Fuzzy Neural Network-Based Robust Model-Free Adaptive Fault-Tolerant Control for Wastewater Treatment Process

人工神经网络 神经模糊 计算机科学 模糊逻辑 过程(计算) 自适应神经模糊推理系统 控制工程 容错 模糊控制系统 控制理论(社会学) 控制(管理) 人工智能 工程类 分布式计算 操作系统
作者
Honggui Han,Han‐Qian Hou,Haoyuan Sun,Junfei Qiao,Tianbao Li
出处
期刊:IEEE transactions on cybernetics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:: 1-12
标识
DOI:10.1109/tcyb.2025.3588159
摘要

In wastewater treatment process (WWTP), the dissolved oxygen concentration (DOC) sensor fault provides incorrect data to the control system, affecting the blower operation. This leads to insufficient aeration and increases the risk of membrane fouling. To solve this problem, a robust model-free fault-tolerant controller (RMFFTC) is designed. First, the pseudo partial derivative (PPD) approach is utilized to transform nonlinear WWTP into a compact form dynamic linearization (CFDL) data model with residual disturbances. Then, according to the CFDL model, a robust FD threshold is designed by the extended state observer (ESO) to timely detect the occurrence of faults. Second, after detecting the DOC sensor fault, the fault is estimated using the fuzzy neural network (FNN) considering that the fault is unknown. Third, an improved RMFFTC is designed based on the FE information. In particular, to ensure stable DOC tracking under sensor faults, the controller design considers the output tracking error variation. In addition, the bounded-input-bounded-output (BIBO) stability result is provided to theoretically guarantee the usefulness of the proposed RMFFTC for DOC control affected by the sensor fault. Finally, the effectiveness of the RMFFTC are verified through extensive simulations in the membrane bioreactor (MBR) model.
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