污水处理中溶解氧的部分内模控制.pdf

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1、574化工自动化及仪表第40卷污水处理中溶解氧的部分内模控制王鹏1张井岗1张卫东2(1．太原科技大学自动化系，太原030024；2．上海交通大学自动化系，上海200030)摘要针对污水处理中的不确定参数和不稳定问题，采用改进的内模控制，对变参数活性污泥法污水处理系统的溶解氧浓度进行控制，并对控制器参数进行优化。仿真结果表明：该方法可以快速逼近溶解氧的给定值，并具有较强的抗扰性和鲁棒性。关键词活性污泥水处理系统改进的内模控制溶解氧浓度优化中图分类号TH862+．5l文献标识码A文章编号1000-393

2、2(2013)05-0574-04活性污泥处理工艺在工业污水和生活废水的处理中被广泛应用，该工艺中溶解氧的浓度是污水处理效果的主要影响因素，溶解氧浓度的控制直接关系到排放水是否达标及能耗等一系列问题。目前，对溶解氧的控制大多采用模糊控制方法，该方法依赖于专家经验⋯；采用模糊神经网络控制时，控制器设计复杂旧3；采用鲁棒控制方法，在控制不稳定对象时需要使用状态反馈，工业实际中难以实现¨1。在此，提出一种改进的内模控制方法(PartialInternalModelControl，PIMC)——部分内模控制

3、⋯，根据Youla参数化方法改进控制器h6

4、，以期直接控制不稳定系统，通过参数化控制器，根据H。指标优化控制器参数，得到最优控制器，最后对活性污泥污水处理系统进行仿真。1系统模型活性污泥处理系统主要由曝气池、曝气系统、二沉池、污泥回流系统和剩余污泥排放系统组成，其工艺流程如图1所示。回流污泥图1活性污泥法污水处理流程DD——溶解氧；Q；——进水污质的流量，n13／d；Q，——回流污质的流量，in3／d；Q。——污质的流量，In3／d；s——曝气池中底物质量浓度，gBOD，／m3；Si——进水中底物的

5、浓度，gBOD，／m3；卜反应器体积，in3；z——曝气池中微生物的质量浓度，gVSS／m3；x，——出水中微生物的质量浓度，gVSS／m3对于如图1所示的活性污泥法污水处理系统，可做如下假设：微生物为非自养，其生长率大于死亡率并满足Monod方程；二沉池无生化反应；回流污泥影响污泥龄和产率系数；进水生物量Xi=0，完全沉淀后的生物量X。=0；有机底物的饱和常数K。《．s；此处仅研究系统的硝化反应¨1。基于上述假设，根据物料平衡定律可以得到系统的状态方程：警叱。喝一c--争Qv")x枷警=一争一号s

6、+号s。塑：!世芒#盟x制+。dt／yoh。⋯⋯收稿日期：2013-01-05(修改稿)基金项目：国家自然科学基金资助项目(61034008)第5期王鹏等．污水处理中溶解氧的部分内模控制575式中C——二沉池浓度因子；，——联系有机物和需氧量的因子，grBOD5／grCOD；六——消耗因子，grCOD／grVSS；K——内在迟滞系数，0．05／d；0——混合液中溶解氧的浓度，g0：／m’；Q——流量，m3／d；Ⅱ——曝气量，g02／m3·d‘8

7、；u。——混合液中溶解氧的浓度，g0：／m3·d；y—

8、—产率系数，gVSS／gBOD5；y0。。——观察到的生长系数。对溶解氧设置一冲量系数6，选取曝气量u为控制量，溶解氧浓度0(t)作为被控量一1。2控制系统2。1结构内模控制不能直接用于不稳定系统的控制，因而笔者采用改进的内模控制方法¨o，用以直接控制不稳定对象，其结构如图2所示。图2改进的内模控制结构图2中，G为不稳定系统，设Ai一和A，+为不稳定过程的稳定和不稳定极点，则G可以分解为：∞，=至警≠寻+至警南㈩其中，Re(A；一)10；Ⅳ^f和Ⅳ．广是极点Ai-和A『+的重数。定

9、义：川加善I篁南n一“lnc一(s)=∑∑_—鲁可l=‘=If■一jI。引加薹警芒寿G+(s)=∑∑_—‰』=l‘=l(s一^．J(3)(4)部分内模控制结构中，G=G一+G+，G=G一，则输入、输出关系变为：y=蔫觜％r+并崭等G㈤d㈣2再可百丽酉HT而两丽了叭5’口p’输入与输出的误差为：。：!=生：!12茎!12，一!二垒：!12丝!12d1+G+(s)K(s)l+G+(s)X(s)上式表明，当G=G一时，只有不稳定部分G+在回路中，并且可以用控制器K来稳定；当G稳定时，G+=0，G=G一=G

10、，即部分内模控制变为内模控制。2．2控制器控制器的设计需要满足：反馈系统达到内稳定；实际所需要的渐进性能和动态性能；包含r(s)和d(s)不稳定部分最小公分母的逆。定理一在部分内模控制系统中，当且仅当K能稳定G+时，控制系统是内稳定的H1。定理二对单位反馈系统，如果对象的传递函数为P，使反馈系统达到内稳定的所有控制器的集合为：{譬絮IQ∈H。}(6)‘l，一ⅣO一。’、7其中对象的传递函数P=面N，Ⅳ和肘是日。中的互质分解，且XN+YM=1，X、Y∈日。，Q=Q(o)