【摘要】：污水生化處理是當(dāng)前和未來很長(zhǎng)一段時(shí)間污水處理和水污染治理應(yīng)用最廣泛、最有效和最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)。城市污水處理過程是一個(gè)復(fù)雜的生物與化學(xué)過程，具有多變量、隨機(jī)性、非線性、模糊性、時(shí)變性、多目標(biāo)等特性，傳統(tǒng)的控制方法不能有效地解決這些問題，以至難于進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，因此研發(fā)污水智能控制系統(tǒng)是解決當(dāng)前污水處理廠優(yōu)化控制問題的關(guān)鍵。本課題就是解決污水生化處理智能控制系統(tǒng)運(yùn)行控制的若干個(gè)難題。 本課題來源于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“污水生化處理系統(tǒng)的建模與節(jié)能優(yōu)化控制”(項(xiàng)目編號(hào)：60774032)、國(guó)家住房城鄉(xiāng)建設(shè)部“污水處理廠污泥回流系統(tǒng)的建模與節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)”(項(xiàng)目編號(hào)：2010-K9-47)、廣州市科技與信息化局科技支撐項(xiàng)目“基于智能控制技術(shù)的節(jié)能型污泥回流系統(tǒng)的開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”(項(xiàng)目編號(hào)：2010Z1-E301)、廣州市教育局“節(jié)能減排(水處理)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用研究創(chuàng)新學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)”（穗教科[2009]11號(hào)）。 本課題針對(duì)污水生化處理智能控制的出水水質(zhì)預(yù)測(cè)、曝氣控制、污泥濃度控制和污水處理運(yùn)行的節(jié)能優(yōu)化控制四個(gè)方面開展研究，分別使用拉普拉斯特征映射與支持向量機(jī)相結(jié)合（Laplacian Eigenmap-Support Vector Machine，LE-SVM）的算法進(jìn)行軟測(cè)量建模對(duì)出水水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)；對(duì)曝氣系統(tǒng)進(jìn)行一種全局漸近穩(wěn)定的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制；對(duì)污泥濃度實(shí)行魯棒直接自適應(yīng)模糊控制；以出水指標(biāo)作為邊界條件，對(duì)曝氣及污泥回流、排放的費(fèi)用最優(yōu)化采用模糊離散粒子群算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，以達(dá)到整個(gè)污水處理廠的運(yùn)行費(fèi)用最低的優(yōu)化控制，通過仿真驗(yàn)證取得了較好地效果，為污水廠的節(jié)能優(yōu)化控制提供了理論依據(jù)，取得了一定的研究成果，具有理論與現(xiàn)實(shí)意義。 本文的主要研究?jī)?nèi)容概括如下： 1.針對(duì)污水處理工藝參數(shù)眾多，包括水質(zhì)、水量、負(fù)荷、污泥性能等數(shù)十個(gè)指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)等問題，本文采用拉普拉斯特征映射與支持向量機(jī)的相結(jié)合的方法建立軟測(cè)量模型，對(duì)出水水質(zhì)參數(shù)生物化學(xué)需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）進(jìn)行預(yù)測(cè)。首先使用拉普拉斯特征映射對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性降維，解決數(shù)據(jù)相互之間的相關(guān)問題，然后應(yīng)用支持向量機(jī)建模方法對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行建模預(yù)測(cè)。利用污水廠采集數(shù)據(jù)仿真結(jié)果表明，該方法建立污水處理軟測(cè)量模型相比RBF（Radial Base Function）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有更好的預(yù)測(cè)精度和泛化能力。 2.針對(duì)于曝氣系統(tǒng)中溶解氧的傳遞系數(shù)這個(gè)控制參數(shù)增益的不確定性，提出一種全局漸近穩(wěn)定的自適應(yīng)神經(jīng)控制（adaptive neural control, ANC）策略，使用線性參數(shù)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近閉環(huán)系統(tǒng)的總體不確定項(xiàng)。首先提出一種可變控制增益的比例微分（proportional differential, PD）控制方法用于全局鎮(zhèn)定被控對(duì)象。然后利用狀態(tài)變化解決由未知控制增益函數(shù)導(dǎo)致的控制奇異問題。最后設(shè)計(jì)了一種連續(xù)的自適應(yīng)魯棒控制項(xiàng)以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的漸近跟蹤。與現(xiàn)有的全局或漸近跟蹤ANC方法相比較，本文所提方法不僅簡(jiǎn)化了PD控制增益的選擇，而且減輕了控制輸入的顫振問題。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了本文所提方法相比傳統(tǒng)的PI（proportional integral）控制方法能夠有效地動(dòng)態(tài)穩(wěn)定溶解氧的濃度。 3.針對(duì)污水處理系統(tǒng)污濃度的控制問題中污泥回流、排泥系統(tǒng)中控制方向的不確定性，給出一種新的魯棒直接自適應(yīng)模糊控制算法。首先，采用基于Lyapunov的理想控制律新形式解決了控制奇異問題。其次，利用Nussbaum函數(shù)以及新的推導(dǎo)方式解決了非線性系統(tǒng)的未知控制方向問題。此外，使用e2 修正代替之前的σ 修正設(shè)計(jì)模糊系統(tǒng)的參數(shù)自適應(yīng)律，這不僅獲得了自適應(yīng)參數(shù)的有界性，而且實(shí)現(xiàn)了跟蹤誤差的漸近收斂到零。最后，仿真結(jié)果表明此方法能夠通過回流污泥、排放污泥有效地穩(wěn)定生化池的污泥濃度，驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。 4.針對(duì)污水處理過程運(yùn)行費(fèi)用最優(yōu)控制問題，以溶解氧濃度和污泥回流量作為控制變量，以曝氣的電耗、回流泵的電耗和剩余污泥處置費(fèi)用之和作為目標(biāo)函數(shù)，以出水水質(zhì)和有機(jī)物排放總量作為約束條件，提出了模糊離散粒子群（fuzzy discrete particle swarm，F(xiàn)DPSO）算法進(jìn)行優(yōu)化控制，尋找污水處理費(fèi)用的最優(yōu)值。在同一約束前提下，用本文所提算法與粒子群算法、遺傳算法尋優(yōu)過程相比較。結(jié)果表明，，該方法能有效提高粒子群的多樣性，具有可靠的全局收斂性及較快的收斂速度，搜索到的費(fèi)用最優(yōu)值的次數(shù)最多，運(yùn)行費(fèi)用平均值和方差最小，能在污水處理過程的動(dòng)態(tài)環(huán)境下完成有效的尋優(yōu)，適合應(yīng)用于污水處理過程的最優(yōu)控制中。
【圖文】：

圖 1-1 污水處理過程Fig.1-1 Wastewater treatment process城市污水處理工藝按處理技術(shù)原理劃分，主要可分為化學(xué)處理、物理處理和生物化學(xué)處理三種方法。 （1）化學(xué)處理法主要是利用混凝、中和、氧化還原、電解等化學(xué)反應(yīng)的作用，對(duì)污水中處于各種狀態(tài)的污染物進(jìn)行分離回收的方法。 （2）物理處理法主要是利用重力分離、離心分離、格柵截留、篩濾等物理作用，對(duì)污水中不溶于水的懸浮固體狀態(tài)污染物質(zhì)進(jìn)行分離和去除的方法。 （3）生物化學(xué)處理法是利用微生物的代謝作用，將污水中的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)的方法。根據(jù)微生物對(duì)氧的需求又可分為好氧法和厭氧法兩大類，根據(jù)微生物在水中的狀態(tài)可分為活性污泥法和生物膜法兩大類，其中在城市污水及有機(jī)業(yè)廢水應(yīng)用最為廣泛的是活性污泥法。 由于污水水質(zhì)污染物的多樣性與復(fù)雜性，在實(shí)際污水處理工藝往往采用數(shù)種方法有

穩(wěn)定要求研究助。 11.迄今用最方法和處成，、大時(shí)滯系，迫切需要這些控制理.2 污水.2.1 污水處今為止，生為廣泛的污�；钚晕勰嗬韺�(duì)象為有如圖 1-2 所系統(tǒng)，干擾要研究更先進(jìn)理論與應(yīng)用水處理系統(tǒng)處理活性生物化學(xué)處理污水處理方泥法是種應(yīng)用有機(jī)物的污所示[6]。 因素眾多且進(jìn)的自動(dòng)控用方法對(duì)于解統(tǒng)概述污泥法簡(jiǎn)理工藝仍是法，而傳統(tǒng)用最多的是水處理系統(tǒng)且不確定，控制方法來解決這一類簡(jiǎn)介是去除污水中統(tǒng)的活性污泥是污水好氧統(tǒng)中。普通的因此，對(duì)污實(shí)現(xiàn)出水達(dá)類復(fù)雜的工中有機(jī)污染泥法則是生生物處理技的活性污泥污水廠的運(yùn)行達(dá)標(biāo)、穩(wěn)定工業(yè)問題將提染物最為經(jīng)濟(jì)生物處理方法技術(shù)，廣泛應(yīng)泥法處理系統(tǒng)行管理提出、低耗的目提供一定的濟(jì)、最具環(huán)境法中最為主應(yīng)用于城市統(tǒng)由以下幾出了更高目標(biāo)。而的借鑒與境效益、主要的處市污水處幾個(gè)部分
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：X703;TP273

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本文編號(hào)：2705616