农业灌溉再生水处理过程溶解氧控制研究 4页

2014年第2期工业仪表与自动化装置·3·农业灌溉再生水处理过程溶解氧控制研究杜先君(兰州理工大学电气工程与信息工程学院，兰州730050)摘要：为了使污水处理后的再生水可以安全的应用于农业灌溉，采用模型预测控制的方法对活性污泥法污水生物处理过程中的溶解氧进行有效控制。一般认为，溶解氧浓度在2mg／L等级下，活性污泥过程去除有机污染物的效果最佳。通过Benchmark数据仿真验证，模型预测控制方法在响应速度、减小超调等性能上都要优于传统的PI控制方法，为保证再生水质指标达到灌溉标准有着现实指导意义。关键词：再生水；溶解氧；模型预测控制；农业灌溉中图分类号：$273．5文献标志码：A文章编号：1000—0682(2014)02—0003—04DissolvedoxygencontrolofreclaimedwaterforagriculturalirrigationDUXianjun(CollegeofElectricalandInformationEngineering，LanzhouUniversityofTechnology，Lanzhou730050，China)Abstract：Inordertoreclaimedwateraftersewagetreatmentcanbesafelyusedinagriculturalirriga—tion，usingmodelpredictivecontrolmethodfortheeffectivecontrolofdissolvedoxygenactivatedsludgeinbiologicalwastewatertreatmentprocess．Generally，theconcentrationofdissolvedoxygenat2mg／Llevelsofactivatedsludgeprocess，theremovaloforganicpollutantsisbest．ThroughtheBenchmarkdatasimulation，themodelpredictivecontrolmethodinresponsespeedandreducingovershootperformanceisbetterthanthetraditionalPIcontrolmethod，inordertoensurethewaterqualityindicatorshavereachedthestandardofrecyclingirrigationhasrealisticguidingsignificance．Keywords：reclaimedwater；dissolvedoxygen；modelpredictivecontrol；agricuhuralirrigation城市也开展了再生水应用的研究，并在兰州等多地0引言建立了城市污水再生回灌农业安全控制实验室和试再生水也称为中水，由城市污水经过处理后得点示范基地。国务院“十二五”规划纲要中明确指到的一种水源，可以作为农业灌溉、城市绿化，公园、出：到2015年，全国城市再生水利用率要达到20％旅游场景等的源水。在农业灌溉应用方面，以色以上。而许多发达国家再生水利用率都在70％以列⋯、美国、德国等国家都有着成熟的应用，其中以上，显然，我国再生水投资空间十分广阔_4J。色列在污水再生利用方面，始终处于世界领先地位，合理的使用城市再生水，是缓解水资源紧缺和全国46％的再生水直接用于灌溉，30％回灌地下和减少污水再次污染的有效途径_5J。目前城市污水排入河道供间接回用-31。90％以上都是采用活性污泥法进行处理，因此对传1985年，农业部环境保护科研监测所在甘肃永统的活性污泥过程控制进行研究，有着重要的现实登县和四川彭州市建立污水回灌示范区。我国“十意义。一五”科技规划中，设立再生水农业利用课题，许多溶解氧(DissolvedOxygen，DO)的浓度控制，对活性污泥过程的处理效果起着重要作用。由于污水收稿日期：2013—08—09处理过程的强耦合、强扰动、大时滞等非线性特点，基金项目：国家自然科学基金项目(61064003；61263008)；甘肃传统的控制方法不容易取得较好的控制效果，出水省自然科学基金项目(1212R,[YA031)作者简介：杜先君(1979)。浙江省富阳市人，博士，讲师，主要从水质指标波动较大。该文针对活性污泥过程的特事复杂系统建模与控制方面的研究。点，选取模型预测控制策略对过程中的溶解氧进行\n·4·工业仪表与自动化装置2014年第2期有效控制，使得溶解氧过程更加平稳，出水水质更加min稳定。△⋯Ⅱ()，△⋯Ⅱ(+．，Au(k+m一1、)∑l一”liF[(、+zlP)一r(、后+1模型预测控制器设计z)]『l。+∑IfFhu(k+z一1)]『l(1)并受如下不等式约束：1．1模型预测控制模型预测控制(ModelPredictiveControl，MPC)≤y(十)≤歹，J-=1⋯．，P“≤(k+)≤，=0，．．．，m一1(2)是一种包含模型预测、滚动优化和反馈校正等三大Au<~Au(k+)≤△瓦，=0⋯．，m一1要素的新型计算机控制算法J，在炼油、化工、电力F}和Jr1为权重矩阵，用于在预测时间域内惩等复杂工业过程中的成功应用，使MPC受到广泛的关注。目前，关于MPC的理论研究是控制理论界的罚特定变量(y或者)；r(k+2)为将来设定值向量。热点，逐渐成为工业过程控制领域中最具代表性的虽然在滚动优化中，m步控制增量△n(k)，Au(k+先进控制策略。1)，⋯，△“(k+m—1)都会被计算出来，但是也只有1978年，Richalet等人提出的模型预测启发第一个控制增量会被执行。因此在滚动优化中，当式控制是较早应用于工业过程的预测控制算法。其下一个采样间隔到来时，控制域将会往前移动一步，核心思想是：基于在线优化的控制策略，在每一个采当过程对象新的输出值被采集后，前述计算过程重样时刻将系统的当前状态作为初始条件，利用过程复进行，新的控制增量的第一个又被执行，如此重的动态模型，预测有限时域内系统的响应，再根据该复，实现对过程对象的优化控制。而对象的预测输模型优化对象的未来性能指标，求解一个开环最优出y(k+1Ik)，y(k+2lk)，⋯，yCk+Plk)则有赖于化问题，并得到一个控制序列，然后将该控制序列的对象当前的实际输出Y(k)，此时的Y(k)假设已经第一个控制量作用于被控对象j。由于预测控制包含了不可测扰动及可测噪声的影响，因此在下面算法采用在线滚动优化，且在优化过程中不断通过的仿真试验中也将人为的在对象输出中加人可测噪系统实际输出与模型预测输出之差来进行反馈校声，以此来测试控制策略的有效性和动态响应能力。正，因此，模型预测控制能在一定的程度上克服由于而除了操作变量以外，对于曝气池的输入变量全部预测模型误差和某些不确定性干扰等的影响。假设为系统的不可测扰动。1．2过程状态空间模型辨识利用文献[10]所建BSM1平台进行稳态仿真，针对不同曝气程度得到稳态仿真数据后，建立连续图1溶解氧过程控制原理图状态空间模型：，|^一图1所示为在MPC控制思想下所设计的溶解半=Ax+Bu，Y=Cx+Du(3)氧(DO)过程控制原理图。假定处理过程中温度不式(3)中-X为状态向量，U和Y分别为输入和输出变，那么为了在曝气池中维持一个恒定的DO值，首向量，A、、C、D分别为状态空间系数矩阵。先必须利用放置在曝气池内的理想传感器测量图2为不同曝气程度下系统辨识模型的阶跃响出当前的DO浓度，然后将其送至MPC控制器与应曲线。图中分别针对曝气池中的3种溶解氧浓度DO设定值作比较，由MPC控制器调整操作变量a等级2mg／L、1．5mg／L和0。9mg／L建立阶跃响应(溶解氧传质系数)的值，使之可以用来调整池内曲线。DO浓度。如此重复进行预测、优化和反馈校正等步骤，DO浓度最终将维持在设定值的一定范围内，达到DO过程控制的目标。假定m步控制增量(当前的或者未来的)为△“()，Au(k+1)，⋯，△“(k+m一1)，则过程对象的未来P步预测输出为Y(k+1lk)，Y(k+2lk)，⋯，Y(k+PIk)。当前的或者未来的m步控制增量(m