一种城市污水处理过程自适应评估多目标优化控制方法

摘要

一种城市污水处理过程自适应评估多目标优化控制方法属于城市污水处理领域。为了满足城市污水处理过程优化运行，本发明建立基于径向基核函数的城市污水处理过程优化控制目标模型，获取硝态氮浓度SNO、溶解氧浓度SO与能耗、出水水质的关系；设计基于自适应评估多目标粒子群的优化控制方法对SNO和SO的设定值进行优化，并对优化设定值进行跟踪控制；有效降低城市污水处理过程能耗并提高出水水质，实现城市污水处理过程高效稳定运行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种城市污水处理过程自适应评估多目标优化控制方法，首先，建立基于径向基核函数的城市污水处理过程优化控制目标模型，获得硝态氮浓度S

背景技术

城市污水处理过程通过一系列生化反应，将污水中的有机物转化成无机物，并通过物理化学反应，将污水进行净化，使出水水质达标并排出。污水处理过程是水资源循环再利用的重要途径，对保护和节约水资源都有重要的作用。

城市污水处理过程机理复杂，具有强非线性特征，且能耗和出水水质都是与污水处理过程运行成本息息相关的要素，然而，能耗和出水水质两个目标相互冲突且具有较强的关联性，因此，如何实现城市污水处理过程优化运行是一个具有挑战性的问题。在城市污水处理过程中，与能耗和出水水质的相关变量中，硝态氮浓度S

本发明设计了一种城市污水处理过程自适应评估多目标优化控制方法，主要建立了基于径向基核函数的城市污水处理过程优化控制目标模型，采用自适应评估多目标粒子群优化方法获得S

发明内容

本发明采用了如下的技术方案及实现步骤：

1.一种城市污水处理过程自适应评估多目标优化控制方法，其特征包括建立基于径向基核函数的城市污水处理过程优化控制目标模型、设计基于自适应评估多目标粒子群的优化控制方法，具体步骤为：

(1)建立基于径向基核函数的城市污水处理过程优化控制目标模型

1)以城市污水处理过程能耗和出水水质作为优化目标，建立城市污水处理过程优化控制目标模型：

minF(t)＝[f

其中，F(t)为t时刻城市污水处理过程优化控制目标模型；f

2)建立城市污水处理过程能耗和出水水质模型：

其中，w

(2)设计基于自适应评估多目标粒子群的优化控制方法

1)以城市污水处理过程可控变量硝态氮浓度S

2)对种群进行初始化，随机生成具有N个粒子的种群，以公式(1)为优化目标对每个粒子进行求解，获得个体最优解：

p

其中，p

外部档案的建立：外部档案通过粒子间的目标对比获得，当一个粒子的两个目标都小于等于其它粒子的对应目标，且至少有一个目标小于其它粒子的对应目标时，称该粒子为非支配解，对种群中粒子的目标进行对比，获得的非支配解存入外部档案；

计算第一次迭代过程中非支配解的全局多样性信息：

其中，G

3)种群进化过程：

①进入下次迭代，即，使迭代次数增加1，计算外部档案中非支配解的全局多样性信息：

其中，G

计算外部档案中非支配解的全局收敛性信息：

其中，G

判断R

E(k)＝R

其中，E(k)为第k代种群进化需求；

当R

当R

其中，τ为历史迭代次数；通过多样性需求指标R

②对外部档案中的非支配解进行评估，当种群进化需求E(k)>0时，非支配解a

在外部档案中A

③采用局部搜索策略获取全局最优解，首先生成一个随机向量r

其中，g

当r

其中，g

④多目标粒子群优化的位置和速度更新方式为

v

x

其中，v

⑤外部档案更新：

比较种群中粒子和外部档案中粒子的支配关系，选择种群和外部档案中非支配解更新外部档案A(k)，若A(k)中非支配解的数量大于H

⑥若k小于K

⑦在外部档案中随机选择一个非支配解的位置向量作为优化设定值[S

4)使用PID对优化设定值进行跟踪控制，PID的表达方式如下：

其中，Δu(t)＝[ΔQ

(3)城市污水处理过程自适应评估多目标优化控制系统的输入是内循环流量的变化值ΔQ

本发明的创造性主要体现在：

(1)本发明针对城市污水处理过程优化运行问题，首先建立基于径向基核函数的城市污水处理过程优化控制目标模型，并利用自适应评估多目标粒子群优化方法对模型进行优化，最后，使用PID控制器对S

特别要注意：本发明只是为了描述方便，采用了基于径向基核函数模型建立城市污水处理过程优化控制目标模型，使用基于进化需求的自适应评估多目标粒子群优化方法对硝态氮浓度和溶解氧浓度进行优化，将其它基于径向基核函数的建模算法和基于进化需求的自适应评估多目标优化方法等相同原理的优化控制方式都应该属于本发明的范围。

附图说明

图1是优化控制方法硝态氮结果图

图2是优化控制方法硝态氮跟踪误差图

图3是优化控制方法溶解氧结果图

图4是优化控制方法溶解氧跟踪误差图

1.一种城市污水处理过程自适应评估多目标优化控制方法，其特征包括建立基于径向基核函数的城市污水处理过程优化控制目标模型、设计基于自适应评估多目标粒子群的优化控制方法，具体步骤为：

(1)建立基于径向基核函数的城市污水处理过程优化控制目标模型

1)以城市污水处理过程能耗和出水水质作为优化目标，建立城市污水处理过程优化控制目标模型：

minF(t)＝[f

其中，F(t)为t时刻城市污水处理过程优化控制目标模型；f

2)建立城市污水处理过程能耗和出水水质模型：

其中，w

(2)设计基于自适应评估多目标粒子群的优化控制方法

1)以城市污水处理过程可控变量硝态氮浓度S

2)对种群进行初始化，随机生成具有N个粒子的种群，以公式(1)为优化目标对每个粒子进行求解，获得个体最优解：

p

其中，p

外部档案的建立：外部档案通过粒子间的目标对比获得，当一个粒子的两个目标都小于等于其它粒子的对应目标，且至少有一个目标小于其它粒子的对应目标时，称该粒子为非支配解，对种群中粒子的目标进行对比，获得的非支配解存入外部档案；

计算第一次迭代过程中非支配解的全局多样性信息：

其中，G

3)种群进化过程：

①进入下次迭代，即，使迭代次数增加1，计算外部档案中非支配解的全局多样性信息：

其中，G

计算外部档案中非支配解的全局收敛性信息：

其中，G

判断R

E(k)＝R

其中，E(k)为第k代种群进化需求；

当R

当R

其中，τ为历史迭代次数；通过多样性需求指标R

②对外部档案中的非支配解进行评估，当种群进化需求E(k)>0时，非支配解a

在外部档案中A

③采用局部搜索策略获取全局最优解，首先生成一个随机向量r

其中，g

当r

其中，g

④多目标粒子群优化的位置和速度更新方式为

v

x

其中，v

⑤外部档案更新：

比较种群中粒子和外部档案中粒子的支配关系，选择种群和外部档案中非支配解更新外部档案A(k)，若A(k)中非支配解的数量大于H

⑥若k小于K

⑦在外部档案中随机选择一个非支配解的位置向量作为优化设定值[S

4)使用PID对优化设定值进行跟踪控制，PID的表达方式如下：

其中，Δu(t)＝[ΔQ

(3)城市污水处理过程自适应评估多目标优化控制系统的输入是内循环流量的变化值ΔQ

一种城市污水处理过程自适应评估多目标优化控制系统输出结果为硝态氮浓度S