基于差分进化算法的污水处理过程控制及优化

【摘要】：随着我国现代化进程的不断深入，环境问题日益凸显，尤其是工业废水和城市生活污水的排放，严重制约着我国走可持续发展的道路。我国的污水处理发展较晚，相应的技术也比较落后。对比国外发达国家，我国的污水处理出现了运行费用高而处理效果差的局面。因此，提高污水处理过程的自动化和信息化水平，对监控污水处理效果，降低运营成本具有重要的意义。 课题以国内某酒厂污水处理为背景，根据污水水质特征和控制需求，以LabVIEW为上位机监控软件，以西门子S7-300PLC为下位机，结合现场总线及先进仪表，设计了一套污水处理智能监控系统。系统以西门子工控机作为上位机，通过西门子SIMATIC.NET建立OPC服务器，利用LabVIEW驱动西门子通讯卡，使得工控机与下位机PLC进行双向数据交互，数据库采用SQL Server2005以存储大量数据，实现了污水处理过程的自动化控制，达到了“集中管理，分散控制，数据共享”的目的。 从污水处理工艺及监控系统实现过程中，深入了解污水处理过程是一个极其复杂的动态过程。因此，以该监控系统中的污水生物处理环节为对象进行了优化控制的研究。对于这一类优化问题，目前常采用遗传算法、粒子群算法进行求解，并具有较好的优化效果。本文中采用了一种新的启发式全局搜索技术——差分进化算法。首先，在分析基本差分进化算法基础上，对算法性能进行改进，引入了自适应变异算子，在进化初期变异率较大，保证算法朝最优的方向进化，随着迭代次数的增加逐步降低变异率，避免最优解遭到破坏，并选取一类非线性模型系统进行了算例仿真与性能测试。验证了差分进化算法对于该优化问题的有效性。其次，将基本差分进化及其改进算法应用于污水生物处理环节的优化控制问题中，以影响处理效果和运行费用的溶解氧浓度(DO)和污泥排放量(Q w)为控制变量，以污水处理运行费用为性能指标，以排放口水质为约束条件。运用基本差分进化及其改进算法求解主控参数的最优控制规律，获得优化控制曲线，使污水处理运行费用降到最低。仿真结果表明，基本差分进化及其改进算法都具有良好的寻优效果，获得的优化曲线走势也是一致的，只是改进算法输出的优化曲线较基本算法输出的优化曲线更为平滑，体现了改进算法的优越性。 【关键词】：污水处理 软硬件设计 差分进化算法 优化控制
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 绪论7-13
• 1.1 课题背景及研究意义7-8
• 1.1.1 课题背景7-8
• 1.1.2 研究意义8
• 1.2 国内外污水处理技术发展现状8-10
• 1.3 污水处理过程控制存在的问题10
• 1.4 论文主要研究内容10-13
• 第二章 污水处理过程控制系统的设计与实现13-29
• 2.1 污水处理工艺流程13-15
• 2.2 系统结构框图15-16
• 2.3 污水处理控制系统硬件设计16-18
• 2.3.1 系统硬件配置16-17
• 2.3.2 系统电气原理设计17-18
• 2.4 数据网络的通讯18-23
• 2.4.1 上位机与 S7-300 PLC 的通讯18-21
• 2.4.2 上位机与智能仪表的通讯21-23
• 2.5 污水处理控制系统软件设计23-27
• 2.5.1 系统上位机功能设计23-24
• 2.5.2 系统上位机界面设计24-27
• 2.6 小结27-29
• 第三章 差分进化算法及其改进29-41
• 3.1 差分进化算法基本原理29-30
• 3.2 基于差分进化算法的一类非线性系统参数辨识30-35
• 3.2.1 Wiener 非线性模型30-31
• 3.2.2 算法步骤及仿真31-35
• 3.3 改进差分进化算法及性能分析35-39
• 3.3.1 改进的差分进化算法35-36
• 3.3.2 算法步骤及仿真36-39
• 3.4 小结39-41
• 第四章 基于差分进化算法的污水处理优化控制41-55
• 4.1 污水处理优化控制的数学模型41-45
• 4.1.1 基本状态方程41-43
• 4.1.2 基本性能指标43-44
• 4.1.3 约束条件44-45
• 4.2 污水处理优化控制差分进化算法的设计与实现45-53
• 4.2.1 算例描述45-46
• 4.2.2 DO对运行费用的影响46-47
• 4.2.3 基本差分进化算法的仿真研究47-51
• 4.2.4 改进差分进化算法的仿真研究51-53
• 4.3 小结53-55
• 主要结论与展望55-57
• 主要结论55
• 展望55-57
• 致谢57-59
• 参考文献59-63
• 附录: 作者在攻读硕士学位期间发表的论文63

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