活性污泥仿真平台实现及污水处理过程先进控制研究

【摘要】：活性污泥法污水生物处理过程是一个影响因素多、变量间关联强、机理复杂的多变量耦合系统,研究其模型获取和解耦方法是获得满意控制品质的必要途径。动态矩阵控制(DMC)具有良好的鲁棒性,且对模型要求较低,十分适合用来对污水处理过程实施先进控制。本文设计实现了一个活性污泥1号模型的仿真研究实验平台,该平台可以方便用户获取建模所需的数据和实现控制算法仿真;论文还基于动态矩阵控制研究了污水处理过程的稳、动态解耦控制方法。 本文首先根据国际水质协会推出的Benchmark基准,利用Matlab/Simulink工具箱搭建了污水处理仿真平台。在仿真平台上,可以方便地获取不同天气状况下,不同激励信号的响应数据,也可方便进行各种控制策略的仿真。数据对照和机理分析证明了仿真平台给出的结果是正确的。 其次,本文对所选操作变量和被控变量进行耦合性分析,证明污水处理过程变量间存在严重的关联耦合。为减少变量间耦合给控制系统带来的影响,论文研究了稳态进水情况下的多变量PID前馈解耦方法。为在解耦的同时提高控制系统的鲁棒性,论文研究了稳态进水情况下的多变量DMC解耦方法,将被控多变量系统分解成两个两输入单输出系统,通过求解二元一次方程组获取控制器输出变化量,引入误差观测器,起到进一步解耦作用。 最后,考虑到污水处理系统实际进水是动态变化的,并非一直处于稳态。论文结合数据聚类分析方法,研究了多模型DMC解耦控制方法。通过K-均值聚类方法对干旱天进水氨氮浓度数据进行聚类,求出簇中心,获得以簇中心为入水氨氮浓度的固定模型集合。再以实时进水氨氮浓度和簇中心为基本元素,设计模型切换准则。仿真结果表明,多模型方法可以有效提高污水处理系统的动态控制品质。 【关键词】：活性污泥 污水处理 仿真平台 动态矩阵控制 解耦控制 多模型 K-均值聚类
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究背景与研究意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 污水处理工艺概况11-12
• 1.2.2 活性污泥法数学模型研究现状12-13
• 1.2.3 活性污泥法污水处理控制研究现状13-14
• 1.2.4 污水处理仿真软件研究现状14-15
• 1.3 本文的主要工作15-18
• 第二章 污水处理过程 Benchmark 基准及仿真平台实现18-34
• 2.1 Benchmark 模型基准18-25
• 2.1.1 活性污泥1 号模型（ASM1）19-20
• 2.1.2 进水负荷20-21
• 2.1.3 生化反应池质量平衡方程21-22
• 2.1.4 二沉池模型22-24
• 2.1.5 出水指标和性能评价24-25
• 2.2 Benchmark 仿真平台实现25-32
• 2.2.1 仿真平台结构与功能介绍26-30
• 2.2.2 平台验证30-32
• 2.3 小结32-34
• 第三章 污水处理过程耦合性分析与 PID 解耦34-44
• 3.1 控制变量的选取34-35
• 3.2 相对增益法分析系统耦合性35-39
• 3.3 多变量PID 前馈补偿解耦控制器设计39-42
• 3.4 小结42-44
• 第四章 污水处理过程多变量 DMC 解耦设计44-58
• 4.1 模型预测控制简介44-45
• 4.2 单变量DMC 算法简介45-49
• 4.2.1 预测模型45
• 4.2.2 最优预测输出45-46
• 4.2.3 目标函数和优化控制46
• 4.2.4 前景优化控制46
• 4.2.5 控制前景46-48
• 4.2.6 S-DMC48-49
• 4.3 多变量DMC 解耦控制器设计49-54
• 4.3.1 预测模型49
• 4.3.2 最优预测输出49-50
• 4.3.3 目标函数50-51
• 4.3.4 DMC 解耦设计51-52
• 4.3.5 误差观测器52-54
• 4.4 污水处理过程多变量DMC 解耦仿真54-57
• 4.4.1 阶跃响应模型的获取54-56
• 4.4.2 仿真结果56-57
• 4.5 小结57-58
• 第五章 污水处理过程多模型 DMC 解耦设计58-68
• 5.1 K-均值聚类59-60
• 5.2 多模型预测控制60-63
• 5.2.1 模型集的建立61
• 5.2.2 模型切换准则61-62
• 5.2.3 多模型DMC 解耦控制器设计62-63
• 5.3 污水处理过程多模型DMC 解耦仿真63-66
• 5.4 小结66-68
• 第六章 结束语68-72
• 6.1 全文工作总结68-69
• 6.2 未来工作展望69-72
• 参考文献72-76
• 致谢76-77
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果77

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