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翻译1

一个交替好痒-厌氧废水处理厂的最佳控制

摘要

IndustrialControlCentre,UniversityofStrathclyde,

GlasgowG11QE,Scotland

本文报道了一种新的方法，在模拟和控制的交替好氧-缺氧的污水处理厂。

该工厂被控制使用一个模型预测方法适用于特定的问题。

嵌入在控制结构的模型是一个线性时间的ASM1变种近似。

预测结构仅考虑控制变量的零频率分量，用于最优占空值计算。

控制器的行为的模拟考虑没有植物模型不匹配。

关键字：

水污染，模型，优化，频率，模拟

1简介

活性污泥废水处理厂是最普遍的一种废水处理厂。

这种处理涉及含碳物质的还原和其他来自于市政和工业废水中的有毒物质消除。

在这种处理中许多生化反应发生往往是由强的非线性动力引发的。

由于这个代表完整的系统动态行为的模型十分复杂，充满了不确定性，所以许多减少的模型有提供预知系统的行为。

在多数范围中除了取决于工厂配置的流动计划，唯一直接可控变量是溶解氧注入废水。

几个控制处理已经被计划、模仿和测量达到管理控制目标，其中一个最接近的控制结构在研究中是交替好氧-厌氧方法。

在这种控制组合下，转换曝气系统开或关间接地控制污水特性。

许多理论和实践的研究被KIM提出，Puta发现最理想的转换次数的最小化代价函数使用一个数学模型的工厂，尤其这篇文章包含能量消耗作为功能的一部分，因此它包含一种货币因素。

这种控制装置在这篇文章中被讨论，用一个变化修正的发达模型的时间线通过Anderson,和发现最理想整流时间在一个零频率信号追踪，模拟结果被提出从没有工厂模型适配与恒流顺序拟反应堆的情况和有影响力的组成。

这篇论文按照规则写作：

第二章描述污水系统和包含的模型变化，第三章提出控制其结构，最后模拟守则在第四章被提出，总结在第五章。

2废水系统的描述与造型

活性污泥法处理废水厂的模型是一个复杂的任务，是由于严重的非线性行为。

许多活性污泥法处理废水的模型已经被提出，一个好的概述和一些不同的模型可以被找到。

在所有不同的模型中其中一个特定的模型作为一个科学研究的标准已经被科学界所接受。

这个模型是活性污泥处理法一号。

其收集了大多数的生化反应动力学所涉及的过程，也因此被认定是污废水处理厂特殊模型应用程序发展的一个基准。

这个活性污泥处理法一号是一个非常复杂的数学结构，其中包括13个不同的非线性方程和19个参数（在它的原始版本），它们大多数都具有很大的不确定性。

因为这个原因，活性污泥处理法一号在简单的模型和研究中的基本测试是受限制的。

在一个活性污泥处理过程中，会出现不同的生化反应。

这些过程可以被分为两类：

好氧反应和厌氧反应。

好氧反应是将氧气溶解在水体中，其主要的两个反应是含碳物质的氧化和硝化反应。

在厌氧条件下，反硝化反应是主要反应。

这些反应是硝酸盐代替氧气作为氧化剂而不是去产生氮气和其他化合物。

Anderson等人提出了两个线性方程对于活性污泥一号：

分别对应好氧阶段和厌氧阶段。

这些模型是通过近饱和的非线性项中的线性项获得的。

这个模型也包括降解的完成，不包括从水中解除的可溶性惰性有机物（SL）和颗粒惰性有机物（XI）溶解氧，因此它被认为可以被控制，碱性可以通过反硝化部分恢复，颗粒物的增长不与其他变量交互，此外在好氧阶段中溶解氧不被认为是一个限制因素，在厌氧阶段完全不存在，系统最后的描述分成两个部分，每个对应不同阶段如下格式.

（1）

在方程

（1）中，

和

表示系统有氧阶段，

和

表示一个系统的缺氧阶段，变量

是状态向量是方程中指定的。

而

是相应的进水特性向量与每个状态向量对应。

方程

（1）的最后一个项应为干扰项，是因为进水特性的某些不可控制原因的最后一个项应为干扰项，是因为进水特性的某些不可控制原因。

（2）

由于这类结构的控制原理，要求模型在稳定的频率和周期内转换，对于系统来说一个合格的模型表示过程实践是必须的。

方程（3）提出了模型表示。

（3）

在方程（3）中，开闭函数g（t）表示了如图展示的一种单位幅度限制脉冲串，当切换功能系统是统一的有氧阶段被叫做开，当厌氧阶段被认为是关。

转换功能主要取决于时间和周期&，这是指时间和好氧反应有联系，开关是开的方程（4）提出了开关周期切换的问题。

（4）

对于数学模型来说，g（t，&）已经被扩大到一个极限傅里叶级数，吉布斯现象通过使用饱和函数的收敛点已经被消除。

方程（5）是指g（t,&）截断傅里叶级数展开。

图2时间线模型与活性污泥处理法1号

通过用反应式（6）取代（5）考虑到表达式包含方括号是依靠时间方程式（6）能被作为一个多样的时间系统存在于（7）中，这种方程式一个近似值，从g（t、&）是一个缩短的系列。

方程3可以被方程6重新排列。

其中：

图1切换功能

图2线性时变模型和ASM一号

通过将方程（5）替换为（6），并考虑到括号内包含的表达式是时间相关的，方程（6）可以改写为（7）的时变系统。

该方程是一个近似值，因为

是一个被截断的系统

（7）

2.1模型核实。

为了验证该模型的有效性，模拟执行使用Anderson等人的原始论文中给出的参数数据和同全活性污泥处理系统1号比较也用Anderson等人的参数资料。

这个模型使用MATLAB的仿真执行切换时间3小时，工作周期为50%，这两个模拟图中给出的结果在这个线性模型中条款的数量被用来方程（5）是N=5。

图3控制结构

在图2中提出的模拟和Anderson等人的的那个是相同的。

它可以清晰观察一个模型的不协调，但是趋势却是相同的。

这模型的不协调可以用一个非联机或联机的参数估计比如Jeppsson。

3控制器样式

这种控制器的样式遵循传统凝胶渗透色谱法，与一些修改由于嵌入式模型的循环性质。

一个关于控制器的障碍物图表在图3中被提到。

3.1预报

这个交替好氧-厌氧水处理时间多样系统在公式7被提出，可提取一个特别的频率，因此会变形一个离散的系统在公式（8）。

（8）

用循环的方法去计算系统的预测状态，在采样时间测量可以很容易地表明在任何未来的采样预测的预测值可以计算出使用方程的预测值。

可以很明确假定完全状态测量，是一个难以克服的假设。

这个问题可能的解决方案是使用软传感器估算法。

在这个领域的一些研究工作的主要局限是过程模型的可辨识性进行。

一些关于观测器的例子可以在Katebi,Jeppsson,Arnold,Dietze和Lindberg中被找到。

3.2成本函数和优化

一个合适的成本函数的选择取决于许多因素。

然而，在这篇文章中提供的方法是利于二次误差的平均值在一个完整的好氧-厌氧的预测设置点或参考轨迹接近近似值。

只有在无约束的情况下才能被分析。

为了计算AAA系统算法描述的输出预测应用了方程（10）。

通过对地平线平均值的计算得到方程

（2）中每个状态的平均值。

方程（12）显示，如何平均（零频分量）计算离散矢量信号。

这里的V可能是一个参考轨迹方法的设定点，可以更新每个预测周期或是预测点Q是一个足够的可以使时间的权重矩阵，被用于包含等功能。

由于这个原因Q已经被认为是一个矩阵身份I

（12）

因此，使用公式（12），成本函数被定义如下

（13）

在

γ可以接近设定点的参考轨迹，这是对每个预测周期更新，或设定点；

为权重矩阵足够尺寸的可依赖性和用于包括惩罚功能。

对于这种情况，问一直被认为是矩

一个附加的术语可以添加到方程（13），用于控制输入的急剧变化，表示了最低能耗的方法。

最后的成本函数提出是在方程（14），在方程中&是预测周期K+L中参数的优化。

在预测周期K中&的值最佳是

（15）

最后寻找周期&的最佳值最大限度的减少了方程（14）使用数值的方法。

因为很难找到一个封闭的解析形式表示它的梯度。

4仿真结果

两种类型的模型已经开始执行，第一种是考虑参考轨迹的方法，找到设点。

第二种是直接找到，对于参考轨迹一个时间数设定为12个小时，并且采样时间为3个小时的方法被选中。

已被选定的预测地平线是一个周期为数十个小时的情况下。

任何一个周期都可以被计算。

（16）

设置点的

和

是列于表1系统初始条件的影响特征。

由Anderson等人提出。

表1系统设定点

1.26[

]

1.53[

]

用于该情况的仿真结果使用的参考轨迹图4图5展示出了该设置的点直接使用的模拟情况。

有趣的是，在一个案例中观察参考轨迹时，输入&一个较低的值，比直接使用设定点的情况开始更准确。

当使用参考轨迹时，成本函数似乎也收到最小值。

模拟结果出现待比较慢，一旦到了系统的设定值附近。

控制输入就开始在最优值附近摆动。

对于这种行为最可能的解释是，该控制系统不能保持在精确定，但是可以在精确点附近。

这种方法最重要的一个限制是最大输出是不能直接控制。

这就意味着在特定的时间段内，输出浓度都高于允许值。

对于这个问题的一些处理方法，可控制污水浓度或者计算允分设计点。

有几种约束方法，但可能使用权重矩阵Q，这种情况被假定为单位矩阵最为简单。

这个矩阵可以包括二次成本函数的约束。

5结论

本文提出了一种基于Anderson方法的一种更好的污水处理方法。

近似约简模型且已经派生了。

这个模型被认为是由于一个截断近似傅里叶级数的使用。

此外，预测控制算法，类似于GPC，已经被移除，这个算法最小化二次成本

其中已经包括控制变量的预测值和控制输入线变化的平均值。

仿真结果为无约束案例，不匹配控制条件。

仿真结果表明:

接近算法收敛的预测值。

此外它显示出最大值不能被直接控制。

这意味着在不受约束的情况下，极限的违规行为几乎不可避免。

这表明，对污水变量中的夹杂物应进行调查。

假定在这项工作中，有充分的信息可用。

然而，在一个真实的污水处理厂是不大可能的。

所以使用状态观测器是必要的。

进行进一步的模拟和研究应有一个工厂模型搭配。

图4参考轨迹系统响应

图5没有参考轨迹的系统响应

致谢

作者向欧洲委员会表示感谢。

这个SMAC项目和他的工作在苏格兰委员会帮助下已经全部完成。