基于ASM1活性污泥污水处理过程的建模与控制问题研究

发布时间：2017-08-23 01:00

  本文关键词：基于ASM1活性污泥污水处理过程的建模与控制问题研究

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【摘要】：活性污泥污水处理过程采用脱氮除磷的化学方法减少污水中的氮化合物,从而达到净化污水的目的。一般工业污水处理上采用A/O工艺进行脱氮除磷过程,A/O工艺装置由两个厌氧池和三个好氧池、一个二沉池、一个外回路以及一个内回路共同组合而成。本文在国际标准BSM1模型的基础上,研究了活性污泥污水处理过程的数学建模与控制器设计问题。首先总结了污水处理技术的国内外研究现状,分析了污水处理控制策略。然后介绍了BSM1仿真模型的搭建过程,其中包括厌氧池仿真平台搭建、好氧池仿真平台搭建以及二沉池仿真平台的搭建。根据Monod方程给出了ASM1模型13种组成成分所满足的微分方程组,并依据13维的微分方程组搭建起BSM1模型的Simulink仿真平台,为污水处理控制问题分析奠定基础。其次,根据搭建起的BSM1仿真模型,设计了污水处理的PID控制器。首先选取研究对象为第一个好氧池Tank 3,选取被控变量和输入变量分别为出水溶解氧浓度和入水溶解氧浓度,分析了控制器的性能指标要求,并根据该指标要求设计了连续PID控制器。然后按照传统PID控制器参数的整定方法,给出连续PID的时间参数。针对活性污泥污水处理系统存在的大时滞现象,设计了污水处理数字PID控制器。分别采用两种方式来搭建数字PID模型,一种是采用Simulink模型中定义的数字PID控制模块,另一种是编写S-Function程序来模拟数字PID控制器工作,并将自定义的数字PID控制模块嵌入到Tank 3模型中去以实现相应的控制效果。然后,考虑到BSM1模型具有的强非线性和强耦合性的特点,基于模糊理论建立了系统的模糊控制模型,为便于分析,将模型进行相应的处理得到简化的10维状态空间模型。在分析该模型的可观性和可控性的基础上,通过一个等效传递函数的状态空间模型,对其进行状态空间反馈控制器设计从而获得的理想的出水溶解氧浓度曲线。将此输出信号作为Tank 3系统的输入,引入PID控制器,实现了Tank 3输出信号时刻跟踪理想线号的目的。这样既避免了为复杂的Tank 3系统设计状态反馈控制器的问题,又达到了理想的控制效果。最后,研究了污水处理的鲁棒控制器设计问题以减轻干扰变量的波动对系统输出的影响。建立了污水处理鲁棒控制分析用的状态方程模型,给出了基于线性矩阵不等式方法设计的鲁棒状态反馈控制器。仿真结果表明所设计的鲁棒控制器显著提高了系统的鲁棒性,减轻了干扰变量的波动对输出变量的影响。
【关键词】：活性污泥污水处理 BSM1 PID控制 状态空间反馈 鲁棒控制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703;TP273
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 课题背景与研究意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-17
• 1.2.1 国内污水处理技术简介11-14
• 1.2.2 国内污水水质标准14-15
• 1.2.3 Monod方程式15
• 1.2.4 ASM1模型简介15-17
• 1.3 污水处理控制概况17-19
• 1.3.1 控制输入量17-18
• 1.3.2 主要控制策略18-19
• 1.4 本文的主要研究内容19-20
• 第2章 基于BSM1的Simulink模型仿真平台搭建20-38
• 2.1 引言20-21
• 2.2 A/O工艺结构21-22
• 2.3 ASM1模型22-33
• 2.3.1 ASM1模型的组成部分22-23
• 2.3.2 ASM1模型反应过程和Simulink仿真模型搭建23-33
• 2.4 活性污泥污水处理模型的二沉池SIMULINK仿真33-37
• 2.5 本章小结37-38
• 第3章 活性污泥污水处理系统的PID控制38-47
• 3.1 PID控制分析38
• 3.2 系统输入和被控对象38-39
• 3.3 控制器设计指标39-41
• 3.4 连续PID控制器参数整定41-43
• 3.5 数字PID控制器设计43-46
• 3.6 本章小结46-47
• 第4章 好氧污水处理池Tank 3 的模型简化与控制47-64
• 4.1 引言47
• 4.2 模糊建模基础47-48
• 4.2.1 模糊模型的分类47-48
• 4.2.2 常用的模糊建模方法48
• 4.3 生化反应池中COD建模48-57
• 4.3.1 模糊模型的结构辨识49-52
• 4.3.2 模糊模型的参数辨识52-54
• 4.3.3 辨识结果及分析54-57
• 4.4 TANK3 模型分析57-59
• 4.5 等效传递函数的状态空间模型构建59-61
• 4.6 TANK3 系统控制目标分析61-63
• 4.7 本章小结63-64
• 第5章 好氧污水处理池Tank 3 的鲁棒控制64-69
• 5.1 必要性分析64
• 5.2 TANK 3 系统的鲁棒状态空间方程64-66
• 5.3 TANK 3 系统鲁棒控制器设计66-68
• 5.4 本章小结68-69
• 结论69-71
• 参考文献71-76
• 致谢76

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本文编号：722035