[发明专利]基于非线性模型预测的污水处理过程多目标控制方法

说明书

技术领域

本发明利用基于非线性模型预测控制方法实现污水处理过程中溶解氧(DO)和硝态氮(S_NO)浓度的控制，溶解氧(DO)和硝态氮(S_NO)的浓度直接决定了污水处理的效果，对出水水质和能耗有着重要影响。污水处理过程中溶解氧(DO)和硝态氮(S_NO)的控制作为污水处理的重要环节，是先进制造技术领域的重要分支，既属于控制领域，又属于水处理领域。

背景技术

随着国民经济的增长和公众环保意识的增强，污水处理自动化技术迎来了前所未有的发展机遇。国家中长期科技发展规划中提出要研究并推广高效、低能耗的污水处理新技术。因此，本发明的研究成果具有广阔的应用前景。

硝化反应过程是在有氧条件下发生的，溶解氧浓度的大小直接影响了硝化反应进程，溶解氧浓度变大时，系统中出水氨氮和总氮的浓度就会呈下降趋势，但是当溶解氧浓度达到一定值时，出水中的氨氮的变化幅度就减弱了，而且总氮也受硝态氮的影响，硝态氮增加时，总氮浓度也会升高。同时，反硝化反应过程是在缺氧环境下进行的，缺氧区的硝态氮浓度是衡量脱氮效果的重要指标，它反映了反硝化反应过程的进程，将硝态氮浓度控制在一个合适的范围内，能够提高反硝化反应的潜力。因此，对曝气池中溶解氧和硝态氮的控制非常重要，需要将溶解氧和硝态氮浓度控制在一定范围内，才能高效利用硝化反应的潜力。

传统的开关控制或者PID控制，虽然是当前应用较为广泛的控制方法，但是由于氧气的溶解过程受入水水质、温度和pH值等方面的影响，具有高度非线性、强耦合性、时变、大滞后和不确定性等特点。采用传统的开关控制或者PID控制方法自适应能力较差，往往不能取得理想的控制效果。同时，由于污水处理过程具有滞后特性，精确表述控制变量与控制目标之间的关系十分困难。目前，污水处理过程模型结构复杂、待整定参数过多，可辨识性差，不能动态地反应出操作变量与控制目标之间的蕴含关系，无法用于在线控制。另外，污水中污染物的数量多、含量各异，对检测是一大挑战。因此，必须寻求新的控制方法，以满足污水处理过程控制的需要。优良的控制可以节省污水处理运行费用，同时也是减少和应对异常工况发生、保障污水处理过程正常运行的关键。此外，通过提高污水处理过程自动化水平，还可以有效地减少运行管理和操作人员，降低运行费用。

本发明设计了一种基于非线性模型预测的多目标控制方法，通过构建污水处理过程模型，利用模型预测的方法实现对污水处理过程中溶解氧(DO)和硝态氮(S_NO)的在线控制。

发明内容

本发明获得了一种溶解氧(DO)和硝态氮(S_NO)浓度的控制方法，该控制器基于非线性模型预测的方法，通过构建污水处理过程的模型，分析污水处理过程，同时利用模型预测的控制方法提高控制能力；解决了控制器根据环境自动调整的问题，通过控制污水处理过程中的曝气量和内循环回流量从而达到控制DO和S_NO浓度的目的；提高了污水处理过程中DO和S_NO控制的精度，保障污水处理过程正常运行；

本发明采用了如下的技术方案及实现步骤：

1.基于非线性模型预测的溶解氧DO和硝态氮S_NO控制方法的设计，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定控制对象；本发明主要针对序批式间歇活性污泥系统中溶解氧和硝态氮进行控制，以曝气量和内循环回流量为控制量，溶解氧和硝态氮浓度为被控量；

(2)设计用于污水处理过程中溶解氧和硝态氮模型预测控制方法的多目标函数