时刻溶解氧浓度的跟踪误差。
3.如权利要求2所述的动态事件驱动控制策略的溶解氧控制方法，其特征在于，步骤2中，计算PID控制器的增量输具体过程为：
基于跟踪误差，增量式PID在t时刻的曝气量增量Δu(t)为：
Δu(t)＝Kie(t)+Kp(e(t)-e(t-1))+Kd(e(t)-2e(t-1)+e(t-2)) (2)
其中，e(t)、e(t-1)、e(t-2)分别为在t、t-1、t-2时刻的溶解氧浓度的跟踪误差值，因此，t时刻的曝气量u(t)定义为：
u(t)＝u(t-1)+Δu(t) (3)
其中，u(t-1)为t-1时刻的曝气量。
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