TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.7, July 201 4, pp . 5293 ~ 52 9 7   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i7.401 8          5293     Re cei v ed  Jul y  27, 201 3; Revi sed  Jan u a r y 27, 2 014;  Acce pted Fe brua ry 12, 20 14   SISO P-ILC Algorithm for Output Data Dropouts and Its  Application in Wastewater Biological Treatment Plant      Gu Qun* 1 , Hao Xiaohong 2 , Li Zhuo y u e 1 , Wang Hu a 1     1 Schoo l of Ele c trical an d Information En gin e e rin g , Lanz hou  Universit y  of T e chn o lo g y ,   Lanz ho u, 730 0 50, Chi n a   2 Colle ge of co mputer an d co mmunictio n,  La nzho u Univ ersi t y  of T e chnolo g y   Lanz ho u, 730 0 50, Chi n a   *Corres p o n id n g  author, e-ma i l : lzgq6 6@1 63. com      A b st r a ct   In order to i m p r ove the effici e n cy of sew age  treatme nt,   w e  construct P-ILC alg o rith m for  output   data dro p o u ts.  T he P-ILC alg o rith m is used  in the aer ati on  tank of oxygen  input lin k, an d  accordin g to th e   actual s i tuati o n ,  consid eri ng t he d a ta  ge nera t ing o m issi ons,  adj ustin g  the   alg o rith m c an  compl e tely c o n t rol   the aerati on ta nk of oxygen. After 15  iterations, w e  can comp lete ly cont r o l the oxyg en i n  the aerati on tan k   volu me. W e  kn ow  mor e   impor tant is th is a l g o rith ma y  at  any ti me acc o r d in g to  ne ed  o f  aerati on t ank  o f   oxyge n  su pp le me nt, w hen th e lack  of  oxyg en, ca n o p e n  t he  oxyge n  fil l i n g p u m p, w h e n   sufficient  oxyg en,   close the oxy g en fill ing p u m p ,  to achieve e n e rgy savi ng g o a ls, ulti mate ly mak e s the ec o n o m ic b enefits  to  achi eve the h i g hest.    Ke y w ords : iter ative le arni ng c ontrol, outp u t d a ta, data dro p o u ts, w a stew ate r  treatme nt pro c ess, simu lati o n     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .        1. Introduc tion  Wate r refe rs  to the overall  amount of  water on  eart h . Includi ng the  human  co ntrol and   surfa c wate r and gro und water di re ctly for irrig a tion, powe r  gen eration, water  supply, ship pi ng,  aqua cultu r and othe r pu rpo s e s , as  well as the  rivers, la ke s, wells, sp rin g s,  tidal, harb o and  water a r ea.  Wate r resource s a r e im po rtant natural  reso urce s in di spe n sable fo r the devel op ment  of the nation a l eco nomy. With the de velopment  of  the world e c on omy, pop ulation growt h increa sing a n d  expandi ng  arou nd the ci ty, with wate r rising. Th e United  Natio n s e s timate s, in   1900, the glo bal wate r con s umptio n is o n ly  11 10 4 cubi c met e rs / year, 1 9 80 is  12 10 3  cubic  meters / yea r , 1985  is  12 10 9 . 3  cu bic m e ters /  year. It is ex pecte d that  b y  2000,  dem and  will  incr ea se t o   12 10 6  c ubic  meters / year. In As ia  with the  mos t  water,  up to  12 10 2 . 3 cubic  meters / yea r , followe d by  North  Ame r ica, Euro pe,  S outh Ame r ica  etc. By 2 000 , Chin a n a tio nal  water d e ma n d  is expe cted  to be  12 10 814 . 6  cubic  meters. Most  of them for the Yangtze  Ri ver   Bas i n,  12 10 166 . 2 cubi meters, follo wed  by the Y e llow  Rive r a nd the  Pearl   River  ba sin.  With  the developm ent of prod uction,  the cont radi ction bet wee n  su pply and dem and  of region al a n d   national wat e r re sou r ce is  in crea singl prom i nent.  Along  with  se wag e  reu s e problem  h a become a t opic of  con c ern. Acco rdi ng to the cl assificatio n  o f  the source  of waste w a t er,  wa stewater treatment i s   ge nerally   divide d into th pro ductio n  of  se wag e  treatme nt and  sewag e   treatment. A c c o rding to the c l ass i fication of the  sou r ce of wa stewater, wa stewater treatme n t  is   gene rally divi ded i n to the   prod uctio n  of  se wa ge t r ea tment an se wag e  treatm ent. Prod ucti on  se wag e  in clu d ing: in du stri al waste w ate r , ag ri cultural  wa ste w ater  and m edi cal  se wag e . Sewage   is sewage  ge nerate d  d a ily life, is a  com p licate d   mixtu r e, ref e rs to v a riou s fo rm of inorgani c a nd  orga nic in clu de: the  size  of solid  pa rti c le s of  floatin g and  suspe nded;  gel a n d  gel  diffusio n  in  pure  sol u tion.  Acco rdi ng to  the quality of  water  po lluti on, wate r poll u tion ha s two  kind s: on e ki nd   is the n a tura l pollution; th e other i s  m an-m ade  poll u tion. The h a rm of  water is man - ma d e   pollution.  Wat e r p o llution a c cordi ng to t he different p o llution of im puritie s is:  ch emical  polluti on,  physi cal poll u tion  a nd bi ologi cal poll u tion  th ree  categ o rie s . The  m a in p o llutants  are:  the   indu strial wa stewater  di sch a rg e  of  untre ated; the  discharg e  of  untreated  se wa g e ; the  extensi v use of fertilizers, pe stici d e s , herbi cid e farmlan d   se wage; the sta c ked in t he ind u strial  wa ste and   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5293 – 52 97   5294 dome s tic wa ste; the  soil   and  wate r lo ss; th e mi ne wa stewater. Many  me th o d s of  waste w ater  treatment, g enerally can  be  divided   into phy sical  method,  ch emical  meth od a nd  biolo g ical  method.. This paper fo cu ses on  city life sewage bi ol ogical treatm ent in two sta ge aeration t ank  dissolved ox ygen (DO)  concentra tio n . For the DO pro c e s s control, incl ud ing PID cont rol,  adaptive  cont rol, nonli nea control, ha s a  large  num be r of pa pers p ublished.  In rece nt years, the   resea r ch of fuzzy control and neu ral n e twork cont rol in intelligent control to stabili ze the DO   value, provid es some d e a l  with the no nlinea r and u n ce rtain me a n s an d meth ods of p r o c e ss.  Ferrer,  Ro dri go et  al. [1]  descri b e s  th e  co ntrol   process of  the  m ould fo biolo g ical  waste w ater  treatment  pro c e s s mod e lin g, co ntrol  an d optimi z atio n of fuzzy  co ntrolle r in  19 98, control  ru le is  obtaine d by summing  up t he op erato r ' s  experie nce.  Yu and Li aw  prop osed [2]  real -time cont rol  method fo r in  199 8. Bong a r ds M  et al. [3] devel op ed  a combin atio n of fu zzy  co ntrol a nd  neu ral   netwo rk  cont rol  schem e i n  20 01. Pu   ñ al  A, Ro cca E, 20 02 [ 4 ] and  20 04 [ 63] p r op osed  the   expert contro l system ap p lied in se wa g e  treat ment i n  the ca se.  Bonga rd s M and Ebel A [5],  descri bed  in  2004 fo r the  DO  cont rol b a se d on  anot her  kin d  of n eural  net work pre d ictive  co ntrol   scheme. Piot rowski et al. [6] is the method u s ing  hiera r chi c al  model to im plement effe ctive   control of  DO , and d e si gn  a hie r archi c al  co ntrolle r to  guarantee  th e DO con c ent ration  accu rat e ly  track a  de sire d traje c tory, e n su re that th e ni trog en a n d  pho sp horus in se wa ge  can be  effectively  remove d. Hol enda et al. [7] using mod e l  predi ctiv e co ntrol (MP C method is u s ed to control the   s e w a ge  tr ea tme n t  pr oc es s o f  a e r o b i c  poo l o f  DO  con c entration, and   achieved go od  results.  Th is  pape r will  co nsid er d a ta l o ss situ ation,  the P ty pe iterative lea r ni ng control  al gorithm i s  u s ed to   control the DO co nce n trati on. Whe n  the  lack  of  oxygen, can  ope n the oxygen filling pum p, wh en   sufficie n t oxygen, clo s e th e oxygen filling pum p, to  achi eve ene rgy saving g o als. Figu re 1  is a  simplified bi ol ogical se wag e  treatment flow chart.           Figure 1. A Simplified Biolo g ical Se wag e  Treatme nt      2. Rese arch  Metho d   2.1. Calculati on Metho d of Diss olv e d  Ox y g en Aeration Tan k   The time rate  of chang e of con c e n tration     ) ( , , o sat o L o out in o in o S S a VK S Q S Q dt dS V         ( 1 )     Whe r V  is the volume of aerati on tank , It is  meas ured in  3 m , in Q  is the amo unt of water, out Q   is  a  water flow, It is  meas ured in  h m / 3 , o S  is the  con c e n t ration of di ssolved  oxyge n , It is   measured i n   L mg / , in o S ,  is the  concentration of  dissolved  oxygen in water,It is measured in  L mg / , sat o S ,  is the  satu ration of di ssolved oxygen  con c e n tratio n, It is mea s ured  in  L mg / , Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     SISO P-ILC Algorithm  for Output Data  Dro pout and  Its Applicatio n in Wa stewa t er… (G u Qu n)  5295 L K  is the absorption co effici ent, a  is the ra tio of area a nd volume ( On an op en  no aeration  pool, its a r ea  refers to the  area  of co ntact of air  and  water, volu m e  refe rs to th e volume of t h e   pool. In an a e rated p ond,  the conta c t a r ea with ai r a nd wate r of b ubble  size, bubble  size is a   function  of a e ration  eq uip m ent an d ai r flow),  a K L  for the di ssolved  oxygen m a ss tran sfer  c oeffic i ent, It i s  meas ured in  h / 1   2.2. SISO Pr oblem  w i th P-ILC Algori t hm for Outp ut Da ta  Drop outs     For a multipl e  input multip le output nonl inear  system:     ) ( )) ( ( )) ( ( ) ( ) ( )) ( ( )) ( ( ) 1 ( t u t x d t x c t y t u t x b t x f t x k k k k k k k k        ( 4 )     Whe r k  is the numbe r of iteration s ) ( t x k , ) ( t u k , ) ( t y k  As the system state variabl es , sy stem input variable s  and the   output variabl e of the syste m  [8].  H y pothesis 2.2.1:  T he  state varia b le  ) ( t x k  satisfie Lipschitz conditio n , the p r e s en ce   of  ) ( x a , ) ( x b , ) ( x c  , ) ( x d  su ch t hat for  any ti me  ] , 0 [ N t , we have matrix  F K , B K , C K , D K , meet ) ( ) ( )) ( ( )) ( ( 2 1 2 1 t x t x k t x f t x f f ) ( ) ( )) ( ( )) ( ( 2 1 2 1 t x t x k t x b t x b b ) ( ) ( )) ( ( )) ( ( 2 1 2 1 t x t x k t x c t x c c ) ( ) ( )) ( ( )) ( ( 2 1 2 1 t x t x k t x d t x d d .   H y pothesis 2.2.2:  T he i n i t ial co ndition s fo r n online a system o f   ) 0 ( k x ) 0 ( d x meet  ) 0 ( ) 0 ( d k x x . Where  ) 0 ( d x  is the state vari able s  in the  k  initial value,  ) 0 ( d x  is the initial  expectatio n  value.   H y pothesis 2.2.3:  Fo r the  desired outp u t for a given  ) 0 ( d y , the control a l gorithm.    ) ( )) ( ( )) ( ( ) ( ) ( )) ( ( )) ( ( ) 1 ( t u t x d t x c t y t u t x b t x f t x d d d d d d d d   Whe r ) ( t x d  and  ) ( t u d  are respe c tively the desire d  output and t he de sire d st ate.  For the SIS O  linea r sy st em (1 ), the  P type  iterative learni ng  control al go rithm is  as  follows   ) ( ) ( ) ( ) ( 1 t e t t u t u k k k            ( 5 )     1 0 ) ( t , if 0 ) ( t  indicate s that the data lost.  1 ) ( t we kno w  data integrity.  )} ( { } 1 ) ( { t E t P , 1 )} ( { 0 t E   Whe r  is the learnin g  gain  factor,  ) ( ) ( ) ( t y t y t e k d k  as th e system tra c king e r ror.   Theorem 1 :  To meet th e assum p tio n s of n onlin ear system 2.2.1-2. 2.3  (4), (5 ) the  learni ng cont rol  al gorith m  is  iter ative, when the  sy stem outp u t da ta loss, for th e lea r ning  ga in  fac t or   on the numbe r an d all the time the t  and iterativ k , we have:    1 )) ( ( ) ( 1 t x d t d  For any  ] , 0 [ N t ,   We know  that  0 )) ( ) ( ( lim t y t y d k k   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5293 – 52 97   5296 3. Results a nd Analy s is  3.1.   The Desi gn of ILC-DO Con t rol Sy stem   Acco rdi ng to  the dem and  of aeration ta nk of  oxygen quantity,  we usin P-IL a l gorithm   to control the  oxygen quan tity. The P-ILC algo rith m i s  used in the  aeratio n tank of oxygen input  link, ca n with  the aeration  tank of oxygen dem a nd i s  very good,  accordi ng to  the amount of  oxygen aeration tank an d decid ed to give the am ount of oxygen aeration  tank inp u t, and provid a theoreti c al  basi s  for the  energy savin g  our pla n an d ensure that  the aeratio n tank of oxyge n  is   sufficie n t, the sewage tre a tment the high est efficien cy.  Each in put ox ygen process, given a de si red oxyge n  d e mand  d y , looki ng for the  co ntrol  input  ) ( t u k , made in the co ntrol of the  ac tual in put  amount of o xygen,  1 k y  and   d y Con s id erin g the po ssibility  of the actual operatio n, it  can b e  con s i dere d , dema nd co ntrol in put  sele ction of a e ration tan k   of oxygen, each in put  to the aeration tank of oxyge n  pro c e ss, when  the amo unt o f  oxygen inp u t  oxygen de m and  set a rrive d imme diatel y clo s ed  oxygen inp u t valve,  the am ount  of oxygen  a nd the  de si red traje c to ry  of the  inp u t  (i.e. setpoi nt) exi s t e r ror : d k k y y e 1 1 ,Where  k  is th e input  oxygen nu mbe r Figure 3  de scrib e s the  structure a nd  pro c e ss of IL C co ntrol met hod.           Figure 2. The  Structure an d Pr ocess of ILC Control M e thod       3.2.   Simulation  We u s e the si mulation hyp o thesi s .             Figure 3. First and Secon d  Control Inp u Fi gure 4. 20 Iterative Lea rn ing Co ntrol th Tra cki ng Curve  Figure 3 is  a first and a  second  cont rol i nput (th e  amount of o xygen aeration tank  requi re d), Fig u re 4 for the twentieth iteration lear ning  control alg o rithm tracking  curve, we can   see  that afte 20 iteration s the le a r nin g   control, the  target curve  t r a c king, ca n co mpletely  cont rol  0 5 10 15 20 25 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 i y( i ) y d (i ) y k (i ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     SISO P-ILC Algorithm  for Output Data  Dro pout and  Its Applicatio n in Wa stewa t er… (G u Qu n)  5297 the numbe r of oxygen in the aeration  tank, this  algorithm  can  control the o xygen effective.  Figure 6 is the curve of error co nvergence curve, it can be seen th at the algorithm will converge,  the algorith m  is prove d  to conver g e , the algorith m  is reasona ble.       4. Conclusio n   (1) In o r d e r t o  ma ke  the  se wag e  tre a tment effici en cy is hig h e r , the a e ration  tank of   oxygen we re analyzed, an d the P-ILC al gorithm is  u s ed in the aera t ion tank of oxygen input link,  and a c cordin g to the actu al situation,  consi der i ng th e data ge nerating omi ssi o n s, adju s ting  the   algorith m  ca n  completely contro l the ae ration tank of  oxygen.  (2)  Throug the simul a tio n  experi m ent  to validate the mod e l an d its corre s p ondin g   algorith m , the  results a s   sh own i n  Figu re  4, sh o w n in  Figure 5, not  only ca n the  aeratio n oxyg en   deman d go o d  trackin g , and  can a c hieve pe rfect  tracking  oxygen dem an d goal afte r 15  regul ation. M o re imp o rtant  is this alg o rit h m may  at any time according to nee of aeratio n tank  of oxygen supplem ent, whe n  the la ck of oxy gen,  can  ope n the oxygen fil ling pum p, when   sufficie n t oxygen,  clo s e th e oxygen  filling p u mp, to  achieve  ene rgy  saving  g oals,  ultimate ly  make s the e c onomi c  ben efits to achieve  the highe st.      Ackn o w l e dg ements   This re se arch  was su ppo rted  by The Nation al  Nature  S c ien c e  Found ation o f   Chin No.61 263 008 , the  Nation al Natural  S c ien c e  Fou n dation  of G ansu Provin ce  (G rant  NO.  1112 RJZA02 3, 1212 RJYA 031).       Referen ces   [1]    J F e rrer, MA  Rodri go, A  Se co, et a l . Ener g y  sa vi ng   in   the aerati on pr ocess b y   fuzz y log i co ntrol.   W a ter Science  and T e ch no log y . 1998; 38( 3): 209- 217.   [2]    Rue y -F a ng Y u , Shu-L i a ng  Li a w ,  C hen g-N a n C han g, et  al.  App l yin g  r eal- t ime co ntrol t o  en ha nce th e   performa nce of  nitrog en rem o val in th e co nti nuo us-flo w  SB R s y stem.  W a t e r Scienc e a n d  T e chno logy 199 8; 38(3): 27 1-28 0.  [3]    Bong ards M. Improvin g the  efficienc y of a   w a st e w ater tr eatment pl ant  b y   fuzz y co ntrol an d ne ura l   net w o rk.  W a ter  Sci T e chnol.  2 001; 43( 11): 18 9-19 6.  [4]    A Puñal, E Ro ca, M Lema. System for moni tori ng a nd di ag nosis of an aer obic  w a ste w at er treatmen t   plants.  Water Research . 20 0 2 ; (36): 265 6-2 666.   [5]    EF  Carrasco,  J Rodri g u e z, A Puña l, E R o ca, JM  Lem a. Dia gnos is  of acid if icatio n  states in a n   ana erob ic  w a s t e w a t er tre a tment p l ant   usin g a fuzz y- bas ed  e x pert s y s t em.  Control  Engi neer in g   Practice . 200 4;  12(1): 59-6 4 [6]    Bong ards  M, E bel  Hi lmer T Predictiv e co nt rol  of w a stew at er w o rks by  n e u ral  netw o rks . Procee din g of the W o rld Automatio n  Co n g ress. 200 4; 1 7 : 397-4 02.   [7]    R Piotro w s k i , MA Brd y s, K K onarcz ak, et al.  Hiera rc hica l d i ssolve d  o x yg e n  contro l for ac tivated sl udg e   process e s.  Co ntrol Eng i n eeri ng Practice . 2 0 08; (16): 11 4-1 31.   [8]    Hao Xiao ho ng,   Gu  Qun, Xia n   Jun Du, Xu   W e it ao, Du  Xianj un. C l o nal  Selecti on Al go rithm Bas e d   Iterative Le arni ngC ontrol  w i th  Ran dom Dist u rba n ce.  T E L K OMNIKA Indones ian J our n a l of Electric a l   Engi neer in g . 2013; 11( 1): 443 -448.   [9]    Sutikno, T o le. F P GA for ro botic a ppl icati ons:  F r om an droi d/huma n o i d rob o ts to artificial me n .   T E LKOMNIKA T e leco mmunic a tion C o mputi n g Electron ics a nd Co ntrol.  20 11; 9(3): 40 1-4 02.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.