基于活性污泥模型的污水处理过程预测控制方法研究

【摘要】： 活性污泥法是污水处理过程的一种有效的方法,得到广泛的研究和应用。随着立法对污水排放标准的严格规定,需要对污水处理过程采用先进的建模和控制技术,以提高出水水质,降低处理能耗。但污水处理过程具有外界干扰剧烈、强非线性等特点,对其建模和控制难度较大。预测控制是工业过程中广泛应用的一种先进控制算法,所以对污水处理过程的预测控制方法研究具有重要意义。本文对基于活性污泥1号模型(ASM1)的污水处理过程Benchmark进行建模方法研究,并且采用广义预测控制策略进行优化控制。 本文首先采用聚类多模型建模策略,建立了污水处理过程的多线性模型表达;然后采用多变量广义预测控制策略,分别对干扰恒定时的设定值追踪控制以及干扰波动时的定值控制进行模拟仿真;考虑到污水处理过程不确定性,采用自适应策略进行多模型同时在线校正和特定的单个模型在线校正,以此改善模型的预测精度;由于聚类多模型建模是一种无监督的方式,本文在聚类多模型建模的基础上提出了有监督的多模型建模方法,提高了多模型的建模精度。 根据污水处理过程的实际要求,为了满足氮浓度的排放标准区间要求,研究了污水处理过程的区间广义预测控制策略,把预测控制的常规二次目标转化为带软约束问题的线性优化问题;同时考虑到污水处理的能耗,在出水水质目标之上建立了能耗最小目标,得到了污水处理的多目标预测控制,最后采用分层多目标优化算法进行在线优化求解,得到污水处理过程的多目标预测控制。 考虑到污水处理过程中关键组分测量速度过慢的实际情况,本文结合多速率辨识技术,研究了多速率系统的快速单速率模型参数辨识和采样间输出的估计策略,并且应用所提的策略辨识污泥回流输入-硝态氮浓度输出的快速单速率模型;以此快速单速率模型作为预测模型,分别研究了在输出采样无噪声和有噪声的情况下污水处理过程的广义预测控制。 【关键词】：污水处理过程 活性污泥模型 聚类多模型建模 自适应模型校正 多目标优化 广义预测控制 多速率辨识
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 引言9-10
• 1.2 活性污泥模型研究现状10-12
• 1.2.1 活性污泥模型的建立10-11
• 1.2.2 活性污泥模型的简化11
• 1.2.3 活性污泥模型Benchmark的建立11-12
• 1.3 污水处理过程的控制研究12-16
• 1.3.1 污水处理过程的控制方式选择12-13
• 1.3.2 污水处理过程的控制策略研究13-16
• 1.4 研究内容和章节安排16-19
• 第二章 污水处理过程的Benchmark以及预测控制算法介绍19-31
• 2.1 引言19
• 2.2 活性污泥1号模型ASM1介绍19-22
• 2.2.1 污水处理过程中的反应池动态特性20-21
• 2.2.2 污水处理过程中的沉淀池动态特性21-22
• 2.3 活性污泥法污水处理过程工艺简介22-24
• 2.3.1 基于A2/O工艺的污水处理过程Benchmark介绍23
• 2.3.2 污水处理过程干扰形式23-24
• 2.4 广义预测控制算法的介绍24-29
• 2.4.1 MIMO广义预测控制算法实现25-27
• 2.4.2 广义预测控制的约束处理27-29
• 2.5 小结29-31
• 第三章 污水处理过程的预测控制31-49
• 3.1 引言31
• 3.2 非线性系统的多模型建模31-33
• 3.2.1 基于聚类分析的多模型建模32
• 3.2.2 模糊多模型的在线校正32-33
• 3.3 污水处理过程的模糊自适应预测控制33-40
• 3.3.1 多模型模糊自适应在线校正34-36
• 3.3.2 多模型模糊自适应预测控制36-37
• 3.3.3 仿真验证37-40
• 3.4 多模型切换自适应预测控制40-45
• 3.4.1 多模型自适应预测控制41-42
• 3.4.2 多模型切换方法42
• 3.4.3 仿真验证42-45
• 3.5 有监督的多模型建模方法45-48
• 3.5.1 有监督多模型建模方法步骤45-46
• 3.5.2 仿真验证46-48
• 3.6 本章小结48-49
• 第四章 污水处理过程的多目标预测控制49-57
• 4.1 引言49
• 4.2 区间控制与多目标优化49-53
• 4.2.1 区间控制49-51
• 4.2.2 多目标预测控制51-53
• 4.3 污水处理过程中的多目标预测控制53-56
• 4.3.1 污水处理过程的模型建立53
• 4.3.2 污水处理过程的能耗形式53-54
• 4.3.3 污水处理过程的多目标预测控制54-55
• 4.3.4 仿真验证55-56
• 4.4 小结56-57
• 第五章 污水处理过程的多速率控制57-69
• 5.1 引言57-58
• 5.2 多速率模型辨识58-63
• 5.2.1 辅助模型辨识59
• 5.2.2 采样间输出估计和参数辨识59-60
• 5.2.3 仿真验证60-63
• 5.3 污水处理过程中的多速率预测控制63-68
• 5.3.1 污水处理过程的多速率辨识64-66
• 5.3.2 污水处理过程的多速率预测控制66-68
• 5.4 本章小结68-69
• 第六章 总结与展望69-71
• 参考文献71-75
• 致谢75-77
• 作者硕士期间完成的论文与项目情况77

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