本发明涉及生活污水处理领域，具体涉及一种生活污水净化槽及其控制方法。该方法通过各种检测器获得固定初始含油量下不同运行功率的运行数据，根据运行数据中含油量变化序列、运行时间和运行功率获得每个功率下的第一除油效率。根据含油量变化序列的相似程度将运行功率分组，根据每个运行功率组中含油量的最大变化量获得每组的参考权重，根据参考权重调整每个第一除油效率，获得第二除油效率。根据运行功率对应的第二除油效率获得每个固定初始含油量下的最佳运行功率。通过实时污水含油量控制除油气泡机以最佳运行功率运行。本发明针对污水含油量智能控制运行功率，保证了净化效率且防止能量浪费。
1.一种生活污水净化槽，包括污水净化槽本体，其特征在于，还包括气泡机除油控制系统，所述气泡机除油控制系统包括控制器，以及与所述控制器信号连接的气泡机功率检测器和污水含油量检测器；
所述气泡机功率检测器用于检测除油气泡机的运行功率，所述污水含油量检测器用于检测净化槽内污水的含油量；
所述控制器根据预设采样时间获得所述除油气泡机的不同所述运行功率处理固定初始含油量污水的含油量序列；根据所述含油量序列获得含油量变化序列；根据所述含油量序列获得每个所述运行功率下除油过程的运行时间；根据所述含油量变化序列、所述运行时间和所述运行功率获得每个所述运行功率下的第一除油效率；根据不同所述运行功率下的所述含油量变化序列的相似程度对所述运行功率分组，获得多个运行功率组；获得每个所述含油量变化序列的最大变化量；获得每个所述运行功率组内所述最大变化量的平均值；根据所述平均值获得每个所述运行功率组的参考权重；根据所述参考权重调整所述运行功率组内的所述第一除油效率，获得第二除油效率；根据每个所述运行功率对应的所述第二除油效率获得固定初始含油量下的最佳运行功率；获得不同固定初始含油量的所述最佳运行功率；获取实时污水含油量，根据所述实时污水含油量获得对应的所述最佳运行功率，控制除油气泡机以所述最佳运行功率运行；
根据所述含油量变化序列、所述运行时间和所述运行功率获得每个所述运行功率下的第一除油效率包括：根据除油效率计算公式获得所述第一除油效率；所述除油效率计算公式包括：
其中，为所述第一除油效率， 为所述含油量变化序列中第一个元素，为废油密度，为当地重力加速度，为所述运行时间，为所述运行功率；
所述根据不同所述运行功率下的所述含油量变化序列的相似程度对所述运行功率分组，获得多个运行功率组包括：根据相似程度公式获得所述相似程度；所述相似程度公式包括：
其中， 为运行功率A与运行功率B之间所述含油量变化序列的相似程度， 为运行功率A的所述含油量变化序列， 为运行功率B的所述含油量变化序列， 为 的平均值， 为 的平均值， 为皮尔逊系数计算函数；
以所述相似程度的倒数作为所述运行功率之间的样本距离；根据所述样本距离利用密度聚类算法将所述运行功率进行分类，获得多个所述运行功率组；
所述根据所述参考权重调整所述运行功率组内的所述第一除油效率，获得第二除油效率包括：将所述参考权重与对应的所述运行功率组内每个所述运行功率的所述第一除油效率相乘，获得所述第二除油效率；
所述根据每个所述运行功率对应的所述第二除油效率获得固定初始含油量下的最佳运行功率包括：以所述运行功率及其对应的所述第二除油效率作为坐标信息；对所述坐标信息进行高斯拟合，获得高斯模型；以所述高斯模型的数学期望对应的所述运行功率作为所述最佳运行功率。
2.一种生活污水净化槽的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
根据预设采样时间获得除油气泡机的不同运行功率处理固定初始含油量污水的含油量序列；根据所述含油量序列获得含油量变化序列；根据所述含油量序列获得每个所述运行功率下除油过程的运行时间；
根据所述含油量变化序列、所述运行时间和所述运行功率获得每个所述运行功率下的第一除油效率；
根据不同所述运行功率下的所述含油量变化序列的相似程度对所述运行功率分组，获得多个运行功率组；获得每个所述含油量变化序列的最大变化量；获得每个所述运行功率组内所述最大变化量的平均值；根据所述平均值获得每个所述运行功率组的参考权重；根据所述参考权重调整所述运行功率组内的所述第一除油效率，获得第二除油效率；
根据每个所述运行功率对应的所述第二除油效率获得固定初始含油量下的最佳运行功率；获得不同固定初始含油量的所述最佳运行功率；获取实时污水含油量，根据所述实时污水含油量获得对应的所述最佳运行功率，控制除油气泡机以所述最佳运行功率运行；
根据所述含油量变化序列、所述运行时间和所述运行功率获得每个所述运行功率下的第一除油效率包括：根据除油效率计算公式获得所述第一除油效率；所述除油效率计算公式包括：
其中，为所述第一除油效率， 为所述含油量变化序列中第一个元素，为废油密度，为当地重力加速度，为所述运行时间，为所述运行功率；
所述根据不同所述运行功率下的所述含油量变化序列的相似程度对所述运行功率分组，获得多个运行功率组包括：根据相似程度公式获得所述相似程度；所述相似程度公式包括：
其中， 为运行功率A与运行功率B之间所述含油量变化序列的相似程度， 为运行功率A的所述含油量变化序列， 为运行功率B的所述含油量变化序列， 为 的平均值， 为 的平均值， 为皮尔逊系数计算函数；
以所述相似程度的倒数作为所述运行功率之间的样本距离；根据所述样本距离利用密度聚类算法将所述运行功率进行分类，获得多个所述运行功率组；
所述根据所述参考权重调整所述运行功率组内的所述第一除油效率，获得第二除油效率包括：将所述参考权重与对应的所述运行功率组内每个所述运行功率的所述第一除油效率相乘，获得所述第二除油效率；
所述根据每个所述运行功率对应的所述第二除油效率获得固定初始含油量下的最佳运行功率包括：以所述运行功率及其对应的所述第二除油效率作为坐标信息；对所述坐标信息进行高斯拟合，获得高斯模型；以所述高斯模型的数学期望对应的所述运行功率作为所述最佳运行功率。
3.根据权利要求2所述的一种生活污水净化槽的控制方法，其特征在于，所述根据所述含油量序列获得含油量变化序列包括：以所述含油量序列中每个元素与上一个元素的差值构建所述含油量变化序列。
4.根据权利要求2所述的一种生活污水净化槽的控制方法，其特征在于，所述根据所述含油量序列获得每个所述运行功率下除油过程的运行时间包括：获得所述含油量序列中污水含油量为零的元素与初始元素之间的时间间隔，以所述时间间隔作为所述运行时间。
5.根据权利要求2所述的一种生活污水净化槽的控制方法，其特征在于，所述根据所述平均值获得每个所述运行功率组的参考权重包括：将所有所述运行功率组的所述平均值归一化，以归一化后的所述平均值作为所述参考权重。
一种生活污水净化槽及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及生活污水处理领域，具体涉及一种生活污水净化槽及其控制方法。
背景技术
[0002] 随着乡镇的现代化建设，生活的厨余污水处理是建设过程中重要的一个部分。厨余污水中包含大量的废油，随意排放容易对环境卫生造成影响。且对于生态化建设而言，生态循环可以提高经济制造能力，可将厨余污水中的废油分离出来，通过对废油的二次加工可用于肥皂制造等实现资源利用，提高经济制造能力。
[0003] 由于油水密度不同，厨余污水中的油脂会浮在污水上方，因此可利用除油气泡机对污水进行处理，通过产生大量的密集气泡，利用气泡将污水中的废油吸附并上浮至水面，实现高效水油分离。
[0004] 通常的废油处理过程中除油气泡机的功率是固定设置的，但是因为污水槽中的含油量不同，使用固定功率会导致效率不达标影响净化除油效率；还容易导致固定功率过大导致效率饱和，造成资源浪费。
发明内容
[0005] 为解决上述问题，本发明提供一种生活污水净化槽及其控制方法。
[0006] 所采用的技术方案具体如下：
[0007] 本发明提出了一种生活污水净化槽，包括污水净化槽本体，还包括气泡机除油控制系统，所述气泡机除油控制系统包括控制器，以及与所述控制器信号连接的气泡机功率检测器和污水含油量检测器；
[0008] 所述气泡机功率检测器用于检测除油气泡机的运行功率，所述污水含油量检测器用于检测净化槽内污水的含油量；
[0009] 所述控制器根据预设采样时间获得所述除油气泡机的不同所述运行功率处理固定初始含油量污水的含油量序列；根据所述含油量序列获得含油量变化序列；根据所述污水含油量序列获得每个所述运行功率下除油过程的运行时间；根据所述含油量变化序列、所述运行时间和所述运行功率获得每个所述运行功率下的第一除油效率；根据不同所述运行功率下的所述含油量变化序列的相似程度对所述运行功率分组，获得多个运行功率组；获得每个所述含油量变化序列的最大变化量；获得每个所述运行功率组内所述最大变化量的平均值；根据所述平均值获得每个所述运行功率组的参考权重；根据所述参考权重调整所述运行功率组内的所述第一除油效率，获得第二除油效率；根据每个所述运行功率对应的所述第二除油效率获得所述固定初始含油量下的最佳运行功率；获得不同所述固定初始含油量的所述最佳运行功率；获取实时污水含油量，根据所述实时污水含油量获得对应的所述最佳运行功率，控制除油气泡机以所述最佳运行功率运行。
[0010] 本发明还提出了一种生活污水净化槽的控制方法，所述方法包括：
[0011] 根据预设采样时间获得所述除油气泡机的不同所述运行功率处理固定初始含油量污水的含油量序列；根据所述含油量序列获得含油量变化序列；根据所述污水含油量序列获得每个所述运行功率下除油过程的运行时间；
[0012] 根据所述含油量变化序列、所述运行时间和所述运行功率获得每个所述运行功率下的第一除油效率；
[0013] 根据不同所述运行功率下的所述含油量变化序列的相似程度对所述运行功率分组，获得多个运行功率组；获得每个所述含油量变化序列的最大变化量；获得每个所述运行功率组内所述最大变化量的平均值；根据所述平均值获得每个所述运行功率组的参考权重；根据所述参考权重调整所述运行功率组内的所述第一除油效率，获得第二除油效率；
[0014] 根据每个所述运行功率对应的所述第二除油效率获得所述固定初始含油量下的最佳运行功率；获得不同所述固定初始含油量的所述最佳运行功率；获取实时污水含油量，根据所述实时污水含油量获得对应的所述最佳运行功率，控制除油气泡机以所述最佳运行功率运行。
[0015] 进一步地，所述根据所述含油量序列获得含油量变化序列包括：
[0016] 以所述含油量序列中每个元素与上一个元素的差值构建所述含油量变化序列。
[0017] 进一步地，所述根据所述污水含油量序列获得每个所述运行功率下除油过程的运行时间包括：
[0018] 获得所述污水含油量序列中污水含油量为零的元素与初始元素之间的时间间隔，以所述时间间隔作为所述运行时间。
[0019] 进一步地，所述根据所述含油量变化序列、所述运行时间和所述运行功率获得每个所述运行功率下的第一除油效率包括：
[0020] 根据除油效率计算公式获得所述第一除油效率；所述除油效率计算公式包括：
[0021]
[0022] 其中，为所述第一除油效率， 为所述含油量变化序列中第一个元素，为废油密度，为当地重力加速度，为所述运行时间，为所述运行功率。
[0023] 进一步地，所述根据不同所述运行功率下的所述含油量变化序列的相似程度对所述运行功率分组，获得多个运行功率组包括：
[0024] 根据相似程度公式获得所述相似程度；所述相似程度公式包括：
[0025]
[0026] 其中， 为运行功率A与运行功率B之间所述含油量变化序列的相似程度，为运行功率A的所述含油量变化序列， 为运行功率B的所述含油量变化序列， 为 的平均值， 为 的平均值， 为皮尔逊系数计算函数；
[0027] 以所述相似程度的倒数作为所述运行功率之间的样本距离；根据所述样本距离利用密度聚类算法将所述运行功率进行分类，获得多个所述运行功率组。
[0028] 进一步地，所述根据所述平均值获得每个所述运行功率组的参考权重包括：
[0029] 将所有所述运行功率组的所述平均值归一化，以归一化后的所述平均值作为所述参考权重。
[0030] 进一步地，所述根据所述参考权重调整所述运行功率组内的所述第一除油效率，获得第二除油效率包括：
[0031] 将所述参考权重与对应的所述运行功率组内每个所述运行功率的所述第一除油效率相乘，获得所述第二除油效率。
[0032] 进一步地，所述根据每个所述运行功率对应的所述第二除油效率获得所述固定初始含油量下的最佳运行功率包括：
[0033] 以所述运行功率及其对应的所述第二除油效率作为坐标信息；对所述坐标信息进行高斯拟合，获得高斯模型；以所述高斯模型的数学期望对应的所述运行功率作为所述最佳运行功率。
[0034] 本发明实施例至少具有如下有益效果：
[0035] 本发明实施例通过设置多个检测器获得污水净化槽中除油气泡机在固定初始含油量下不同功率的运行数据，根据运行数据获得每个运行功率的第一除油效率。因为对于一个固定初始含油量而言，存在一个最佳运行功率可以实现最佳的除油效率，因此利用含油量变化序列之间的相似程度对于运行功率分组，进一步获得组内的参考权重，根据该参考权重将不同运行功率下的除油效率差异扩大，使得最佳运行功率对应的除油效率更加突出。改变固定初始含油量的大小获得对应的最佳运行功率，通过控制器控制除油气泡机，实现对不同污水含油量智能的调整运行功率，增加净化效率且防止能源浪费。
附图说明
[0036] 图1是本发明提供的一种污水净化槽的气泡机除油控制系统原理图；
[0037] 图2是本发明提供的一种生活污水净化槽的控制方法流程图。
具体实施方式
[0038] 为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种生活污水净化槽及其控制方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
[0039] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
[0040] 一种生活污水净化槽，包括污水净化槽本体和气泡机除油控制系统。
[0041] 污水净化槽可以为常规的安装了除油气泡机的污水净化槽，本实施例中，污水净化槽本体包括进水槽，净化槽、出水槽和除油气泡机。由于污水净化槽为常见的污水净化槽，对于其结构组成、工作原理以及工作过程不再赘述。
[0042] 如图1所示的一种污水净化槽的气泡机除油控制系统原理图，气泡机除油控制系统包括控制器101，以及与所述控制器信号连接的气泡机功率检测器102和污水含油量检测器103。
[0043] 气泡机功率检测器用于检测除油气泡机的运行功率，污水含油量检测器用于检测净化槽内污水的含油量。
[0044] 控制器可以为常规的运算控制芯片，比如单片机等。
[0045] 气泡机功率检测器可用常规的电力检测装置，通过检测除油气泡机的电力数据获得运行功率信息。
[0046] 污水含油量检测器可利用紫外可见光光度计。紫外可见光光度计基于紫外可见光光度原理，利用物质分子对对紫外可见广谱区的辐射吸收来进行分析含油量，污水中的废油含量越高，则对于紫外可见光的吸光度就越高。在本发明实施例中根据污水池的高度分为多个水位段，因为厨余污水中的废油体积相较于整体污水而言较少，因此可根据具体任务设置光度计在哪几个水位段之下，以确保污水整体含油量计算精准，避免因为上浮的废油影响数据准确性。
[0047] 需要说明的是，除油过程中的污水需经过污水净化槽内的其他净化方式进行处理，如过滤等，减少影响运行数据精度的固体杂物后再进行除油操作。
[0048] 控制器根据接收到的各个数据信息，执行如图2所示的一种生活污水净化槽的控制方法流程图。该方法具体步骤如下：
[0049] 步骤S1：根据预设采样时间获得除油气泡机的不同运行功率处理固定初始含油量污水的含油量序列；根据含油量序列获得含油量变化序列；根据污水含油量序列获得每个运行功率下除油过程的运行时间。
[0050] 在本发明实施例中采样时间设置为10分钟，采样频率设置为2秒，即含油量序列的长度为300，含油量序列中每个元素代表此时净水槽内的含油量。
[0051] 以含油量序列中每个元素与上一个元素的差值构建含油量变化序列，含油量变化序列中每个元素为对应时刻的含油量变化量，含油量变化量能够更好的表达不同功率对固定初始含油量的净化效率特征。
[0052] 需要说明的是，含油量序列中的第一个元素为初始含油量，即该固定初始含油量，因此在进行含油量变化序列的转换过程中不必考虑该元素。为了方便后续计算，含油量序列中元素之间的差值为绝对值。
[0053] 当净水槽中的含油量为零时可视为除油结束，此时废油都上浮与水面上，可通过出水槽将油水分离并排出。并且获得污水含油量序列中污水含油量为零的元素与初始元素之间的时间间隔，以时间间隔作为运行时间。运行时间表示在固定初始含油量下气泡机维持一个运行功率所处理污水的处理时间。
[0054] 步骤S2：根据含油量变化序列、运行时间和运行功率获得每个运行功率下的第一除油效率。
[0055] 对于一个固定初始含油量而言，如果用一个较小的运行功率去处理，则花费的运行时间较大，除油效率较低；如果用一个较大的运行功率去处理，虽然运行时间较短，但是会导致能源的浪费。因此除油效率随着运行功率从小到大的变化应是先变大后变小，根据该特征能够获得除油效率指标，具体包括：
[0056] 根据除油效率计算公式获得第一除油效率；除油效率计算公式包括：
[0057]
[0058] 其中，为第一除油效率， 为含油量变化序列中第一个元素，为废油密度，为当地重力加速度，为运行时间，为运行功率。
[0059] 在除油效率计算公式中，分母可视为除油气泡机做的功，对于两个差异较大的运行功率而言，做的功是相似的，但是对于较大的运行功率而言，因为除油气泡机产生的气泡较多，因此在第一个采样时间内的含油量变化数据比较小的运行功率对应的含油量变化数据大，即运行功率越大，第一除油效率越大。当运行功率达到最佳时，第一除油效率达到最大。当运行功率大于最佳的运行功率时，两个运行功率对应的含油量变化数据和运行时间一致，但是较大的运行功率造成了能量浪费，因此在最佳的运行功率之后，运行功率越大则第一除油效率越小。
[0060] 需要说明的是，废油密度和当地重力加速度可用常规的数据，在此不做限定。第一除油效率为一个指标值，并非一个具有实质意义的物理量，旨在表述不同运行功率在固定初始含油量下的效率变化特征。
[0061] 步骤S3：根据不同运行功率下的含油量变化序列的相似程度对运行功率分组，获得多个运行功率组；获得每个含油量变化序列的最大变化量；获得每个运行功率组内最大变化量的平均值；根据平均值获得每个运行功率组的参考权重；根据参考权重调整运行功率组内的第一除油效率，获得第二除油效率。
[0062] 对于不同的运行功率而言，其对应的除油效率特征并非为明显的先增后减，为了增大特征效果增强后续最佳运行效率的参考性，需要根据运行数据将步骤S2获得的第一除油效率进行调整，增大不同运行功率对应的除油效率之间的差异。
[0063] 不同的运行功率对于固定初始含油量的影响有可能是相同的，具体可通过含油量变化序列体现，即含油量变化序列的数值越相似，变化趋势越相似，则对应的运行功率对固定初始含油量的影响越相似，在后续分析时可归为一组运行功率组进行分析，共同调整对应的第一除油效率，具体包括：
[0064] 根据相似程度公式获得相似程度。相似程度公式包括：
[0065]
[0066] 其中， 为运行功率A与运行功率B之间含油量变化序列的相似程度， 为运行功率A的含油量变化序列， 为运行功率B的含油量变化序列， 为 的平均值，为 的平均值， 为皮尔逊系数计算函数。
[0067] 以相似程度的倒数作为运行功率之间的样本距离。根据样本距离利用密度聚类算法将运行功率进行分类，获得多个运行功率组。
[0068] 含油量变化序列中的最大变化量可作为该序列的代表性特征，即较小的运行功率对应的最大变化量会小于较大的运行功率对应的最大变化量。根据每个运行功率组内最大变化量的平均值可获得每个运行功率组的参考权重，具体包括：
[0069] 将所有运行功率组的平均值归一化，以归一化后的平均值作为参考权重。将整体数据归一化可以有效的表现出不同运行功率直接的数据差异，使得后续结果参考性更强。
[0070] 将参考权重与对应的运行功率组内每个运行功率的第一除油效率相乘，获得第二除油效率。第二除油效率经过了参考权重的处理，将不同运行功率直接的差异扩大，方便后续分析。
[0071] 步骤S4：根据每个运行功率对应的第二除油效率获得固定初始含油量下的最佳运行功率；获得不同固定初始含油量的最佳运行功率；获取实时污水含油量，根据实时污水含油量获得对应的最佳运行功率，控制除油气泡机以最佳运行功率运行。
[0072] 第二除油效率参考性更强，不同运行功率对应的第二除油效率的差异也更大，因此可根据每个运行功率对应的第二除油效率获得固定初始含油量下的最佳运行功率，具体包括：
[0073] 经过参考权重处理后的第二除油效率之间的差异更明显，结合之前分析的除油效率随着运行功率变化的变化特征可认为该变化特征服从高斯分布，以运行功率及其对应的第二除油效率作为坐标信息；对坐标信息进行高斯拟合，获得高斯模型。以高斯模型的数学期望对应的运行功率作为最佳运行功率。
[0074] 通过改变固定初始含油量可获得不同固定初始含油量的最佳运行功率。在实时净化过程中，获得实时污水含油量，根据实时污水含油量获得对应的最佳运行功率，控制除油气泡机以最佳运行功率运行，实现智能控制。具体控制方法可利用常规电力控制方法，在此不做限定。通过污水净化槽的分散式安装，实现整个生活范围内的污水处理和资源再利用。
[0075] 综上所述，本发明实施例通过各种检测器获得固定初始含油量下不同运行功率的运行数据，根据运行数据中含油量变化序列、运行时间和运行功率获得每个功率下的第一除油效率。根据含油量变化序列的相似程度将运行功率分组，根据每个运行功率组中含油量的最大变化量获得每组的参考权重，根据参考权重调整每个第一除油效率，获得第二除油效率。根据运行功率对应的第二除油效率获得每个固定初始含油量下的最佳运行功率。通过实时污水含油量控制除油气泡机以最佳运行功率运行。本发明实施例针对污水含油量智能控制运行功率，保证了净化效率且防止能量浪费。
[0076] 以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
