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第7卷第3期环境工程学报VoI．7．No．32013年3月ChineseJournalofEnvironmentalEngineeMar．2013动态污水处理过程的多模型动态矩阵控制薛美盛杨彦波刘飞赵铁彪(中国科学技术大学自动化系，合肥230026)摘要针对活性污泥法污水处理系统的强耦合和动态变化特性，提出一种用于前置反硝化脱氮工艺的多模型动态矩阵(DMC)解耦控制方法；通过K一均值聚类分析法对外界入水中氨氮浓度进行聚类，获得以聚类中心为人水氨氮浓度的静态模型集合，分别设计线性DMC解耦控制器；再以当前时刻外界进水氨氮浓度和聚类中心为基本元素，构造切换函数，实现多模型切换。将该方法应用于活性污泥1号模型(ASM1)中，获得了较好的动态仿真效果。关键词活性污泥法解耦动态矩阵控制K-均值聚类多模型中图分类号X703文献标识码A文章编号1673—9108(2013)03—0957~6Multi-modeldynamicmatrixcontrolfordynamicwastewatertreatmentprocessXueMeishengYangYanboLiuFeiZhaoTiebiao(DepartmentofAutomation，UniversityofScienceandTechnologyofChina，Hei230026，China)AbstractToaddressthestrongcouplingeffectanddynamicchangeinwastewatertreatmentprocessU—singactivatedsludgemethod(ASM)，amulti—modelDMCdecoupling—controlmethodisproposedforthepre—denitrificationprocess．TheammonianitrogenconcentrationofinflowiSclusteredfirstusingK-meansmethod．SOastoobtainthestaticmodeldatabasewhichtakesthecentrumsastheammonianitrogenconcentration．The1inearDMCdecoupling．controlcontrollersarethendesignedwithrespecttothedifferentmodels．Switchingindexfunc—tionisfurtherdesignedbasedonthecurrentammonianitrogenconcentrationandcentrum．SOastoachievemulti—modelswitching．TheproposedmethodisappliedtowastewatertreatmentprocessusingActivatedSludgeModel1(ASM1)andsatisfactoryperformanceindynamicsimulationisobtained．Keywordsactivatedsludgemethod；decoupling；dynamicmatrixcontrol；K—meansclustering；m1tlhi—model水体污染导致了严重的环境污染，目前水体污二沉池染的研究主要集中在除磷、脱氮方法的研究中。前置反硝化脱氮法是一种常见的脱氮方法，本研究以进水国家“水体污染控制与治理”科技重大专项课题为项目背景，研究了前置反硝化脱氮工艺中，外界氨氮浓度动态变化时，缺氧池末端氨氮和硝氮的多模型污泥回流，Zr动态矩阵解耦控制方案。图1BSM1模型工艺结构1活性污泥法污水处理系统描述Fig．1StructureprocessofBSM11．1ASMl简介ASM1是由欧盟科学技术合作组织(COST)开基金项目：国家“863”高技术研究发展计划项目(2007AA04Z195)；发的仿真基准模型，它采用已被国际污水处理界认国家“水体污染控制与治理”科技重大专项(2009ZX07210-可的活性污泥1号模型’和二指数沉淀速率模003)型作为生化反应池和二沉池模型。其工艺结构收稿日期：2011—05—04；修订日期：2012—0l一21作者简介：薛美盛(1969～)，男，博士，副教授，主要从事过程先进控如图1所示。制与优化研究工作。E-mail：xuems@ustc．edu．en生化反应过程由2个体积均为1000m的缺\n958环境工程学报第7卷氧池、3个体积均为1333m的好氧池和1个总体浓度变化曲线。积为6000m，分为10层的二沉池组成。缺氧池接由图2可知，3组数据均持续2周，雨天和暴雨收来自外界的进水、好氧池末端的内循环流和二沉天数据是在干旱天数据基础上分别叠加1d和2d池底端的污泥回流。通过给好氧池曝气来增加好氧下雨情形得到的⋯。因此，干旱天氨氮浓度反映了池溶解氧的浓度，在好氧池发生硝化反应，产生大量外界入水氨氮浓度变化的主要规律。的硝态氮；内循环流将硝态氮带入缺氧池，在缺氧条外界进水氨氮浓度对各个生化反应池氨氮浓度件下发生反硝化作用，将硝态氮转化成游离态的氮影响巨大，甚至可以改变系统运行的工况条件，属于排出，从而达到除氮的目的。可测不可控变量，是污水处理过程动态控制方案研1．2生化反应过程数学模型究中不可忽视的因素。ASM1模型包含13种组分，表达了8个不同的生化反应过程。反应过程遵循质量守恒定律，即：=号+r()(1)式中：r为反应生成速率，Q和分别表示进水流量和反应池体积，和s为反应池内组分浓度向量和入水组分浓度向量。S。，Q一>Sh，Q一>S。，kla5一>Sh(t+．j}+iIt)=Y(t++i一1lt)+间的相互关联，采用由CARIMIA模型得到的阶跃响应模型：(H(q)一hl—h2q一一⋯一h+lq)△Ml(t+i)+Y(t)=S(q)△M(t一)+(日(g一)一h一h2q一一⋯一h+q)△u2(t+i)／4(q)、再(q)为S。(q)和S(q)所对应S(q)△(t一)+8(t)／△(7)的权序列；h、，(i=1，2．．．Ⅳ)为采样时刻的脉Y2(t)=S(q一)△1(t一)+冲响应。S(q一‘)△2(t一后)+2(t)／△(8)同理可得：式中：(t)、(t)为零均值的白噪声，为系=+s·△u+S·△U：(10)统延时，Ⅳ为模型长度；S(q)，3。(q)，3．2DMC解耦设计S(q一)，S(q一)分另0为kla一>S。，Q一>S。，在控制过程中，通常不希望控制增量△变化kla一>S和Q一>S的单位阶跃响应；△=1一过大，因此在目标函数中加以约束，取目标函数为：g为差分算子。ⅣminJ=minE{∑[()，(t+)一Wi(t+))·由式(7)、(8)递推变换可得式(9)、(10)，具体』=1推导过程请参考文献[13—15]。(Y(t+J)一(t+))+△“(t+一)·='一十s·△+3·△U(9)A△M(t+J—j})]}=rain{(一)·△Ui式中：(一)+△A△}(11)(t+It)式中：(t+1)=Y(t)，W(t+．，)=OLW(t+_，l(t++1It)一1)+(1一)spt，i=1，2；=1，⋯⋯，N；f柔=化设定值轨迹，可以减少过量的控制作用，使系统的乡1(t++P一1Jt)输出能平滑得达到设定值spt，为柔滑因子。\n960环境工程学报第7卷权系数r⋯反映了对设定值逼近的重视程度，E，=弓R2(W：一Y)／(弓：R弓+：(1+引入r后，式(11)可写为：(1+)+⋯+(1++⋯+卢一)。)]minJ=minEt∑[(y(+)一Wi(+))·r·E=一R2S2／(SRS2+A：(1+J=1(Y(t+)一加(t+))+△M(t+一k)A·(1十)++⋯+(1+卢+⋯+卢一)))△M(t+—k)]}=式中：rain{(一)R(王，一)+△A△u)(12)S=S。【1，卢，，⋯，卢】Sz=S。[1其中：i=1，2；引入r后，设定值变化，r也随，卢，卢，⋯，卢】之变化。当前控制回路或其他回路的设定值发生变S=S’[1，，，⋯，卢]S=S‘[1化时，其设定值与实际输出之间的偏差增大，控制器，卢，卢，⋯，卢]根据误差信息，实时增大当前回路设定值跟踪权系4多模型控制数来提高本回路的设定值跟踪能力，从而实现近似解耦¨。随着各个回路输出逐步逼近其设定值，权4．1控制结构设计系数r最终返其初始值。多模型切换控制结构设计方案如图3所示。r，(i=1，2)由下式计算得出：r=r+：lspt一YI+Isp：一y：lr=r：+zlspt一Y。l+lspt2一Y：I式中：r、r为r，和r：的初始值(一般取1)；：，、。、：、为比例系数；spt、spt为系统1和2的设定值；Y、Y：为系统的实际输出值。其中：R=图3多模型切换控制系统为减少高维矩阵求逆计算量，采用阶梯式控制Fig．3Multiplemodelswitchingeontrolsystem策略，原理如下：△M(t+)=△M(t)和C，i=1，2，⋯q，分别为模型库中的子式中：i=1，2；=1，⋯⋯，N；变量口为阶梯因模型和相应的控制器。子。则t，t+1，⋯t+N一1时刻得控制增量变为4．2模型集建立与切换策略AU()=[1，卢，卢，⋯，】△u(t)带人式利用K一均值聚类算法对干旱天进水氨氮浓度(12)，选取：数据进行聚类，求出聚类后各簇中心，然后分别以各个簇中心为进水浓度，获得对象的静态单位阶跃响A11=A12=⋯=A1Ⅳ=Al；应多模型集合：={5一，．s¨一，S一，S一li=A21=A22=⋯=A2Ⅳ=A2；1，2⋯q}极小化目标函数t，，OJ,选择模型切换函数：=。且>。有：nh)一p[-[三：】[，_EE]-。[]3其中：z(t)表示当前时刻进水组分中氨氮浓度，c为K．均值聚类后的簇中心。E-：sR(一l，t1)／【sR1S2+A(1+(1+卢)+⋯+(1+卢+⋯+卢一)。)]5动态多模型解耦控制E=一s；R2／(sR。S+A。(1+(1+)+5．1控制器设计步骤+⋯+(1+JB+⋯+Ⅳ一)))(1)利用K-均值聚类算法对于旱天进水氨氮浓\n第3期薛美盛等：动态污水处理过程的多模型动态矩阵控制961—n#，N矗一加度数据进行聚类，求出聚类后各簇中心；10(2)分别以各簇中心为人水氨氮浓度，获得污主●水处理过程的静态单位阶跃响应模型集合；s(3)由式(14)计算函数值，选择值最大的一组0单位阶越响应模型为对象当前模型；(4)由式(13)计算控制器当前输出变化量△(t)，i=1，2；8(5)计算(t)=M(t一1)+△M。(t)，i：1，2；主6(6)控制器输出限制：面40·d一