[发明专利]一种基于多梯度下降的污水处理过程优化控制方法

说明书

技术领域

本发明利用基于多梯度下降的模型预测控制方法实现污水处理过程中溶解氧DO和硝态氮S_NO浓度的控制，溶解氧DO和硝态氮S_NO的浓度直接决定了污水处理的效果，对出水水质和污水处理过程的能耗有着重要影响。将基于多梯度下降的模型预测控制方法应用于污水处理系统，对溶解氧DO和硝态氮S_NO进行优化控制，既可节约投资和运行成本，又能促使污水处理厂高效稳定运行，是先进制造技术领域的重要分支，既属于控制领域，又属于水处理领域。

背景技术

污水生化处理过程的实质是利用人工培养的微生物群体来吸附、分解、氧化污水中可生物降解的有机物，通过生物化学反应，将这些有机物从污水中分离出来，使污水得到净化。城市污水处理厂的有效运行对于削减污染物排放量、改善水环境、促进水资源有效利用发挥了重要作用，是缓解水资源匮乏的重要举措；国家中长期科技发展规划中提出要研究并推广高效、低能耗的污水处理新技术。因此，本发明的研究成果具有广阔的应用前景。

污水处理过程中硝化反应主要是在有氧条件下发生的，溶解氧DO浓度的大小直接影响了硝化反应进程，溶解氧DO浓度变大时，系统中出水氨氮和总氮的浓度就会呈下降趋势，但是当溶解氧DO浓度达到一定值时，出水中的氨氮的变化幅度就减弱了，而且总氮也受硝态氮的影响，硝态氮增加时，总氮浓度也会升高。然而，污水处理过程中反硝化反应主要是在缺氧环境下进行的，缺氧区的硝态氮S_NO浓度是衡量脱氮效果的重要指标，它反映了反硝化反应过程的进程，将硝态氮S_NO浓度控制在一个合适的范围内，能够提高反硝化反应的潜力。因此，对曝气池中溶解氧DO和硝态氮S_NO的控制非常重要，需要将溶解氧DO和硝态氮S_NO浓度控制在一定范围内，才能高效利用硝化反应的潜力。传统的开关控制或者PID控制，虽然是当前应用较为广泛的控制方法，但是由于氧气的溶解过程受入水水质、温度和pH值等方面的影响，具有高度非线性、强耦合性、时变、大滞后和不确定性等特点。采用传统的开关控制或者PID控制方法自适应能力较差，往往不能取得理想的控制效果。因此，必须寻求新的控制方法，以满足污水处理过程控制的需要。优良的控制可以节省污水处理运行费用，同时也是减少和应对异常工况发生、保障污水处理过程正常运行的关键。此外，通过提高污水处理过程自动化水平，还可以有效地减少运行管理和操作人员，降低运行费用。

本发明设计了一种基于多梯度下降的模型预测控制方法，主要通过多梯度下降方法对控制目标进行优化，实现溶解氧DO和硝态氮S_NO的在线控制。

发明内容

本发明获得了一种基于多梯度下降的污水处理模型预测控制方法，该控制器基于多梯度下降的优化方法求解污水处理过程的多目标问题，通过控制优化后的曝气量和内循环回流量达到控制溶解氧DO和硝态氮S_NO浓度的目的；解决了污水处理过程多目标优化控制的问题，提高了污水处理过程中溶解氧DO和硝态氮S_NO浓度的控制精度，保障污水处理过程正常运行；

本发明采用了如下的技术方案及实现步骤：

1.一种基于多梯度下降的污水处理过程优化控制方法包括以下步骤：

针对序批式间歇活性污泥系统中溶解氧DO和硝态氮S_NO进行控制，以曝气量和内循环回流量为控制量，溶解氧DO和硝态氮S_NO浓度为被控量；

(1)设计用于污水处理过程中溶解氧DO和硝态氮S_NO浓度预测控制方法的多目标函数：