污水处理过程曝气系统节能优化控制策略研究

【摘要】曝气系统是活性污泥和生物接触氧化等污水好氧生物处理过程的关键环节,也是主要的耗能单元。由于溶解氧过程存在非线性、时变等特性,难以精确建模,所以在采用传统控制策略的曝气系统中,常出现溶解氧浓度控制精度不高,设定值较大和能耗较高等问题。针对这些特点及存在问题,论文进行了曝气系统节能优化控制策略的研究。首先,对曝气系统的控制策略进行了总结和分类,分析了相关节能原理。运用化学反应物料平衡方程,结合污水处理厂进水流量和浓度的变化规律建立了溶解氧过程的机理模型。针对溶解氧在线测量仪存在的滞后时间长和响应时间长等问题,通过研究溶解氧在线测量仪的动态响应特性,建立了溶解氧反馈值的预测模型。其次,针对ON-OFF控制波动较大,出水不能时时达标,鼓风机基本处于最大负荷,能耗较高等问题,通过降低电机转速和调整ON-OFF控制的动作阈值逐步进行优化。对优化经验进行总结,提出了模糊ON-OFF控制。仿真研究表明,采用模糊ON-OFF控制策略后,启停次数减少,可以做到出水时时达标,节能1.01%。然后,针对固定参数的PID控制器,很难保证溶解氧过程控制作用的时时最优,导致溶解氧浓度设定值较高,能耗较高等问题,通过模糊推理在线整定PID参数,提高了控制精度,改善了系统稳态性能,并用氨氮模糊前馈控制策略来对设定值进行优化,达到了节能28.3%的效果。最后,针对溶解氧过程在基于模型的控制方面研究较少的问题,运用渐消记忆递推最小二乘法进行模型在线辨识,对溶解氧过程的广义预测控制进行了研究。虽然广义预测控制比模糊自适应PID控制的电耗指标减少不多,但从长期来看广义预测控制还是要相对节能一些。研究过程中发现,柔化因子α和预测步长p的取值与通常有所不同,甚至与经验取法相反。因此,当广义预测控制应用于大时变系统或控制模型不精确时,参数的经验取值需要进行修正,应扩展至最大范围。这也对广义预测控制的参数整定问题进行了补充和完善。
【作者】薛生辉；
【导师】薛美盛；
【作者基本信息】中国科学技术大学，控制理论与控制工程，2014，硕士
【关键词】污水处理；曝气系统；节能优化；溶解氧；ON-OFF控制；PID控制；广义预测控制；

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