污水处理厂自动控制算法探讨

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3.0 高德中 2024-11-19 6 4 1.17MB 66 页 15积分

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摘要

污水处理过程是一个非线性过程，在目前尚无法精确的建立数学模型，由于

系统的滞后性，在系统出现控制质量不良的情况时往往不能及时发现，而通过软

测量对一些具有指标意义的参数进行实时估算和预测，在系统出现偏差时及时调

整控制参数，对于保证污水厂出水水质有着重要意义。另一方面，由于管理方式

粗放，控制控制方式简单，这些污水处理厂的能耗较高。为了降低污水处理厂的

能耗，我们从改进各个工艺的控制方式提高效率出发，在阅读学习了许多学者对

污水处理节能领域的研究成果后，本文讨论了使用主成分分析以及偏最小二乘法

对污水厂历史数据进行分析，对重要参数进行软测量和预测，通过计算机程序进

行了模拟。接着着重讨论了两个高耗能的工艺环节，进水泵房和曝气池。其中对

进水泵房使用参数自整定模糊 PID 算法进行讨论，在模拟中显示出了良好的效

果。对曝气池采用最优控制，以溶解氧和污泥回流量为参数建立模型，以能耗泛

函取最小为目标，在仿真中也表现出了较好的效果。在进行了污水处理厂的算法

讨论后，给出了本课题研究项目的松江污水处理厂三期扩建工程的系统实现。

关键词：污水处理节能最优控制偏最小二乘参数自整定模糊 PID

控制

ABSTRACT

With the increasing of the polluted water processing’s investment,a lot of sewage

treatment plant are underconstruction in the state.The process of the sewage treatment

is a nonlinear process with time delay,at present there is no accurate model of sewage

treatment process,due to the time delay of the system,the fault of the process could not

be detected immediately.This could lead to the failure of sewage treatment.Use the

method of soft-measuring,the important parameter of the process can be estimated

with real time,thus we can adjust the controller when we find the system is likely to

be in fault to ensure the quality of the treated water.In another aspect,the energy

consumption is considerable because of the simple and curde management and control

method.In order to reduce the energy consumption,we try to promote several

sub-procedures’ energy consumption efficiency.After reading and refer to many

scholars’ study and document,This article propose using the Partial Least Squre

method to analyze the historical data and then estimate the important parameter with

the method of soft-measuring.After that we investigate the two

high-energy-consumption procedures,pump-station and aeration tank.The simulation

demonstrate good result when using parameter-self-tunning Fuzzy PID control in the

procedure of water pumping.In the aeration procedure,the optimal control also has

fine result,using the DO and sludge reflux quantity as the control variable to establish

the energy consumption function.At last,the article gives the implention architecture

of the system.

Keyword:sewage treatment, energy-saving, Optimal control,

PartialLeastSquare,self-tunning Fuzzy PID control

摘要

ABSTRACT

第一章序言...................................................................................................................1

§1.1 课题的概况.......................................................................................................1

§1.2 发达国家污水处理厂自动控制系统现状及特点 ......................................................2

§1.3 本文的主要工作及主要关键技术...................................................................3

第二章污水处理厂运行数据的分析.............................................................................4

§2.1 污水处理过程参数数据的特点.......................................................................4

§2.2 对污水厂数据的预处理...................................................................................6

§2.3 污水处理过程中参数的软测量.......................................................................6

§2.4 本章小结.........................................................................................................17

第三章进水泵房的高效控制研究...............................................................................18

§3.1 进水泵房的高效运行探讨..............................................................................18

§3.2 蓄水池的建模.................................................................................................19

§3.3 参数自整定模糊 PID 控制............................................................................ 19

§3.4 本章小结.........................................................................................................29

第四章生化反应池的最优控制问题...........................................................................31

§4.1 生化反应池微生物反映模型.........................................................................31

§4.2 生化反应池的最优控制研究.........................................................................40

§4.3 鼓风机转速—风量—溶解氧系统控制方式探讨.........................................50

§4.4 本章小结.........................................................................................................53

第五章控制系统的结构...............................................................................................55

§5.1 控制系统采用的控制协议.............................................................................55

§5.2 系统的网络拓扑结构.....................................................................................55

§5.3 硬件设备.........................................................................................................56

§5.4 本章小结.........................................................................................................57

第六章总结...................................................................................................................59

§6.1 总结与展望.....................................................................................................59

参考文献.........................................................................................................................60

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................62

致谢.................................................................................................................................63

第一章序言

第一章．序言

§1.1课题的概况

目前污水处理厂的自动控制以集中监控为主，分散控制为辅，城市污水处理

厂的中心控制室可对全厂实现实时监控，生产的工艺过程自动控制采用就地单独

控制的原则进行。为了保证城市污水处理厂的安全运行，污水处理厂的自动控制

系统通常设立三级控制层:就地手动控制、现场监控和远程监控。三级控制层的具

体实现如下:污水处理厂中央控制室的PLC接受各现场的PLC子站传来的各个现场

的实时参数，由各现场的PLC直接控制有关设备。如果中心控制室PLC或局域网络

发生故障，不会影响污水处理厂内的各PLC分站的控制功能，如果PLC网络中某个

PLC子站发生故障，就通过就地控制箱对设备进行控制。

现代污水厂自动控制系统的主要特点：

1) 以PLC和工业以太网为核心的硬件架构;

2) 以符合工业标准的各类编程软件和专业通信和功能模块组成的软件架构:

3) 现场污水处理设备参数控制和供电系统控制一体化;

4) 中央控制系统的人机交互界面设计简洁，人性化，触摸屏等使操作更加简便的

HMI设备在各个现场得到有效使用。

污水处理厂的主要组成部分有如下：

(1)中央控制室:

中央控制室负责集中显示全厂工艺流程、各个设备的运行状况、关键环节的

重要参数。能够动态显示这些参数的变化以及实时和历史曲线。对不良状态及参

数进行报警，并能够自动或随机打印各种统计报表。备用泵和在用泵是否定时自

动切换，可由上位机设定。

(2)污水预处理系统

污水预处理系统主要是包括格栅、螺旋输送、启闭机、提升泵、漂浮式喷射

冷却器和初沉池刮泥机等设备组成，完成流入污水的前期处理，为后续的生物处

理做准备。

(3)生物处理系统

生物处理系统包括生化反应池等配套工艺设备，是完成污水处理的核心工艺，

通过活性污泥的代谢来使污水中的氮、磷等物质得到分离，生化反应池为这一过

程提供场所和反映需要的各类物质。

(4)制药、加药系统

制药、加药系统功能包括监测加药泵出口流量、压力以及制药系统以及加药

污水处理厂自动控制算法探讨

系统的运行状态。

§1.2 发达国家和国内污水处理厂自动控制系统现状及特点[1]

由于欧美国家的经济发展成熟较早，对于水污染问题的防治也较早，发达国家

的城市污水处理率普遍达到９０％以上，并且工艺也不断的发展完善，自动化水

平也得到发展，随着网络技术的发展，以工业以太网为代表的工业网络控制在污

水处理厂这样的应用环境下得到很好的发挥，通过资料可以了解到发达国家污水

处理厂自动控制系统的特点。

１) 采用分布式计算机控制系统，根据厂区分布情况分设数个分控站，设置中央

控制室，有完善的工业监视系统，各个现场的数据通过工业以太网等方式集中到

中央控制室，值班人员可以通过友好的人机界面随时查看参数。而现场可以实现

生产现场无人值守。

２) 控制系统采用冗余化设计，各个分控站有独立工作能力，提高了系统的安全

胜和可靠性。

３) 大量采用先进的在线水质分析仪表和智能化仪表，工艺过程趋于复杂，控制

精度更高，生产过程在不同程度采用智能控制，可以根据水资源变化自动对工艺

过程进行调整。

国内污水处理厂自动控制水平在部分水处理厂的实际运行过程中，处理效果

未能达到设计时的目标、运行费用高昂，效率不高等。

１）长期以来管理人员仅仅凭经验对工艺流程进行管理。这样的情况对于污水处

理过程的达标和节能是不利的，这种经验层面的知识很难上升到一个具有共性的

理论层面，对于污水处理过程的标准化和改进没有帮助。目前我国为了保护环境，

各地新建了不少城市污水处理厂。然而在这些新建的污水处理厂中，由于缺乏有

经验的运行管理人员，同时又缺少具有共性的控制方法，污水处理厂的运行就显

得更加困难。

２）已经开始采用大量可靠性高、维护简便的各种检测仪表和在线水质分析仪表，

为进一步提高污水厂自动控制水平提供了基础条件。但目前使用的大多是进口设

备，在使用和维护上存在一定问题，需要人员培训。

３)各种新的污水处理工艺不断出现，单元控制系统，如混凝剂投加控制、生物滤

池控制、曝气控制，己逐渐开始采用自动控制方式，各种控制理论开始得到应用。

４)人机界面的友好性和易用性有待提高。从国内城市污水处理厂计算机控制系统

的现状来看，目前还没有能够实现工艺过程全部自动控制的范例。造成这种情况

的原因一方面是因为国内污水处理工艺和生产管理水平不高，另一方面是由于控

制系统完全进口，使工艺改进在没有外国专家的情况下无法实施。自动控制系统

第一章序言

越运行范围越小，自动改手动，手动改人工严重影响了处理工艺的正常运行。

§1.3 本文的结构和论述探讨的内容主要如下：

第一章，序言，介绍污水处理厂控制系统的国内外现状及其主要特点。

第二章，对污水处理厂运行数据的特点进行分析，简要讨论各种数据预处理方法

和软测量的概念方法，以及对污水处理过程中参数软测量的方法予以探讨

第三章，对处理系统的第一个环节，进水泵房的高效控制的研究，探讨了自适应

模糊 PID 控制算法的适用性，给出分析过程和算法，并模拟运行予以试验。

第四章，针对污水处理过程中最重要的生化反应池部分予以介绍，给出从生物代

谢角度推导的物料平衡公式，以及由此推导出的最优控制方程组，求解的算法以

及对鼓风机频率（转速）与溶解氧系统控制方式的讨论。

第五章，控制系统的实现，介绍了松江污水处理厂三期改扩建工程自动控制系统

的系统架构和实现方法。

第六章，总结，对本文的内容和污水处理自动控制算法等内容做出了总结和展望。

污水处理厂自动控制算法探讨

第二章污水处理厂运行数据的分析

§2.1 污水处理过程参数数据的特点

污水处理过程是一个很复杂的工艺过程，它所涉及到的参数无论从类别还是

数量上来说，都非常多，它具有以下这样一些特点：

1.数据量大，非线性，高维数以及强耦合

污水处理厂运行过程中所记录的数据量是非常大的，并且运行数据之间相互作用，

其中对系统运行有较大影响的参数也很多，导致维数高，系统运行的机理也决定

了他们之间的强耦合关系，以及整体的非线性特点。

2.数据的不稳定性

在工业环境中，由于各种干扰，造成数据的错误和不稳定，如果遇到严重的数据

失真会导致历史数据使用价值的减少，会对学习和探索起误导作用，因此这样的

严重错误数据应当予以剔除。

3.不同数据间值域和精度差别巨大

作为控制参数和目标量的主要是生物反应池内的溶解氧含量和微生物复合以及单

位底物量等，单位为

/mg L

，而与控制直接相联系的比如阀门开度，鼓风机的转速，

电压频率和输气管的压力等，与前者不仅单位不同而且绝对值也不在一个数量级。

4.数据的非实时性

有些数据可以快速测得，比如污水中的溶解氧浓度，有些则需要数天的时间，比

如污水的生物需氧量（

BOD

）。这使得分析数据间的相互作用变得困难。

§2.2 对污水厂数据的预处理

污水处理厂的主要参数包括生物需氧量（BOD），化学需氧量（COD），总磷（TP），

总氮（TN）等，这些参数在被用于输入到控制模型进行处理前，需要进行归一化

和取出噪声等处理，否则由于数量级和错误数据的影响，会对是控制过程错误，

甚至失败，造成生化反应池反应条件变差，出水水质恶化。

１．首先对数据的测量误差进行处理

对于任何系统而言，测量（观测）误差是无法避免的，但是通过对误差分布规律

的研究，可以通过各种方法（主要是基于统计的）来减少误差数据对系统的影响。

测量数据的误差分为随机误差、系统误差、过失误差三类。随机误差是由于各种

不可测的随机因素造成的，系统误差则是由于诸如传感器的漂移和校订错误造成

的，而过失误差则是在数据在处理过程中的各种不当操作造成的，对数据的分析

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摘要：

摘要污水处理过程是一个非线性过程，在目前尚无法精确的建立数学模型，由于系统的滞后性，在系统出现控制质量不良的情况时往往不能及时发现，而通过软测量对一些具有指标意义的参数进行实时估算和预测，在系统出现偏差时及时调整控制参数，对于保证污水厂出水水质有着重要意义。另一方面，由于管理方式粗放，控制控制方式简单，这些污水处理厂的能耗较高。为了降低污水处理厂的能耗，我们从改进各个工艺的控制方式提高效率出发，在阅读学习了许多学者对污水处理节能领域的研究成果后，本文讨论了使用主成分分析以及偏最小二乘法对污水厂历史数据进行分析，对重要参数进行软测量和预测，通过计算机程序进行了模拟。接着着重讨论了两个高耗能的工艺...

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