多模态自适应模糊控制在污水处理系统中的应用研究

论文摘要

本文的研究工作以重庆市某活性污泥污水处理厂为背景展开。活性污泥污水处理法是世界各国普遍采用的一种污水处理的生物方法,它的原理是利用污泥中微生物的生命活动来清除污水中的污染物质。由于输入水质水量的剧烈变化,以及微生物生长的复杂性,使得该过程具有多变量、非线性、强耦合、大滞后和不确定性等特点,这导致了其过程控制自动化水平的相对落后。为保证处理过程运行良好和提高出水质量,开发和研究新型的控制策略,已经成为污水控制工程领域的重要课题。进行污水处理过程的智能控制研究,不仅可以强化和充实智能控制的理论和应用范围,而且有助于丰富和发展控制理论与方法,可以为非线性、大滞后的复杂系统控制问题提供新的理论方法。本文针对活性污泥法污水处理过程控制中存在的问题,在深入分析前人研究成果的基础上,作了如下几方面工作:首先,在分析活性污泥污水处理系统的内在机理基础上,从活性污泥污水处理系统的实际情况出发,建立了反映溶解氧、活性污泥和底物之间内在关系的数学模型,并利用MATLAB搭建了系统的仿真平台;其次,分析了模糊控制系统的原理和设计步骤,论述了模糊PI控制器及其常见结构,以此为基础,结合活性污泥法污水厂溶解氧控制的特点,设计了基于采用S函数实现比例因子自整定的自适应模糊控制器;最后,针对常规PID控制对污水处理溶解氧控制无法获得满意的控制性能,结合了Bang-Bang控制、比例控制、模糊控制和PI控制几种控制方式的优点,提出了应用于溶解氧控制的多模态自适应模糊控制的控制方案,并进行了仿真验证,证明了该控制方案具有良好的跟踪性和鲁棒性,可以实现溶解氧随进水条件变化的高精度控制,便于灵活调整最优曝气量,实现污水厂节能降耗的目的。论文将多模态控制策略与模糊控制应用于活性污泥污水处理过程中,无论在学术研究方面,还是在工程应用方面,都具有一定的借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 污水处理过程中的建模现状
• 1.3 污水处理过程中的控制方法现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 1.5 本章小结
• 2 活性污泥污水处理系统概述及数学模型的建立
• 2.1 活性污泥污水处理系统
• 2.1.1 活性污泥污水处理方法概述
• 2.1.2 活性污泥污水处理方法的基本流程及原理
• 2.1.3 活性污泥污水处理系统的主要参数
• 2.1.4 污水处理控制策略分析
• 2.2 活性污泥法污水处理反应动力学
• 2.2.1 活性污泥法反应动力学基础
• 2.2.2 活性污泥法各分量反应速率
• 2.3 活性污泥污水处理曝气过程模型的建立及控制方案的选择
• 2.3.1 数学模型的建立
• 2.3.2 控制变量的选择
• 2.3.3 控制方案的选择
• 2.4 本章小结
• 3 系统控制理论
• 3.1 模糊控制的原理
• 3.2 模糊控制的数学基础
• 3.2.1 模糊集合和隶属度函数
• 3.2.2 模糊语言和模糊推理
• 3.3 基本模糊控制器的设计理论
• 3.3.1 模糊控制器的结构设计
• 3.3.2 模糊规则及模糊推理设计
• 3.3.3 精确量模糊化和模糊量精确化
• 3.3.4 模糊控制器论域及比例因子的确定
• 3.4 比例因子对模糊控制系统性能的影响
• 3.5 模糊PI 控制器的几种结构
• 3.6 本章小结
• 4 自适应模糊控制器的设计
• 4.1 自适应模糊控制的优点
• 4.2 自适应模糊控制的几种方法
• 4.3 溶解氧自适应模糊控制器设计
• 4.3.1 基本模糊控制器的设计
• 4.3.2 S 函数实现参数自适应
• 4.3.3 模糊子系统实现参数自适应
• 4.4 本章小结
• 5 系统控制器的设计及仿真
• 5.1 多模态自适应模糊控制器的设计
• 5.2 系统仿真研究
• 5.2.1 系统SIMULINK 仿真模型
• 5.2.2 跟踪阶跃输入时几种控制方案性能比较
• 5.2.3 跟踪不同幅值阶跃输入下的几种控制方案性能比较
• 5.2.4 系统结构参数发生变化时几种控制方案性能比较
• 5.2.5 几种控制方案抗干扰能力比较
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录