本文關(guān)鍵詞：污水生化處理系統(tǒng)的智能預(yù)測及魯棒優(yōu)化控制研究　出處：《華南理工大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：污水生化處理是一個隨機、時變和耦合的復(fù)雜過程,傳統(tǒng)的優(yōu)化控制方法難以有效應(yīng)用。智能控制和魯棒控制等控制理論的引入能有力推動污水處理研究的發(fā)展。最小二乘支持向量機、小增益定理、Kharitonov定理、回路成形、V-gap理論、遺傳算法和粒子群算法等作為研究工具在許多領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用,但應(yīng)用在污水處理領(lǐng)域的研究還很少。本文在總結(jié)前人對上述算法和污水處理系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上,將相應(yīng)算法進行改進和綜合,應(yīng)用于污水處理系統(tǒng)的出水水質(zhì)參數(shù)預(yù)測和魯棒優(yōu)化控制,為污水處理廠的優(yōu)化控制提供了理論依據(jù),并取得了一定的研究成果。本文的主要研究內(nèi)容概括如下:1.生化需氧量(BOD)是監(jiān)測水體中有機物污染狀況的重要指標,反映水體被有機物污染的程度,但這一指標很難實現(xiàn)在線監(jiān)測和利用該指標進行反饋控制。針對這一問題,本文提出了一種在線更新Gustafson-Kessel(GK)模糊聚類和最小二乘支持向量機相結(jié)合的算法。為了提高在線運算速度和減少存儲空間,GK模糊聚類算法對相似聚類合并;在線遞推最小二乘支持向量機過程中,采用一種帶時間窗型在線稀疏算法,利用快速留一交叉驗證法(Fast Leave-One-Out Cross-Validation,簡稱FLOO-CV)刪除對模型整體性能影響最小的冗余樣本。將該算法應(yīng)用于污水處理出水水質(zhì)指標BOD的預(yù)測,實驗結(jié)果表明本文提出的方法預(yù)測結(jié)果精度更高,運算速度更快。2.以回流的微生物濃度為控制變量,對污水處理不確定模型通過線性分式變換進行簡化。通過小增益定理或Kharitonov定理將控制目標轉(zhuǎn)換為不等式約束凸優(yōu)化問題,采取遺傳算法對控制器參數(shù)尋優(yōu)。將該算法應(yīng)用于簡化的活性污泥數(shù)學(xué)模型的回流微生物濃度控制,相對傳統(tǒng)的魯棒控制器設(shè)計方式,避免了解復(fù)雜的Riccati方程,計算簡單,控制器階次低,更易于工程上的實現(xiàn)。仿真結(jié)果表明了該方法控制性能優(yōu)良,魯棒性能較好。3.溶解氧濃度是污水生化處理過程中的一個重要參數(shù)。溶解氧濃度模型是一種典型的不確定時變系統(tǒng),其系統(tǒng)復(fù)雜,普遍存在參數(shù)變化,有外干擾等問題。傳統(tǒng)控制手段難以有效的控制溶解氧濃度。針對模型不確定性,本章在間隙度量的基礎(chǔ)上,提出了一種基于線性矩陣不等式技術(shù)的?H回路成形方法,設(shè)計了基于間隙度量的溶解氧濃度魯棒控制器。該算法通過?H回路成形和V-gap理論將控制問題轉(zhuǎn)換為凸約束優(yōu)化問題,然后對遺傳算法和粒子群算法進行比較,最后采取粒子群算法對魯棒控制器參數(shù)進行尋優(yōu),得到一個低階控制器,避免了復(fù)雜的計算。仿真結(jié)果證明該控制器能夠很好地克服不確定模型帶來的模型誤差和抑制干擾。4.生物硝化、反硝化處理是脫除廢水中硝態(tài)氮的有效手段�；诿摰磻�(yīng)機理,通過探討生物脫氮反應(yīng)過程的動力學(xué)方程式和子過程相關(guān)化學(xué)計量關(guān)系式,比較有效地構(gòu)建了活性污泥法簡化硝態(tài)氮數(shù)學(xué)模型。根據(jù)簡化硝態(tài)氮數(shù)學(xué)模型,污水處理廠需要通過調(diào)整生化反應(yīng)池中的有機碳和硝酸氮等組分的濃度,實現(xiàn)硝態(tài)氮的去除�？紤]同時存在參數(shù)、結(jié)構(gòu)及干擾的不確定性,提出基于?H理論和遺傳粒子群算法的魯棒控制器設(shè)計算法。該算法根據(jù)系統(tǒng)的標稱性能、魯棒穩(wěn)定性和魯棒性能條件,將控制問題轉(zhuǎn)換為凸約束優(yōu)化問題。然后對遺傳算法、粒子群算法和遺傳粒子群混合算法進行比較和分析。最后采取遺傳粒子群算法對魯棒控制器參數(shù)進行尋優(yōu)。仿真結(jié)果表明所提出的設(shè)計方法能有效的克服進水波動帶來的干擾,相對Ziegler-Nichols(Z-N)和Cohen-Coon(C-C)整定方式,控制效果更好。5.針對污水處理過程能量消耗過大、運行成本高的問題,研究了基于智能算法(遺傳算法、粒子群算法和遺傳粒子群算法)的污水生化處理系統(tǒng)中關(guān)鍵控制器參數(shù)設(shè)定值的確定問題。以污水處理系統(tǒng)的運行能耗和出水水質(zhì)作為目標優(yōu)化函數(shù),利用智能算法尋優(yōu)出溶解氧濃度和硝酸氮濃度以“天”為周期的動態(tài)最優(yōu)設(shè)定值。然后利用尋優(yōu)出的每段最優(yōu)參考值對污水處理系統(tǒng)進行分時段動態(tài)控制。通過在國際水協(xié)會提供的BSM1(Benchmark Simulation Model no.1)平臺上進行優(yōu)化控制仿真實驗,仿真結(jié)果表明優(yōu)化后的系統(tǒng)相對定常設(shè)置系統(tǒng)可以降低運行能耗,且以遺傳粒子群算法優(yōu)化的節(jié)能效果最好。
[Abstract]:This paper presents an online update Gustafson - Kessel ( GK ) fuzzy clustering and least squares support vector machine . This paper deals with the determination of key controller parameters in sewage biochemical treatment system based on the theory of genetic algorithm , particle swarm optimization and genetic particle swarm optimization . The simulation results show that the proposed design method can effectively overcome the disturbance caused by the fluctuation of water inflow . The simulation results show that the proposed design method can effectively overcome the disturbance caused by water inflow fluctuation .

【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：X703;TP18;TP273

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本文編號：1377249