卡尔曼滤波器对UASB反应器运行状态估计_杨玉杰

第18卷第3期重庆环境科学1996年6月卡尔曼滤波器对UASB反应器运行状态估计杨玉杰赵颖(河南师范大学化学系,新乡453002)摘要在出水基质浓度eC,沼气产生速率Qg对进水基质浓度C。序列的传递函数模型的基础上,采用卡尔曼滤波法对ce和吻序列进行估计和预测,标准误差分别为6.19%和10.4%。关镇词UASB反应器卡尔曼滤波状态估计升流厌氧污泥床(层)反应器(UpflowAnaerobieSludgeBlanket,简称UASB)自从被荷兰学者发明以后,其技术不断发展,已广泛地运用到食品、发酵、医药、造纸工业等高浓度有机废水的处理。我们用UASB反应器处理石灰法草浆黑液,实验室容积负荷15~sokgCOD/m,·d,CODer去除率75%一85%,效果较为理想。本文利用UASB反应器运行时取得的数据,采用卡尔曼一布西(Kalman一Buey)滤波方法对UASB反应器出水浓度和沼气产生速率进行预报,效果较为满意。1实验方法1.1实验装置实验装置如图1所示,反应器内温度控制在35士1℃1.2采样方法及数据变换维持进水流量Q一3.0Lh/,每隔h1,改变进水浓度C0(以CODcr计),同时测定出水浓度Ce(CODcr计)和沼气产生速率Qg,共测定130组数据,图2为CO序列。为提高辨识精度,把Co、Ce、Qg序列进行对数转换,并令:u(n)=lgCO一ElgCoElgCO=0.803923(l)y(n)=lgCe一ElgCeElgCe=0.210547(2)z(n)=lgQg一ElgQgElgQg=0.918537(3)E表示均值。2传递函数模型辩识与估计l[一们2.ly(n)对u(n)的传递函数模型假定y(n)和u(n)满足以下关系式:y(n)=田。+田zB+山2B2+…+田,B,1+苍IB+苍ZB,+…+埃Bru(n一b)(4)图1UASB反应器收稿日期:1995一06一19作者简介:杨玉杰,男,32岁,1988年毕业于河南师范大学化学系,硕士,副教授.一一田n+田IB+aJ,B,+…+。,B,、,一,二~’1+苍IB+屯2B2+…+苍rBr/J小刁`传递函数,b为滞后时间,B为延迟算子Bkx(n)=x(n一k)(5)由时间序列分析方法,首先计算y(n)对u(n)的脉冲响应函数h(n),根据脉冲响应函数h(n)的性质判断s一1,r一2,b一12.2传递函数模型参数估计根据辨识出的r、s、b值采用极大似然3期杨玉杰:卡尔曼滤波器对UBAS反应器运行状态估计法[sj精估苍、。值,由Alc信息最小准则选定最佳模型:(l一0.7218B)y(n)=(0.1577+0.1390B+0.047B2)u(n一l)(6)2·32(n)一u(n)传递函数模型用同样的方法建立z(n)一u(n)传递函数模型如下:(1一0.2720B)z(n)一(0.2201+0.1974B+0.1171B2+0.0482B3)u(n一1)(7)3状态模型和观测模型.31Ce序列状态模型和观测模型的建立根据传递函数模型(6),建立状态模型和观测模型5j[:X(n)-x;(n)xZ(n)x3(n)1001(8)U(n)=u(1),u(2),…u(n)T(11)X(n+1)=FX(n)+GU(n)+W(n)(12)Y(n)=HX(n)+V(n)(13)H一(100)T(14)H为线性系统的量测阵,F、G为定常系数矩阵x(n)为虚拟状态变量,无实际意义,W(n)为模型误差,Q为模型误差协方差Q三E屹W(n)一EW(n)}{W(n)一石w(n)}T(15)V(n)为观测误差,R为观测误差协方差R二E{V(n)一石F(n)}{V(n)一EV(n)}T(16)3.ZQ和R样本值的求取和对Ce序列的预测由状态模型(12)和观测方程(13)计算W(n)和V(n)的样本值,(15)和(16)式计算Q和R:}1.2614x10一300}Q一}“}OR=1.2614X10一31.2614X10一31.2614又10一30.1577.2528.22950.7218(9)(10)根据Y(n)值,由(2)式计算Ce,平均误差4.84%,标准误差10.9%.下闷:\侧长相t/h图2进水浓度序列3.3伽序列状态模型和观测模型用同样的方法,建立Qg序列状态模型和观测模型:X(n)=xl(n)xZ(n)x3(n)x;(n)(17)重庆环境科学18卷0100010000000.22010.25720.18710.0991(18)0.2720(19)X(n+l)=FX(n)十6U(月)+W(n)(20)Y(n)=HX(几)+V(月)(21)H=(1000)r(22)Q~!1.9454X10一3000}0l.9454X10一300}001.9454X10一JO10001.9454X10一JR=1.9454