模糊控制理论在活性污泥系统中的应用与优化

摘要

活性污泥法是应用最普遍的废水生物处理方法。在活性污泥过程中,细菌的生物悬浮液(活性污泥)是负责清除污染物。活性污泥污水处理厂(污水处理厂)的设计和具体应用,可以实现生物氮(N)的去除和生物磷(P)的去除率,除了去除有机碳物质。显然,许多不同的活性污泥工艺配置已经发展和演变了很多年。历史中可以发现很多对活性污泥工艺的改进和变革。
　　活性污泥污水处理过程机理复杂同时具有强耦合性、高度非线性、不确定性,并且污水入水组分波动很大等特点。为了缓解我国水资源问题,提高我国污水自动化处理水平及处理效果,及时设计出一系列高效的控制、建模和仿真模型具有深远的实际意义。
　　本文把活性污泥系统中比较有代表性的DO溶解氧过程作为控制对象,运用模糊控制的思想来对该过程进行优化,并且与普通PID控制作对比。为了避免模糊控制器中三个输出变量的耦合与相互影响关系,本文将两输入三输出的多维模糊控制模型划分为三个两输入单输出的二维模糊控制模型。从仿真结果中我们可以知道,普通PID控制与模糊PID控制的误差都在允许范围内,而模糊PID控制在误差控制方面更加精确,同时也为后面优化模糊控制提供了一定的依据。
　　考虑到模糊控制可能会陷入局部最优化的情形,本文提出了基于遗传算法的模糊控制方案,方案的主体思想是利用遗传算法优化模糊控制规则和隶属度函数。在选取适应度函数时,采用典型的ITAE(Integrated Time and Absolute Error)积分时间和绝对误差函数,同时为了避免超调量过大,我们采用设定惩罚阈值,即一旦系统产生超调量,就把超调量作为最优指标中的一项,对ITAE函数作了进一步的改进。从仿真结果中可以看出,在响应速度、超调量和稳定时间等方面,模糊PID控制比常规PID控制有更好的性能指标,而基于遗传算法的模糊PID控制则在此性能指标上更胜一筹。

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1 绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2 活性污泥系统简介及污水处理流程

1.3活性污泥数学模型研究动态

1.4活性污泥模型进展

1.5活性污泥模型控制策略综述

1.6本文的主要研究内容和章节安排

2 活性污泥中反应池数学模型

2.1模型描述

2.2模型方程

2.3无量纲化

2.4确定参数

2.5本章小结

3 模糊控制在活性污泥系统中应用的可行性分析

3.1模糊集合理论

3.2模糊控制的应用领域及国内外研究现状

3.3模糊控制器设计方法

3.4模糊控制在污泥回流模型中的应用

3.5本章小结

4 模糊PID控制在活性污泥过程中的应用

4.1活性污泥系统中的曝气过程

4.2溶解氧过程的模糊建模

4.3曝气过程模糊PID控制器

4.4仿真分析模糊PID控制DO中的应用

4.5本章小结

5基于遗传算法的模糊控制的优化

5.1遗传算法原理及其对模糊控制的优化

5.2 模糊集合的编码

5.3适应度函数和其它各参数选取

5.4 基于遗传算法的模糊规则的优化

5.5基于遗传算法的模糊隶属函数的优化

5.6遗传算法在DO模糊控制优化中的应用

5.7本章小结

6 总结与展望

参考文献

致谢