[發(fā)明專利]基于無抖振模糊滑模的污水處理脫氮過程控制方法

有效

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• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112327615B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 韓紅桂;王童;伍小龍
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;C02F7/00
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

一種基于無抖振模糊滑模的控制方法，屬于自動控制、信息技術(shù)領(lǐng)域，也屬污水處理技術(shù)領(lǐng)域。針對污水處理脫氮過程的高度非線性、多變量耦合、干擾嚴(yán)重等特點(diǎn)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)過程中硝態(tài)氮和溶解氧濃度的精確控制；所述方法能進(jìn)行內(nèi)回流量和曝氣量的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，保障流程在多變的工況下長期穩(wěn)定運(yùn)行；克服強(qiáng)干擾同時保持控制精度，抑制控制信號抖振；并且無需建立精確的數(shù)學(xué)模型，為模型未知的工業(yè)系統(tǒng)提供了新型的控制方案。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明基于無抖振滑模和自適應(yīng)模糊控制技術(shù)，提出污水處理脫氮過程的硝態(tài)氮和溶解氧濃度的精確控制方法。是一種無模型的非線性多變量控制方法，也是魯棒控制和智能控制方法的結(jié)合。屬于自動控制、信息技術(shù)領(lǐng)域，也屬污水處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

富營養(yǎng)化是水污染的主要問題之一，我國已對污水處理的出水總氮提出了更嚴(yán)格的要求。而污水中的含氮污染物無法通過投加藥劑等方法去除，因此脫氮過程是污水深度處理的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

現(xiàn)有城市污水處理常使用生物處理法，其中脫氮過程主要被控量是硝態(tài)氮和溶解氧濃度，以上變量對脫氮過程的轉(zhuǎn)化效率有直接的影響，調(diào)節(jié)手段是通過回流量和曝氣量控制。然而該處理中存在復(fù)雜的物理、化學(xué)變化，及顯著的組分濃度波動和流量波動，這使得過程被控量變化劇烈，穩(wěn)定控制非常困難。而且氨氮去除環(huán)境需要較高溶解氧濃度；與之相反硝態(tài)氮去除則要低溶解氧的缺氧環(huán)境。由于相互矛盾的反應(yīng)條件，傳統(tǒng)控制方法很難同時控制多個回路。

穩(wěn)定的控制是保證生產(chǎn)過程安全可靠運(yùn)行的前提，同時也是減少和應(yīng)對異常工況的關(guān)鍵。隨著近年國內(nèi)外智能控制方法的研究進(jìn)展，提高了控制方法的適應(yīng)能力，但對于強(qiáng)非線性和顯著工況變化的污水處理過程，仍然會出現(xiàn)穩(wěn)定性差、適應(yīng)能力有限、控制精度不足的問題；傳統(tǒng)魯棒控制的高增益、高頻率抖振問題也制約了其實(shí)際應(yīng)用。本發(fā)明所述的無抖振模糊滑模方法旨在提高污水處理過程在強(qiáng)擾動、變化工況下的多變量精確控制性能，并保證流程的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對典型的污水處理A/O生物脫氮工藝，提出基于無抖振模糊滑模的控制方案如下：

步驟1：確定控制對象

本發(fā)明所述控制方法針對污水處理生物脫氮工藝中的硝態(tài)氮S_no和溶解氧濃度S_o進(jìn)行控制，控制單元利用在線傳感器信號，基于S_no與目標(biāo)值的誤差，實(shí)現(xiàn)對內(nèi)回流量Q_intr的調(diào)節(jié)；基于S_o與目標(biāo)值的誤差，實(shí)現(xiàn)好氧末段曝氣量K_La5的調(diào)節(jié)；規(guī)定被控對象的誤差為：

其中e₁(t)為t時刻硝態(tài)氮濃度與目標(biāo)值的誤差，y₁(t)為t時刻的硝態(tài)氮濃度，y_1d(t)為t時刻的硝態(tài)氮目標(biāo)值；e₂(t)為t時刻溶解氧濃度與目標(biāo)值的誤差，y₂(t)為t時刻的溶解氧濃度，y_2d(t)為t時刻的溶解氧目標(biāo)值；

建立滑模變量以得到被控對象的動態(tài)特性，定義為：

其中s₁(t)為t時刻硝態(tài)氮誤差的滑模變量，∫表示累加計算，dt表示采樣間隔，s₂(t)為t時刻溶解氧誤差的滑模變量；

步驟2：設(shè)置無抖振滑模控制器

所述的無抖振滑模控制器基于魯棒穩(wěn)定性理論設(shè)計，用于維持系統(tǒng)在強(qiáng)擾動和高度不確定性下的控制性能；控制器輸入為滑模變量s₁，s₂，輸出為：