一種活性污泥污水處理曝氣環(huán)節(jié)的建模、滑模控制器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于自動控制領(lǐng)域，具體涉及一種活性污泥污水處理曝氣環(huán)節(jié)的建模、滑?？刂破骷捌淇刂品椒āＴ摻：涂刂品椒汕蟪鑫鬯幚砥貧猸h(huán)節(jié)過程中，任一階段曝氣池中所需溶氧量的大小，從而實現(xiàn)對曝氣池中溶氧量的自動化控制，方法包括曝氣池生化反應(yīng)過程的建模和溶氧濃度的滑?？刂品椒▋蓚€部分，本發(fā)明提高了活性污泥法污水處理曝氣環(huán)節(jié)的去污能力，提升了處理后的水質(zhì)，并且溶解氧濃度的實時控制避免了能源的浪費，更加節(jié)能。
【專利說明】一種活性污泥污水處理曝氣環(huán)節(jié)的建模、滑模控制器及其 控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬自動控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種活性污泥污水處理曝氣環(huán)節(jié)的建模、 滑?？刂破骷捌淇刂品椒?。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)如今，環(huán)境污染問題已經(jīng)成為影響人類社會可持續(xù)發(fā)展的主要問題之一，而在 環(huán)境污染問題當(dāng)中污染最嚴(yán)重的就是水資源的污染，尤其是在發(fā)展中國家，水資源的污染 最為嚴(yán)重。目前，對我國而言，淡水資源十分匱乏，但是由于我國工業(yè)化過程中某些技術(shù)的 不成熟，進一步造成了水資源的污染。迄今為止，加強水資源的治理以及預(yù)防水資源的污染 成為世界各國關(guān)注的焦點。我國由于人口眾多，人均所占有的水資源更為短缺，在我國，造 成水資源污染主要包括兩方面原因，一方面是沒有經(jīng)過任何處理或者是經(jīng)過處理但是沒有 達到排放標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)廢水；另一方面是人們?nèi)粘Ｉ钤斐傻纳钗鬯９I(yè)廢水可以通過 建立嚴(yán)格的監(jiān)督制度以及加強治理使其排放量減少，但是由于我國生活污水處理技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn) 落后與西方發(fā)達國家，生活污水成為造成我國水資源污染的主要因素。因此，提高治理生活 污水的技術(shù)以及加強生活污水處理系統(tǒng)的智能控制成為我國改善水資源的污染首先要解 決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明為解決現(xiàn)在城市生活污水處理方法及控制系統(tǒng)的開發(fā)方面均比較落后的 問題，提供一種活性污泥污水處理曝氣環(huán)節(jié)的建模、滑模控制器及滑?？刂品椒ā１景l(fā)明方 法簡單易行，具有很好的動態(tài)品質(zhì)和對外部干擾具有很強的適應(yīng)能力，提高了控制系統(tǒng)對 不確定參數(shù)、外界擾動及滯后性的魯棒性能。
[0004] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以解決：
[0005] -種活性污泥污水處理曝氣環(huán)節(jié)的建模，其特征是包括以下步驟：
[0006] a.采用活性污泥污水處理曝氣環(huán)節(jié)的工藝流程，即廢水首先進入初次沉淀池沉 淀，然后在曝氣池中進行生物降解，然后在二次沉淀池進行固液分離，分離出上清水排出， 底部污泥部分回流污泥至曝氣池，剩余活性污泥處理后排出；
[0007] b.根據(jù)活性污泥1號模型（ASM1)和微生物的生長動力學(xué)方程、物料平衡定律，將 步驟a中工藝流程建立活性污泥法污水處理曝氣環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，利用滑?？刂破鲗ζ溥M 行智能控制，其數(shù)學(xué)模型為：
[0008]
[0009] 其中，X是微生物濃度（grVSS/m3)，S是可降解有機物濃度（grB0D5/m3)，0是溶解 氧濃度（gr02/m3)，Xi是進水微生物濃度（grVSS/m3)，Si是進水底物的濃度（grD0B 5/m3)，p : 表示的是微生物的最大比增長速率（2/day)，ks是半速度常數(shù)（grB0D5/m3)，k。是半飽和系 數(shù)（2gr02/m3)，kd是子衰減系數(shù)（0. 05/day), Q是進水流量（m3/day)，V表示的是曝氣池的 體積（m3)，Qw表示排出污泥的流量（m 3/day)，C是二次沉淀池中污泥的濃縮系數(shù)，f是聯(lián)系 有機物與需氧量的一個因子（0. 67grB0D5/C0D)，fx是消耗因子（1. 42grC0D/grVSS)，u是曝 氣量（gr02/m3day)，Yra是觀察生長系數(shù)。
[0010] c.在廢水進入曝氣池初始階段，可降解有機物濃度高于半速度常數(shù)，溶解氧濃度 高于半飽和系數(shù)時，對數(shù)學(xué)模型進行推導(dǎo)簡化得到：
[0011]

【權(quán)利要求】
1. 一種活性污泥污水處理曝氣環(huán)節(jié)的建模，其特征是包括以下步驟： a. 采用活性污泥污水處理曝氣環(huán)節(jié)的工藝流程，即廢水首先進入初次沉淀池沉淀，然 后在曝氣池中進行生物降解，然后在二次沉淀池進行固液分離，分離出上清水排出，底部污 泥部分回流污泥至曝氣池，剩余活性污泥處理后排出； b. 根據(jù)活性污泥1號模型（ASM1)和微生物的生長動力學(xué)方程、物料平衡定律，將步驟 a中工藝流程建立活性污泥法污水處理曝氣環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，利用滑?？刂破鲗ζ溥M行智 能控制，其數(shù)學(xué)模型為：
其中，X是微生物濃度（gr VSS/m3)，S是可降解有機物濃度（gr BOD5/m3)，0是溶解氧 濃度（gr 02/m3)，Xi是進水微生物濃度（gr VSS/m3)，Si是進水底物的濃度（gr DOB5/m3)，6 表示的是微生物的最大比增長速率（2/day)，ks是半速度常數(shù)（gr BOD5/m3)，k。是半飽和系 數(shù)（2gr 02/m3)，kd是子衰減系數(shù)（0. 05/day)，Q是進水流量（m3/day)，V表示的是曝氣池的 體積（m3)，Q w表示排出污泥的流量（m3/day)，C是二次沉淀池中污泥的濃縮系數(shù)，f是聯(lián)系 有機物與需氧量的一個因子（〇.67gr BOD5/COD)，fx是消耗因子（1.42gr COD/grVSS)，u是 曝氣量（gr02/m3day)，Yra是觀察生長系數(shù)。 c. 在廢水進入曝氣池初始階段，可降解有機物濃度高于半速度常數(shù)，溶解氧濃度高于 半飽和系數(shù)時，對數(shù)學(xué)模型進行推導(dǎo)簡化得到：
其中，S是對溶解氧設(shè)置的一個充量系數(shù)； d. 隨著微生物生化反應(yīng)的進行，可降解有機物逐漸被消耗，濃度在不斷地降低，當(dāng)可降 解有機物濃度低于半速度常數(shù)，溶解氧濃度低于半飽和系數(shù)時，數(shù)學(xué)模型簡化為：
e.以底物濃度的大小將活性污泥污水處理系統(tǒng)分為兩個階段，即可降解有機物濃度高 于半速度常數(shù)和可降解有機物濃度低于半速度常數(shù)，改進的數(shù)學(xué)模型變換成狀態(tài)空間表達 式的形式：
其中，
B = [0 0 1]T，C = [0 0 1]，D = 0。
2. 如權(quán)利要求1所述的活性污泥污水處理曝氣環(huán)節(jié)的建模，其特征是，在加入不確定、 時滯以及外界干擾因素時，數(shù)學(xué)模型為：
其中，ΔΑ。、AAd。為系統(tǒng)的不確定性，d為常時滯,w為外界干擾。
3. -種用于權(quán)利要求1所述的活性污泥污水處理曝氣環(huán)節(jié)的建模的滑?？刂破鳎涮?征是，建立的數(shù)學(xué)模型應(yīng)用滑?？刂扑惴?將建立的數(shù)學(xué)模型應(yīng)用滑?？刂扑惴ㄔO(shè)計活性污泥污水處理曝氣環(huán)節(jié)的滑?？刂破?， 所述滑?？刂破魇歉鶕?jù)系統(tǒng)所期望的動態(tài)特性來設(shè)計系統(tǒng)的切換超平面（滑模面），通過 滑模控制器使系統(tǒng)狀態(tài)從超平面之外向滑模面收斂，系統(tǒng)一旦到達滑模面，控制作用將保 證系統(tǒng)沿滑模面到達系統(tǒng)原點，從而實現(xiàn)對切換數(shù)學(xué)模型的精確控制，使穩(wěn)定時間縮短，控 制精度提1?，抗干擾能力和魯棒性提1? ; 所述滑?？刂破靼▋刹糠?，其中一部分是等效控制器用于保證從任意狀態(tài)出發(fā) 的系統(tǒng)始終滿足滑模到達條件；另一部分是校正控制器％，用于抵消系統(tǒng)中存在的各種不 確定性和外界干擾。 所述滑?？刂破鞯脑O(shè)計，具體步驟為： 所述滑模控制的滑模面的選取S(t) =BTPx(t); 其中B是權(quán)利要求2中所建立的數(shù)學(xué)模型中的輸入矩陣，P是正定對稱矩陣，X (t)是權(quán) 利要求2中所建立的數(shù)學(xué)模型中的狀態(tài)向量。 所述滑?？刂破鞯倪x?。?br> 其中u(t)是滑模控制器，其作用是控制活性污泥污水處理曝氣環(huán)節(jié)溶解氧濃度， = - 7、.（/}，uN = _(入 | |x(t) | l+k+μ )sign(s(t)), λ，k，μ 是正常數(shù)，sign(s(t)) 是關(guān)于滑模面函數(shù)的符號函數(shù)。
4. 一種使用權(quán)利要求3所述滑?？刂破鲗钚晕勰辔鬯幚砥貧猸h(huán)節(jié)進行滑模控制 的方法，其特征是包括以下步驟： 步驟一，根據(jù)ASM1模型和微生物的生長動力學(xué)方程、物料平衡定律化簡ASM1模型，得 到化簡數(shù)學(xué)模型； 步驟二，根據(jù)可降解有機物濃度的高低，將步驟一 ASM1化簡數(shù)學(xué)模型分為兩個子系 統(tǒng)，即可降解有機物濃度高于半速度常數(shù)子系統(tǒng)和可降解有機物濃度低于半速度常數(shù)子系 統(tǒng)； 步驟三，利用切換系統(tǒng)理論將步驟二兩個子系統(tǒng)結(jié)合為統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，不考慮不確 定性、時滯以及外界干擾因素，得到簡化數(shù)學(xué)模型； 步驟四，根據(jù)污水處理實際情況，對步驟三簡化數(shù)學(xué)模型，加入不確定性、時滯以及外 界干擾因素，得到切換數(shù)學(xué)模型； 步驟五，根據(jù)步驟四切換數(shù)學(xué)模型，設(shè)計滑模控制器，編寫MATLAB滑模控制器子程序； 步驟六，開啟上位機和下位機的控制裝置，利用組態(tài)王DDE通訊，定時在組態(tài)王中調(diào)用 MATLAB滑模控制器子程序，實現(xiàn)滑?？刂?，實時在線調(diào)整溶解氧濃度； 步驟七，循環(huán)執(zhí)行步驟六，即可得到溶解氧濃度實時控制曲線。
5. 如權(quán)利要求4所述的一種對活性污泥污水處理曝氣環(huán)節(jié)進行滑?？刂频姆椒ǎ?特征是包括以下具體步驟： 滑?？刂撇捎蒙衔粰C與下位機相結(jié)合的控制方式，所述上位機為安裝有組態(tài)王（簡稱 組態(tài)王）和MATLAB軟件（簡稱MATLAB)的工業(yè)計算機，所述的下位機采用西門子公司的 S7-315-2DP PLC，在本曝氣環(huán)節(jié)自動控制過程中，溶氧儀采集的溶解氧濃度信號送給PLC， PLC以變量形式將溶解氧濃度信號送至上位機組態(tài)王，上位機組態(tài)王利用DDE通訊將其傳 給MATLAB，MATLAB運行根據(jù)所設(shè)計的滑?？刂破骶帉懙幕？刂瞥绦?，計算所需u (t)控制 量，計算完成后，將u(t)傳送給組態(tài)王，再由組態(tài)王傳給PLC，PLC將u(t)轉(zhuǎn)換為0-10V電 壓信號，送至變頻器MM440,調(diào)節(jié)輸出頻率，進而調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速，使溶解氧濃度根據(jù)可降解 有機物濃度高低，分別控制在4mg/L和2. 2mg/L。
【文檔編號】G06F19/00GK104111618SQ201410231030
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】甄然, 吳學(xué)禮, 陳金勇, 張建華 申請人:河北科技大學(xué)