污水生物处理过程动力学建模与控制器设计

摘要

污水处理过程具有高非线性以及进水流量随机变化等特性，同时由于缺乏精确的生物传感器，使得一些重要变量在线测量比较困难甚至无法进行。因此，对污水生物处理过程进行建模、状态观测与控制器设计的研究具有非常重要的意义。本文把污水处理连续流反应器作为研究对象，从动力学建模、性态分析以及控制论角度对污水生物处理过程进行了研究。具体内容分为以下两部分：
　　第一，为了满足排污标准，对污水流入流出反应器方式进行了约束，首先用脉冲注入排出方式替换原有连续模式，建立了基于状态反馈脉冲调节的生物反应器模型，借助于脉冲动力系统相关理论对模型的动力学性态进行了分析，特别是周期解的存在性与稳定性，并借助于周期行为以污染物排放率为优化目标对模型参数进行了优化处理；其次，用开关流入流出方式替换连续方式，建立了基于变结构控制的生物反应器模型，并借助于Filippov系统相关理论对模型进行了定性分析，讨论了滑动模态的存在性及相应的动力学性态。
　　第二，为了实现反应器内污水浓度快速达到某一给定排放水平，对反应器控制问题进行了研究。首先，选取注入微生物浓度为控制输入，同时考虑到生物量无法在线实时检测，通过设计基于勒贝格观测器的反馈线性化控制器和反步控制器，实现污水浓度的跟踪功能。其次，选取反应器稀释率为控制输入，同时考虑到生物量不能在线实时检测以及模型的不确定性，设计了滑模观测器，进而构造反馈控制器，实现污水浓度的跟踪功能。并用MATLAB软件进行数值仿真，仿真结果验证了所提方法的有效性。

目录

声明

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 国外污水处理情况

1.2.2 国内污水处理情况

1.2.3 污水生物处理过程分析

1.3 主要研究内容

2 预备知识

2.1 污水生物处理过程一般模型

2.2 非光滑动力系统

2.2.1 脉冲动力系统

2.2.2 Filippov系统

2.3 滑模观测器

3 污水生物处理过程动力学建模与优化

3.1 基于状态反馈调节污水生物处理过程模型

3.1.1 动力学性态分析

3.1.2 阶1周期解的稳定性

3.1.3 计算机仿真

3.1.4 小结

3.2 基于变结构控制的污水生物处理过程模型

3.2.1 各子系统性态分析

3.2.2 系统（3.11）的全局性态

3.2.3 数值模拟

3.2.4 小结

4 污水生物处理连续流反应器控制器设计

4.1 微生物注入浓度控制设计

4.1.1 反馈线性化（FBL）控制设计

4.1.2 反步(BS)控制器设计

4.1.3 FBL控制和BS控制仿真对比

4.1.4 基于龙贝格观测器的FBL控制器设计

4.1.5 基于龙贝格观测器的BS控制器设计

4.1.6 小结

4.2 反应器稀释率控制设计

4.2.1 滑模观测器设计

4.2.2 控制器设计

4.2.3 计算机仿真

4.2.4 小结

结论

参考文献

致谢