污水处理过程溶解氧pid神经元控制器的设计(附件)
本文介绍的是污水处理法之一的活性污泥法。影响此方法处理效率高低的因素之一就是曝气池内充入氧气的量。为了保证有效的降解有机污染物必须将溶解氧浓度维持在合适的范围内，这样才能达到净化污水的目的。正是因为这样，精准的调控曝气池中的溶解氧浓度就显的十分必要。国内外的很多专家学者都对此问题进行了深入研究，本人根据国际通用的污水处理BSM1模型，在前人的基础上研究了神经元PID控制检测溶解氧浓度的有效性与可行性，实验仿真结果表明本人采用的方法具备以上特性。本课题所研究的神经元PID控制器，就是在传统PID控制器的基础上引入神经元网络、借用神经元网络自学习、分布式存储信息等优势克服传统PID控制器参数整定不齐，控制精度不高等缺点。关键词 神经元控制，BSM1模型, 活性污泥法
目录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 污水处理过程及研究现状 2
1.3 课题研究内容 4
2 活性污泥法处理的基准仿真模型BSM1 4
2.1 BSM1模型的结构 4
2.2 生化反应池模型 6
2.3 二沉池模型 11
2.4 本章小结 12
3 神经元PID控制器 13
3.1 人工神经网络——ANN 13
3.2 基于BP神经元网络的PID整定原理 13
3.3 BP神经元网络PID控制器算法 15
3.4 改进型BP神经网络 16
3.5 本章小结 19
4 溶解氧浓度的PID神经元控制器 20
4.1 神经元PID控制优点 20
4.2 实验与仿真结果 21
4.3 实验对比 23
4.4 本章小结 25
结论 26
致谢 27
参考文献 28
附录 30
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.1.1 研究背景
从拥有淡水总量的角度来说，我国水资源丰富，储量占世界淡水总量的6%，世界排名第四位。但是从人均水资源来看，因为 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
我国庞大的人口基数，我国人均水资源量仅有世界平均水平的1/4。这就导致了，长期以来，水资源短缺、分布不均问题一直困扰着我国，这也是南水北调的重要原因之一。天然的水资源匮乏加上人为后天污染我国的水资源不足问题日益严重。根据国内标准划分出五类水质，一类到三类简单净化就能直接饮用，四类与五类为不可饮用水。根据《2015中国环境状况公报》，中国七大水系中第四类及其以下水质达到27.9％。例如，北方重要水源之一的黄河，其中37.8%的水量已经不能作为生活用水，失去了使用功能。黄河尚且如此，内陆湖泊自然无法例外，三大淡水湖泊太湖巢湖和洪泽湖都遭受了一定程度的污染。
水作为人类赖以生存的必需品，一旦受到污染就可能对人类造成极大的危害。2010年7月3日，福建紫金矿业9100立方米的铜酸水泄露，仅死鱼就超过300万斤；2011年12月江西铜业违规排污，下游40多万群众的生活收到影响；2012年1月，广西两家企业违规排放污水造成镉污染，渔民损失惨重。等等事件，每一个都触目惊心。
我国的水污染情况如此严重，究其根源在于大量排放未经处理的污水。据资料显示，至2015年我国污水排放量达到7353亿吨与青海湖相当。在这7353亿吨中生活污水占了70%，主要由洗涤水、粪便水以及各种生活垃圾组成。生活污水不光是直接破坏水质，而且其中包含的有机物容易滋生大量的细菌，消耗水中氧气，进一步破坏水质。除此之外，工业废水的危害也不可忽略。工业废水通常含有有毒的工业原料、重金属等，对环境与生物的危害比生活污水更直接，更严重，往往短时间内就能造成十分严重的后果。无论哪种污染，都有着类似的原因。造成水污染的根本原因是排污权观念低和经济因素。污水处理的成本对许多中小型企业是不小的负担，加上早年间的法律法规不完善，种种因素下就形成了如今的局面。
1.1.2 研究意义
在国际上流行的污水处理法可以分为两类：物化处理和生化处理。生物处理又可以细分为厌氧和好氧。本文介绍的是活性污泥法，活性污泥法是好氧处理法之一，此方法是通过活性污泥中的微生物进行生命活动来降解有机污染物，达到净化水质的目的。曝气池中溶解氧（DO）的浓度在整个污水处理流程中占有重要地位，影响着整个系统的工作效率。所以我们有必要对溶解氧的浓度进行监测、控制，将浓度维持在一个合适的范围里。欧美国家在此方面起步较早，发展较快，我国才引入不久所以急需找到一种能够精确调控溶解氧浓度的方法。
1.2 污水处理过程及研究现状
1.2.1 处理过程
活性污泥法属于好氧处理，主体是微生物，微生物的主体是细菌。首先将废水连续曝气，催生其中的好氧性微生物并加快其繁殖，一段时间后就会形成污泥状絮凝物，这就是活性污泥。然后，具有极强吸附、降解能力的微生物群通过代谢过程将污水中的有机物分解为生物能量和无机物。最后，经过处理的混合液排入二沉池中，污泥沉淀到底部与水分离，大部分污泥经过回流系统返回曝气池，剩下的部分则排出系统不再参加处理流程。活性污泥法流程图如下所示：
活性污泥法由五部份组成：
曝气池：通过微生物代谢过程分解有机物；②二沉池： 1)分离活性污泥与净化后的水体；2)对活性污泥进行回流与排放；③回流系统： 1) 控制曝气池中的污泥浓度;2)改变回流比，改变曝气池的运行状况；④剩余污泥排放系统： 1)是去除有机物的途径之一；2)维持系统的稳定运行；⑤供氧系统： 为曝气池提供足够的溶解氧。
曝气池中的反应是最关键的，在其中是回流的活性污泥与排放的污水组成的混合液。在曝气池的底部装有空气扩散装置，用来接收从空压机输送过来的压缩空气，把压缩空气以小气泡的形式输送到混合液中，增加混合中溶解氧的浓度，使混合液长期处于悬浮状态。如此，好氧菌、溶解氧、有机污染物充分充分接触，曝气池中的反应得以正常维持。反应主要分为两个阶段：
第一阶段，吸附。微生物群与有机物相比表面积巨大且表面具有粘性，能够吸附污水中的有机物。
第二阶段，降解。在溶解氧充足的环境中，微生物通过自身的代谢过程将有机物分解为二氧化碳和水以及无机物。曝气池中的正常反应结束后，污水中的有机物被分解，好氧菌也得到繁殖。
目录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 污水处理过程及研究现状 2
1.3 课题研究内容 4
2 活性污泥法处理的基准仿真模型BSM1 4
2.1 BSM1模型的结构 4
2.2 生化反应池模型 6
2.3 二沉池模型 11
2.4 本章小结 12
3 神经元PID控制器 13
3.1 人工神经网络——ANN 13
3.2 基于BP神经元网络的PID整定原理 13
3.3 BP神经元网络PID控制器算法 15
3.4 改进型BP神经网络 16
3.5 本章小结 19
4 溶解氧浓度的PID神经元控制器 20
4.1 神经元PID控制优点 20
4.2 实验与仿真结果 21
4.3 实验对比 23
4.4 本章小结 25
结论 26
致谢 27
参考文献 28
附录 30
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.1.1 研究背景
从拥有淡水总量的角度来说，我国水资源丰富，储量占世界淡水总量的6%，世界排名第四位。但是从人均水资源来看，因为 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
我国庞大的人口基数，我国人均水资源量仅有世界平均水平的1/4。这就导致了，长期以来，水资源短缺、分布不均问题一直困扰着我国，这也是南水北调的重要原因之一。天然的水资源匮乏加上人为后天污染我国的水资源不足问题日益严重。根据国内标准划分出五类水质，一类到三类简单净化就能直接饮用，四类与五类为不可饮用水。根据《2015中国环境状况公报》，中国七大水系中第四类及其以下水质达到27.9％。例如，北方重要水源之一的黄河，其中37.8%的水量已经不能作为生活用水，失去了使用功能。黄河尚且如此，内陆湖泊自然无法例外，三大淡水湖泊太湖巢湖和洪泽湖都遭受了一定程度的污染。
水作为人类赖以生存的必需品，一旦受到污染就可能对人类造成极大的危害。2010年7月3日，福建紫金矿业9100立方米的铜酸水泄露，仅死鱼就超过300万斤；2011年12月江西铜业违规排污，下游40多万群众的生活收到影响；2012年1月，广西两家企业违规排放污水造成镉污染，渔民损失惨重。等等事件，每一个都触目惊心。
我国的水污染情况如此严重，究其根源在于大量排放未经处理的污水。据资料显示，至2015年我国污水排放量达到7353亿吨与青海湖相当。在这7353亿吨中生活污水占了70%，主要由洗涤水、粪便水以及各种生活垃圾组成。生活污水不光是直接破坏水质，而且其中包含的有机物容易滋生大量的细菌，消耗水中氧气，进一步破坏水质。除此之外，工业废水的危害也不可忽略。工业废水通常含有有毒的工业原料、重金属等，对环境与生物的危害比生活污水更直接，更严重，往往短时间内就能造成十分严重的后果。无论哪种污染，都有着类似的原因。造成水污染的根本原因是排污权观念低和经济因素。污水处理的成本对许多中小型企业是不小的负担，加上早年间的法律法规不完善，种种因素下就形成了如今的局面。
1.1.2 研究意义
在国际上流行的污水处理法可以分为两类：物化处理和生化处理。生物处理又可以细分为厌氧和好氧。本文介绍的是活性污泥法，活性污泥法是好氧处理法之一，此方法是通过活性污泥中的微生物进行生命活动来降解有机污染物，达到净化水质的目的。曝气池中溶解氧（DO）的浓度在整个污水处理流程中占有重要地位，影响着整个系统的工作效率。所以我们有必要对溶解氧的浓度进行监测、控制，将浓度维持在一个合适的范围里。欧美国家在此方面起步较早，发展较快，我国才引入不久所以急需找到一种能够精确调控溶解氧浓度的方法。
1.2 污水处理过程及研究现状
1.2.1 处理过程
活性污泥法属于好氧处理，主体是微生物，微生物的主体是细菌。首先将废水连续曝气，催生其中的好氧性微生物并加快其繁殖，一段时间后就会形成污泥状絮凝物，这就是活性污泥。然后，具有极强吸附、降解能力的微生物群通过代谢过程将污水中的有机物分解为生物能量和无机物。最后，经过处理的混合液排入二沉池中，污泥沉淀到底部与水分离，大部分污泥经过回流系统返回曝气池，剩下的部分则排出系统不再参加处理流程。活性污泥法流程图如下所示：
活性污泥法由五部份组成：
曝气池：通过微生物代谢过程分解有机物；②二沉池： 1)分离活性污泥与净化后的水体；2)对活性污泥进行回流与排放；③回流系统： 1) 控制曝气池中的污泥浓度;2)改变回流比，改变曝气池的运行状况；④剩余污泥排放系统： 1)是去除有机物的途径之一；2)维持系统的稳定运行；⑤供氧系统： 为曝气池提供足够的溶解氧。
曝气池中的反应是最关键的，在其中是回流的活性污泥与排放的污水组成的混合液。在曝气池的底部装有空气扩散装置，用来接收从空压机输送过来的压缩空气，把压缩空气以小气泡的形式输送到混合液中，增加混合中溶解氧的浓度，使混合液长期处于悬浮状态。如此，好氧菌、溶解氧、有机污染物充分充分接触，曝气池中的反应得以正常维持。反应主要分为两个阶段：
第一阶段，吸附。微生物群与有机物相比表面积巨大且表面具有粘性，能够吸附污水中的有机物。
第二阶段，降解。在溶解氧充足的环境中，微生物通过自身的代谢过程将有机物分解为二氧化碳和水以及无机物。曝气池中的正常反应结束后，污水中的有机物被分解，好氧菌也得到繁殖。
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