基于PWM方法的污水处理过程曝气控制研究

【摘要】：目前我国污水处理技术较为落后，曝气过程消耗大量电能，大多数污水处理厂为使出水达到排放标准，不惜以增加电能消耗提高曝气流量为代价。“十二五”以来，各种节能减排的措施已经成为耳熟能详的文明生产、生活的方式，因此探索更加高效、节能的曝气控制方法显得尤为重要。针对此种现象，本文研究了基于脉宽调制(Pulse WidthModulation, PWM)的曝气控制方法，使得在出水满足排放标准的情况下曝气过程消耗的电能最少，实现降低能耗的目标，进一步落实可持续发展战略。本文主要工作如下： (1)活性污泥1号模型较为复杂,本文首先简化该模型考虑异养菌的新陈代谢过程得到非线性模型，出于控制律的设计大多针对线性模型的现状，采用局部工作点最优线性化方法将其线性化，使用线性二次型调节器方法设计连续控制律。考虑到工程实现问题，提出了将连续控制律转化为PWM控制律的曝气控制方法。 (2)在静态过程模型的基础上引入进水等变量得到动态过程模型及设计PWM控制律。进水等变量的引入增加了动态过程模型线性化的难度，本文将进水、活性污泥环流、废弃污泥排放等变量视为干扰(参变量)，在线性化过程中不对其求导数，PWM控制律的设计思路与静态过程模型相同。 (3)依据静态过程模型，考虑生物除氮过程的数学模型，在将PWM控制方法应用于该模型时出现反应池溶氧浓度波动较大的问题，致使生化反应效率变低。基于此，本文在改进PWM控制方法的基础上提出了一种切换反应控制方法，以达到降低反应池溶氧浓度波动幅度及提高污水处理效率的目的。 (4)考虑到执行器对输入信号幅值存在一定的要求，且根据最优算法求得的控制信号幅值可能会超出执行器所能接受的范围，本文末设计了带输入限制的PWM控制器，使得控制器输出信号幅值在执行器所能接受的范围内，避免了对执行器的损坏。 利用已知模型设计PWM控制器，将其与多溶氧点控制方法和开关控制方法进行比较，仿真结果表明在出水水质达标的情况下PWM控制方法消耗的电能最少，实现了降低能耗的目的。基于除氮模型，将改进PWM控制方法与PWM控制方法和多溶氧点控制方法进行仿真比较，结果表明改进PWM控制方法可以有效解决反应池溶氧浓度波动较大的问题，同时该方法在节约能耗、反应时间方面都具有一定的优势，且输入限制器的引入可以降低控制器输出信号的幅值，避免损坏执行器。 【关键词】：污水处理 节能 脉宽调制 活性污泥1号模型 线性二次型调节器
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-5
• 目录5-8
• 第一章 绪论8-14
• 1.1 问题的提出8-9
• 1.1.1 选题背景8
• 1.1.2 研究视角8-9
• 1.1.3 研究目的9
• 1.2 国内外相关研究9-10
• 1.3 研究方法、技术路径10-11
• 1.3.1 研究方法10-11
• 1.3.2 技术路线11
• 1.4 主要研究内容11-13
• 1.4.1 研究内容11-12
• 1.4.2 创新点12-13
• 1.4.3 主要的不足13
• 1.5 本章小结13-14
• 第二章 数学模型简介14-22
• 2.1 污水生物处理技术简介14-15
• 2.1.1 污水生物处理工艺流程14
• 2.1.2 曝气过程14-15
• 2.1.3 沉淀池15
• 2.2 静态过程模型15-17
• 2.2.1 反应机理15-16
• 2.2.2 模型简介16-17
• 2.3 动态过程模型17-18
• 2.3.1 反应机理17
• 2.3.2 模型简介17-18
• 2.4 硝化反应与反硝化反应过程模型18-21
• 2.4.1 反应机理18-19
• 2.4.2 模型简介19-21
• 2.5 本章小结21-22
• 第三章 静态过程的曝气控制研究22-34
• 3.1 模型的线性化22-24
• 3.2 控制律的设计24-28
• 3.2.1 连续控制律的设计24-26
• 3.2.2 PAM 控制律的设计26-28
• 3.2.3 PWM 控制律的设计28
• 3.3 仿真研究28-33
• 3.3.1 控制器的设计29-31
• 3.3.2 与其它控制方法的比较31-33
• 3.4 本章小结33-34
• 第四章 动态过程的曝气控制研究34-42
• 4.1 模型的线性化34-35
• 4.2 控制律的设计35-36
• 4.2.1 连续控制律的设计35-36
• 4.2.2 PAM 和 PWM 控制律的设计36
• 4.3 仿真研究36-41
• 4.3.1 控制器的设计36-39
• 4.3.2 与其它控制方法的比较39-41
• 4.4 本章小结41-42
• 第五章 硝化反应与反硝化反应过程的曝气控制研究42-52
• 5.1 模型的线性化42-43
• 5.2 控制律的设计43-45
• 5.2.1 连续控制律、PAM 控制律的设计43
• 5.2.2 改进 PWM 控制方法的提出43-45
• 5.3 仿真研究45-51
• 5.3.1 控制器的设计46-48
• 5.3.2 与其它控制方法的比较48-51
• 5.4 本章小结51-52
• 第六章 带输入限制的 PWM 控制方法的研究52-62
• 6.1 带输入限制的PWM控制方法的提出52
• 6.2 带输入限制的PWM控制器的设计52-56
• 6.2.1 近似符号函数的介绍52-53
• 6.2.2 输入限制器的设计53-56
• 6.3 仿真研究56-61
• 6.3.1 控制器的设计56-60
• 6.3.2 带输入限制的 PWM 控制方法与 PWM 控制方法的比较60-61
• 6.4 本章小结61-62
• 第七章 主要结果与展望62-64
• 7.1 研究结论62
• 7.2 研究展望62-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-68
• 附录一：作者在攻读硕士学位期间发表的论文68

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