一种城市污水处理过程非均匀采样模型预测控制方法

技术领域

本发明设计了非均匀采样模型预测控制器，实现了城市污水处理过程中非均匀采样的溶解氧浓度的稳定控制，溶解氧浓度的控制作为城市污水处理过程的重要环节，是先进制造技术领域的重要分支，既属于智能控制领域，又属于水处理领域。

背景技术

城市污水处理是为改变污水性质使其对环境水域不产生危害而采取的措施，是解决城市水污染问题的重要途径。活性污泥法工艺是应用最广泛的污水处理工艺之一。活性污泥法工艺中好氧区溶解氧浓度的大小不仅能够直接影响微生物的代谢，而且能够间接反映进水有机物浓度，对整个反应过程都有重要影响。因此，溶解氧浓度的准确控制是确保污水处理厂出水水质的关键。溶解氧的高低主要受曝气量大小控制，因此可根据溶解氧的浓度及变化情况进而实现曝气量的控制。

传统的城市污水处理过程控制系统大多假设溶解氧浓度是周期采样，即采样间隔是固定常数，这大大简化了系统的分析。然而，在实际的城市污水处理过程系统中，硬件设备的限制或环境因素的影响等客观原因会导致被动的非周期采样，这给溶解氧浓度的精确控制带来了一定的难题。传统的PID控制或者非线性模型预测控制无法适应以上特点，可能会降低系统运行性能及污水处理效率甚至破坏闭环系统的稳定性。如何针对城市污水处理过程非均匀采样带来的控制难题设计有效的控制器，实现城市污水处理过程的稳定、高效控制，继而保证出水水质是一个亟待解决的问题。

本发明设计了一种城市污水处理过程非均匀采样模型预测控制方法，构建溶解氧浓度局部线性近似动力学方程，提取基于多面体近似方法的溶解氧浓度动力学特性，设计非均匀采样模型预测控制器，实现了城市污水处理过程溶解氧浓度的稳定控制。

发明内容

一种城市污水处理过程非均匀采样模型预测控制方法，构建城市污水处理过程溶解氧浓度线性多面体近似动力学方程，设计非均匀采样模型预测控制器，实现城市污水处理过程溶解氧浓度稳定控制；其特征在于，包括以下步骤：

(1)构建城市污水处理过程溶解氧浓度线性多面体近似动力学方程

城市污水处理过程溶解氧浓度第k次采样的采样间隔定义为ρ

构建溶解氧浓度线性化动力学方程

其中x

构建溶解氧浓度线性多面体近似动力学方程

其中x

其中v为中间变量；

(2)设计非均匀采样模型预测控制器

①取k＝1，x

②判断k<120是否成立，若成立则转到步骤③；若不成立则转到步骤④；

③若k＝1，则u

④构建最优稳态问题使溶解氧浓度线性多面体近似动力学方程输出跟踪溶解氧浓度设定值，形成二次规划(5)，求解出t

约束条件

其中min表示求解

其中u

⑤构建最优控制问题使实际溶解氧浓度跟踪溶解氧浓度设定值，形成二次规划(8)，求解出t

约束条件

其中min表示求解

其中u

⑥令u

⑦根据公式(3)计算溶解氧浓度线性多面体近似动力学方程输出x

⑧判断k<1000是否成立，若成立则令k的值增加1，并转到步骤②，若不成立则结束循环；

(3)城市污水处理过程溶解氧浓度稳定控制

城市污水处理过程非均匀采样模型预测控制系统输入是氧传递系数u

本发明的创造性主要体现在：

(1)本发明针对城市污水处理过程溶解氧浓度非均匀采样引起的难以构建模型的问题，构建溶解氧浓度线性多面体近似动力学方程，利用非均匀采样数据提取溶解氧浓度变化动力学特性，为控制器设计奠定了基础；

(2)本发明针对城市污水处理过程溶解氧浓度非均匀采样引起的难以稳定控制的问题，设计非均匀采样模型预测控制器，实现了城市污水处理过程溶解氧浓度稳定控制；

特别要注意：本发明只是为了描述方便，采用的是对溶解氧浓度的控制，同样该发明也可适用污水处理过程氨氮的控制等，只要采用了本发明的原理进行控制都应该属于本发明的范围。

附图说明

图1是本发明的溶解氧浓度控制结果图

图2是本发明的溶解氧浓度控制结果误差图

图3是本发明的氧传递系数结果图

具体实施方式

一种城市污水处理过程非均匀采样模型预测控制方法，构建城市污水处理过程溶解氧浓度线性多面体近似动力学方程，设计非均匀采样模型预测控制器，实现城市污水处理过程溶解氧浓度稳定控制；其特征在于，包括以下步骤：

(1)构建城市污水处理过程溶解氧浓度线性多面体近似动力学方程

城市污水处理过程溶解氧浓度第k次采样的采样间隔定义为ρ

构建溶解氧浓度线性化动力学方程

其中x

构建溶解氧浓度线性多面体近似动力学方程

其中x

其中v为中间变量；

(2)设计非均匀采样模型预测控制器

①取k＝1，x

②判断k<120是否成立，若成立则转到步骤③；若不成立则转到步骤④；

③若k＝1，则u

④构建最优稳态问题使溶解氧浓度线性多面体近似动力学方程输出跟踪溶解氧浓度设定值，形成二次规划(5)，求解出t

约束条件

其中min表示求解

其中u

⑤构建最优控制问题使实际溶解氧浓度跟踪溶解氧浓度设定值，形成二次规划(8)，求解出t

约束条件

其中min表示求解

其中u

⑥令u

⑦根据公式(3)计算溶解氧浓度线性多面体近似动力学方程输出x′

⑧判断k<1000是否成立，若成立则令k的值增加1，并转到步骤②，若不成立则结束循环；

(3)城市污水处理过程溶解氧浓度稳定控制

城市污水处理过程非均匀采样模型预测控制系统输入是氧传递系数u