在活性污泥法污水生化處理過程的控制研究中，可以作為受控變量和操作變量的有許多，如何進(jìn)行輸入輸出變量配對(duì)，已經(jīng)有一些經(jīng)驗(yàn)法則，一般是與具體的工藝流程配置有關(guān)的。由于生化反應(yīng)器內(nèi)各子過程以及與二次沉降池之間的參數(shù)存在相互關(guān)聯(lián)，采用單回路控制時(shí)系統(tǒng)間必然存在耦合現(xiàn)象。因此在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，更多地應(yīng)該把生化反應(yīng)過程的主要受控變量和操作變量作為一個(gè)整體考慮，即構(gòu)造多變量控制系統(tǒng)。

本文以體現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部硝化及反硝化生化反應(yīng)進(jìn)展?fàn)顩r的2號(hào)生化反應(yīng)器中的氨氮與硝酸氮濃度為被控對(duì)象，以溶解氧設(shè)定值(DO)及內(nèi)循環(huán)流量為操作變量，采用活性污泥1號(hào)模型(AsM1)為控制器設(shè)計(jì)模型，設(shè)計(jì)了多變量預(yù)測(cè)控制算法。通過對(duì)ASM1模型的閉環(huán)控制仿真，結(jié)果表明多變量預(yù)測(cè)控制與傳統(tǒng)的帶解耦比例積分微分(PID)控制相比，在解耦和動(dòng)態(tài)性能等方面具有更好的控制品質(zhì)。

1 系統(tǒng)描述與控制方案設(shè)計(jì)

1．1 數(shù)學(xué)模型分析

典型的活性污泥法污水生化處理過程包括生化反應(yīng)池和沉淀池，如圖1所示。其中反應(yīng)池分為5個(gè)池，沉淀池分為1O層。其數(shù)學(xué)模型由于其內(nèi)部復(fù)雜的機(jī)理關(guān)系而非常復(fù)雜，最常用的數(shù)學(xué)模型是國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)1986年推出的ASM1模型n]，包含13種組分的變量，在流通中進(jìn)行8個(gè)子反應(yīng)過程。在每個(gè)生化反應(yīng)池中，物料變化遵循物料平衡公式：

累積量 - 反應(yīng)生成量 + 輸入量 - 輸出量(1)

沉淀池的數(shù)學(xué)模型采用Takacs等。開發(fā)的二次指數(shù)沉淀速率模型模擬沉淀過程。由于在進(jìn)行污水生化處理過程中的氮去除時(shí)，主要是控制生化反應(yīng)中的硝化及反硝化反廊講程，缺氧區(qū)的末端即2號(hào)反應(yīng)器內(nèi)的S N0和S NH 最為關(guān)鍵，因此可將該號(hào)反應(yīng)器內(nèi)的S N0和S NH 作為被控變量。

1．2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

對(duì)ASM1模型來(lái)說(shuō)，污水處理的水質(zhì)控制指標(biāo)一般是S N0和S NH 若采用單回路PID控制，當(dāng)內(nèi)循環(huán)流量Q和溶解氧濃度DO變化時(shí)S N0和S NH 都將隨之變化，兩路輸入與兩路輸出之間存在交叉耦合關(guān)系。

相對(duì)增益矩陣(RGA)[3]可用來(lái)分析多變量系統(tǒng)的變量間耦合關(guān)系，矩陣的各個(gè)元素反映了各輸出變量受輸入變量影響的程度。對(duì)ASM1模型在MATLAB／SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行仿真計(jì)算，得到內(nèi)循環(huán)流量Q 和溶解氧濃度DO兩個(gè)操縱變量與被控變量氨氮濃度S NH 和硝酸氮濃度S N0的穩(wěn)態(tài)增益矩陣為：

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

由以上分析可知，如果分別對(duì)S NH 和 S N0  進(jìn)行單回路控制，不能解決 nS NH 和 S N0  之間存在的耦合問題。如果其中的一個(gè)變量出現(xiàn)波動(dòng)，必將影響到另外一個(gè)變量的值，使之也出現(xiàn)波動(dòng)，因而擬對(duì)這兩個(gè)被控變量實(shí)施多變量預(yù)測(cè)控制方案。

首先采用穩(wěn)態(tài)建模，在穩(wěn)態(tài)下對(duì)Q 、DO施加階躍輸入，得到對(duì)象響應(yīng)如圖3所示，從而獲得對(duì)象的預(yù)測(cè)模型。

參考文獻(xiàn)：
[1] Henze M，Grady Jr C P L，Gujer W，et al，Activated sludge model No．1[A]．IAWPRC scientific and technical reports[c]．London：IAWPRC，1987．
[2] Takacs I，Party G G，Nolasco D．A dynamic model of the clari-fication thickening process[J]Water Research，1991，25(10)1263-1271．
[3] 王桂增．高等過程控制[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2002．
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