一种活性污泥污水处理曝气环节的建模、滑模控制器及其控制方法
【专利摘要】本发明属于自动控制领域，具体涉及一种活性污泥污水处理曝气环节的建模、滑模控制器及其控制方法。该建模和控制方法可求出污水处理曝气环节过程中，任一阶段曝气池中所需溶氧量的大小，从而实现对曝气池中溶氧量的自动化控制，方法包括曝气池生化反应过程的建模和溶氧浓度的滑模控制方法两个部分，本发明提高了活性污泥法污水处理曝气环节的去污能力，提升了处理后的水质，并且溶解氧浓度的实时控制避免了能源的浪费，更加节能。
【专利说明】一种活性污泥污水处理曝气环节的建模、滑模控制器及其 控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属自动控制【技术领域】，具体涉及一种活性污泥污水处理曝气环节的建模、 滑模控制器及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 现如今，环境污染问题已经成为影响人类社会可持续发展的主要问题之一，而在 环境污染问题当中污染最严重的就是水资源的污染，尤其是在发展中国家，水资源的污染 最为严重。目前，对我国而言，淡水资源十分匮乏，但是由于我国工业化过程中某些技术的 不成熟，进一步造成了水资源的污染。迄今为止，加强水资源的治理以及预防水资源的污染 成为世界各国关注的焦点。我国由于人口众多，人均所占有的水资源更为短缺，在我国，造 成水资源污染主要包括两方面原因，一方面是没有经过任何处理或者是经过处理但是没有 达到排放标准的工业废水；另一方面是人们日常生活造成的生活污水。工业废水可以通过 建立严格的监督制度以及加强治理使其排放量减少，但是由于我国生活污水处理技术远远 落后与西方发达国家，生活污水成为造成我国水资源污染的主要因素。因此，提高治理生活 污水的技术以及加强生活污水处理系统的智能控制成为我国改善水资源的污染首先要解 决的问题。
【发明内容】
[0003] 本发明为解决现在城市生活污水处理方法及控制系统的开发方面均比较落后的 问题，提供一种活性污泥污水处理曝气环节的建模、滑模控制器及滑模控制方法。本发明方 法简单易行，具有很好的动态品质和对外部干扰具有很强的适应能力，提高了控制系统对 不确定参数、外界扰动及滞后性的鲁棒性能。
[0004] 本发明通过以下技术方案予以解决：
[0005] -种活性污泥污水处理曝气环节的建模，其特征是包括以下步骤：
[0006] a.采用活性污泥污水处理曝气环节的工艺流程，即废水首先进入初次沉淀池沉 淀，然后在曝气池中进行生物降解，然后在二次沉淀池进行固液分离，分离出上清水排出， 底部污泥部分回流污泥至曝气池，剩余活性污泥处理后排出；
[0007] b.根据活性污泥1号模型（ASM1)和微生物的生长动力学方程、物料平衡定律，将 步骤a中工艺流程建立活性污泥法污水处理曝气环节的数学模型，利用滑模控制器对其进 行智能控制，其数学模型为：
[0008]
[0009] 其中，X是微生物浓度（grVSS/m3)，S是可降解有机物浓度（grB0D5/m3)，0是溶解 氧浓度（gr02/m3)，Xi是进水微生物浓度（grVSS/m3)，Si是进水底物的浓度（grD0B 5/m3)，p : 表示的是微生物的最大比增长速率（2/day)，ks是半速度常数（grB0D5/m3)，k。是半饱和系 数（2gr02/m3)，kd是子衰减系数（0. 05/day), Q是进水流量（m3/day)，V表示的是曝气池的 体积（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浓缩系数，f是联系 有机物与需氧量的一个因子（0. 67grB0D5/C0D)，fx是消耗因子（1. 42grC0D/grVSS)，u是曝 气量（gr02/m3day)，Yra是观察生长系数。
[0010] c.在废水进入曝气池初始阶段，可降解有机物浓度高于半速度常数，溶解氧浓度 高于半饱和系数时，对数学模型进行推导简化得到：
[0011]
【权利要求】
1. 一种活性污泥污水处理曝气环节的建模，其特征是包括以下步骤： a. 采用活性污泥污水处理曝气环节的工艺流程，即废水首先进入初次沉淀池沉淀，然 后在曝气池中进行生物降解，然后在二次沉淀池进行固液分离，分离出上清水排出，底部污 泥部分回流污泥至曝气池，剩余活性污泥处理后排出； b. 根据活性污泥1号模型（ASM1)和微生物的生长动力学方程、物料平衡定律，将步骤 a中工艺流程建立活性污泥法污水处理曝气环节的数学模型，利用滑模控制器对其进行智 能控制，其数学模型为：
其中，X是微生物浓度（gr VSS/m3)，S是可降解有机物浓度（gr BOD5/m3)，0是溶解氧 浓度（gr 02/m3)，Xi是进水微生物浓度（gr VSS/m3)，Si是进水底物的浓度（gr DOB5/m3)，6 表示的是微生物的最大比增长速率（2/day)，ks是半速度常数（gr BOD5/m3)，k。是半饱和系 数（2gr 02/m3)，kd是子衰减系数（0. 05/day)，Q是进水流量（m3/day)，V表示的是曝气池的 体积（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浓缩系数，f是联系 有机物与需氧量的一个因子（〇.67gr BOD5/COD)，fx是消耗因子（1.42gr COD/grVSS)，u是 曝气量（gr02/m3day)，Yra是观察生长系数。 c. 在废水进入曝气池初始阶段，可降解有机物浓度高于半速度常数，溶解氧浓度高于 半饱和系数时，对数学模型进行推导简化得到：
其中，S是对溶解氧设置的一个充量系数； d. 随着微生物生化反应的进行，可降解有机物逐渐被消耗，浓度在不断地降低，当可降 解有机物浓度低于半速度常数，溶解氧浓度低于半饱和系数时，数学模型简化为：
e.以底物浓度的大小将活性污泥污水处理系统分为两个阶段，即可降解有机物浓度高 于半速度常数和可降解有机物浓度低于半速度常数，改进的数学模型变换成状态空间表达 式的形式：
其中，
B = [0 0 1]T，C = [0 0 1]，D = 0。
2. 如权利要求1所述的活性污泥污水处理曝气环节的建模，其特征是，在加入不确定、 时滞以及外界干扰因素时，数学模型为：
其中，ΔΑ。、AAd。为系统的不确定性，d为常时滞,w为外界干扰。
3. -种用于权利要求1所述的活性污泥污水处理曝气环节的建模的滑模控制器，其特 征是，建立的数学模型应用滑模控制算法 将建立的数学模型应用滑模控制算法设计活性污泥污水处理曝气环节的滑模控制器， 所述滑模控制器是根据系统所期望的动态特性来设计系统的切换超平面（滑模面），通过 滑模控制器使系统状态从超平面之外向滑模面收敛，系统一旦到达滑模面，控制作用将保 证系统沿滑模面到达系统原点，从而实现对切换数学模型的精确控制，使稳定时间缩短，控 制精度提1?，抗干扰能力和鲁棒性提1? ; 所述滑模控制器包括两部分，其中一部分是等效控制器用于保证从任意状态出发 的系统始终满足滑模到达条件；另一部分是校正控制器％，用于抵消系统中存在的各种不 确定性和外界干扰。 所述滑模控制器的设计，具体步骤为： 所述滑模控制的滑模面的选取S(t) =BTPx(t); 其中B是权利要求2中所建立的数学模型中的输入矩阵，P是正定对称矩阵，X (t)是权 利要求2中所建立的数学模型中的状态向量。 所述滑模控制器的选取：
其中u(t)是滑模控制器，其作用是控制活性污泥污水处理曝气环节溶解氧浓度， = - 7、.（/}，uN = _(入 | |x(t) | l+k+μ )sign(s(t)), λ，k，μ 是正常数，sign(s(t)) 是关于滑模面函数的符号函数。
4. 一种使用权利要求3所述滑模控制器对活性污泥污水处理曝气环节进行滑模控制 的方法，其特征是包括以下步骤： 步骤一，根据ASM1模型和微生物的生长动力学方程、物料平衡定律化简ASM1模型，得 到化简数学模型； 步骤二，根据可降解有机物浓度的高低，将步骤一 ASM1化简数学模型分为两个子系 统，即可降解有机物浓度高于半速度常数子系统和可降解有机物浓度低于半速度常数子系 统； 步骤三，利用切换系统理论将步骤二两个子系统结合为统一的数学模型，不考虑不确 定性、时滞以及外界干扰因素，得到简化数学模型； 步骤四，根据污水处理实际情况，对步骤三简化数学模型，加入不确定性、时滞以及外 界干扰因素，得到切换数学模型； 步骤五，根据步骤四切换数学模型，设计滑模控制器，编写MATLAB滑模控制器子程序； 步骤六，开启上位机和下位机的控制装置，利用组态王DDE通讯，定时在组态王中调用 MATLAB滑模控制器子程序，实现滑模控制，实时在线调整溶解氧浓度； 步骤七，循环执行步骤六，即可得到溶解氧浓度实时控制曲线。
5. 如权利要求4所述的一种对活性污泥污水处理曝气环节进行滑模控制的方法，其 特征是包括以下具体步骤： 滑模控制采用上位机与下位机相结合的控制方式，所述上位机为安装有组态王（简称 组态王）和MATLAB软件（简称MATLAB)的工业计算机，所述的下位机采用西门子公司的 S7-315-2DP PLC，在本曝气环节自动控制过程中，溶氧仪采集的溶解氧浓度信号送给PLC， PLC以变量形式将溶解氧浓度信号送至上位机组态王，上位机组态王利用DDE通讯将其传 给MATLAB，MATLAB运行根据所设计的滑模控制器编写的滑模控制程序，计算所需u (t)控制 量，计算完成后，将u(t)传送给组态王，再由组态王传给PLC，PLC将u(t)转换为0-10V电 压信号，送至变频器MM440,调节输出频率，进而调节鼓风机转速，使溶解氧浓度根据可降解 有机物浓度高低，分别控制在4mg/L和2. 2mg/L。
【文档编号】G06F19/00GK104111618SQ201410231030
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2014年5月28日
【发明者】甄然, 吴学礼, 陈金勇, 张建华 申请人:河北科技大学