申请/专利权人：海南大学

申请日：2023-10-30

公开（公告）日：2024-06-18

公开（公告）号：CN117430237B

主分类号：G05B11/42

分类号：G05B11/42;C02F3/00;C02F1/00;C02F3/02;G06F17/10;G06F17/16

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.18#授权;2024.02.09#实质审查的生效;2024.01.23#公开

摘要：本发明公开一种基于PI观测器的污水处理系统的PID控制方法，针对污水处理过程中的二级处理系统的污水输入量和清水输出量进行数据采集，同时考虑系统受到的扰动因素，建立了具有扰动的切换正系统模型。基于此模型，设计了PI状态观测器以获得系统中不可直接测量的状态值。进一步，基于PI状态观测器设计PID控制器对二级处理系统硝化反应池中的氧气浓度进行控制，使出水水质得到提高。本发明有助于提高出水水质、控制精度和系统运行稳定性。同时，该方法充分考虑了系统状态的正性、多模态性和扰动影响大等特性，对于实际污水处理系统具有应用价值。

主权项：1.一种基于PI观测器的污水处理系统的PID控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、建立污水处理过程的状态空间模型，具体包括如下步骤：采集污水处理过程中污水排放量数据，建立污水处理过程的状态空间模型，形式如下：xk+1＝Aσkxk+Bσkuσkk+Eσkwk,yk＝Cσkxk+Fσkwk,其中，表示污水处理系统中微生物的质量浓度、底物的质量浓度、溶解氧的质量浓度构成的状态向量，表示生化反应池中氧气输入量，表示有界外部扰动输入，表示经污水处理系统处理后系统流出的水流量，σk表示污水处理系统模态变化所服从的规律，并在有限集合中取值，Aσk,Bσk,Cσk,Eσk,Fσk表示系统矩阵，且满足分别表示n维，r维，m维，s维欧氏矩阵空间和正整数集；步骤2、构建污水处理系统的PI观测器，具体包括如下步骤： 其中，观测器的状态代表xk的估计，是被估计输出，表示权重输出估计误差的积分，α1表示调整参数0＜α1≤1，和Lp是第p个子系统的观测器的增益矩阵，具体设计形式为： 其中，符号表示向量的转置，1n表示全部元素均为1的n维列向量，表示第ι个元素为1、其余元素均为0的n维列向量，1m表示全部元素均为1的m维列向量，表示第ι个元素为1、其余元素均为0的m维列向量，ξpι和ηpι均是s维列向量，是n维列向量,opι和χp是m维列向量；步骤3、构建基于PI观测器的污水处理系统的PID控制器，具体包括如下步骤：构建基于PI观测器的污水处理系统的PID控制器，具体方法是： 其中，KPp,KIp,KDp和Kp为第p个子系统的PID控制器的增益矩阵，和分别表示PID控制器的积分和微分部分，具体形式分别为： 其中，α2表示调整参数0＜α2≤1，设计污水处理过程的PID控制器增益，其具体形式为： 其中，符号表示向量或矩阵的转置，1r表示全部元素均为1的r维列向量，表示第个元素为1、其余元素均为0的r维列向量，νp、和是n维列向量，是m维列向量；步骤4、引入增益指标γ，具体包括如下步骤：引入增益指标γ＞0,其满足下列式子： 其中，0＜μ＜1,为两个常数，表示误差向量，表示误差向量的转置，表示扰动向量的转置，1m表示元素均为1的m维列向量；步骤5、构建基于PI观测器的污水处理系统PID控制闭环系统，具体包括如下步骤：结合步骤1的状态空间模型、步骤2中的PI观测器和步骤3中的PID控制器，构建基于PI观测器的污水处理控制系统的闭环控制系统，如下所示： 其中， 式中In和Im分别表示n×n维和m×m的单位矩阵；步骤6、设计保证基于PI观测器的污水处理系统平稳运行的条件，具体包括如下步骤：设计常数0＜α1≤1,0＜α2≤1,0＜μ＜1,λ＞1,∈2＞∈1＞0，n维向量s维向量和m维向量使得 对任意ι＝1,2,...,m,和ι＝1,2,…,n成立，那么，在步骤2所设计的PI观测器和步骤3所设计的PID控制器下，污水处理系统的闭环系统是正的且是增益稳定的，平均驻留时间，其满足条件设计为： 步骤7、基于PI观测器的污水处理系统的闭环控制系统的正性验证，具体包括如下步骤：基于PI观测器的污水处理系统的闭环控制系统的正性验证过程如下：由步骤6中的条件a-f,得到 进一步，结合步骤2所设计的PI观测器、步骤3所设计的PID控制器,得到结合步骤2、步骤3和步骤6中的条件和得到,，进一步推导出基于上述步骤，可以得到步骤8、基于PI观测器的污水处理系统的闭环控制系统的增益稳定性验证，具体包括如下步骤：构造李雅普诺夫函数： 其中， 对Vσkδk求差分，得到 根据步骤6中的条件b-e,推导出 其中， 根据步骤2、步骤3和步骤6中条件f,推导出以下不等式 根据步骤2、步骤3和步骤6中条件g,得到 进一步，由步骤6中条件h-m，得到和进而得到，因此，基于PI观测器的污水处理系统的闭环控制系统的增益稳定性得到保证。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 海南大学 一种基于PI观测器的污水处理系统的PID控制方法

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