污水處理過(guò)程的多變量預測控制

在活性污泥法污水生化處理過(guò)程的控制研究中，可以作為受控變量和操作變量的有許多，如何進(jìn)行輸入輸出變量配對，已經(jīng)有一些經(jīng)驗法則，一般是與具體的工藝流程配置有關(guān)的。由于生化反應器內各子過(guò)程以及與二次沉降池之間的參數存在相互關(guān)聯(lián)，采用單回路控制時(shí)系統間必然存在耦合現象。因此在設計控制系統時(shí)，更多地應該把生化反應過(guò)程的主要受控變量和操作變量作為一個(gè)整體考慮，即構造多變量控制系統。

本文以體現系統內部硝化及反硝化生化反應進(jìn)展狀況的2號生化反應器中的氨氮與硝酸氮濃度為被控對象，以溶解氧設定值(DO)及內循環(huán)流量為操作變量，采用活性污泥1號模型(AsM1)為控制器設計模型，設計了多變量預測控制算法。通過(guò)對ASM1模型的閉環(huán)控制仿真，結果表明多變量預測控制與傳統的帶解耦比例積分微分(PID)控制相比，在解耦和動(dòng)態(tài)性能等方面具有更好的控制品質(zhì)。

1 系統描述與控制方案設計

1．1 數學(xué)模型分析

典型的活性污泥法污水生化處理過(guò)程包括生化反應池和沉淀池，如圖1所示。其中反應池分為5個(gè)池，沉淀池分為1O層。其數學(xué)模型由于其內部復雜的機理關(guān)系而非常復雜，最常用的數學(xué)模型是國際水質(zhì)協(xié)會(huì )1986年推出的ASM1模型n]，包含13種組分的變量，在流通中進(jìn)行8個(gè)子反應過(guò)程。在每個(gè)生化反應池中，物料變化遵循物料平衡公式：

累積量 - 反應生成量 + 輸入量 - 輸出量(1)

沉淀池的數學(xué)模型采用Takacs等。開(kāi)發(fā)的二次指數沉淀速率模型模擬沉淀過(guò)程。由于在進(jìn)行污水生化處理過(guò)程中的氮去除時(shí)，主要是控制生化反應中的硝化及反硝化反廊講程，缺氧區的末端即2號反應器內的S N0和S NH 最為關(guān)鍵，因此可將該號反應器內的S N0和S NH 作為被控變量。

1．2 控制系統結構分析

對ASM1模型來(lái)說(shuō)，污水處理的水質(zhì)控制指標一般是S N0和S NH 若采用單回路PID控制，當內循環(huán)流量Q和溶解氧濃度DO變化時(shí)S N0和S NH 都將隨之變化，兩路輸入與兩路輸出之間存在交叉耦合關(guān)系。

相對增益矩陣(RGA)[3]可用來(lái)分析多變量系統的變量間耦合關(guān)系，矩陣的各個(gè)元素反映了各輸出變量受輸入變量影響的程度。對ASM1模型在MATLAB／SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行仿真計算，得到內循環(huán)流量Q 和溶解氧濃度DO兩個(gè)操縱變量與被控變量氨氮濃度S NH 和硝酸氮濃度S N0的穩態(tài)增益矩陣為：

2 控制系統設計及仿真

由以上分析可知，如果分別對S NH 和 S N0  進(jìn)行單回路控制，不能解決 nS NH 和 S N0  之間存在的耦合問(wèn)題。如果其中的一個(gè)變量出現波動(dòng)，必將影響到另外一個(gè)變量的值，使之也出現波動(dòng)，因而擬對這兩個(gè)被控變量實(shí)施多變量預測控制方案。

首先采用穩態(tài)建模，在穩態(tài)下對Q 、DO施加階躍輸入，得到對象響應如圖3所示，從而獲得對象的預測模型。

參考文獻：
[1] Henze M，Grady Jr C P L，Gujer W，et al，Activated sludge model No．1[A]．IAWPRC scientific and technical reports[c]．London：IAWPRC，1987．
[2] Takacs I，Party G G，Nolasco D．A dynamic model of the clari-fication thickening process[J]Water Research，1991，25(10)1263-1271．
[3] 王桂增．高等過(guò)程控制[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2002．
[4] 舒迪前．預測控制系統及其應用[M]北京機械工業(yè)出版社，1996．作者: 鄭敏潔， 楊馬英