污水处理过程溶解氧pid神经元控制
活性污泥法是目前污水处理运用最为广泛的方法。但是由于生物自身以及反应机理较为复杂，并且进水水质较为不稳定，因此污水处理过程中具有非线性、强耦合、不稳定、大滞后等特点，所以导致污水处理过程的控制非常困难。而我国在污水处理方面的技术较为落后，水质难以保证，能耗较大，因此致力于污水处理过程的研究具有较大的意义。 这篇论文按照国际水质提供的BSM1模型为基础，研究了溶解氧浓度控制系统的神经元PID控制，仿真实验结果验证了此方法的有效性和可行性。主要的内容如下 1、深入研究了活性污泥法处理污水的BSM1模型，在Matlab环境下建立仿真模型进行了数据验证，证实了模型的有效可行性，为控制方法打下基础。 2、详细介绍了神经元PID的控制方法和神经网络。介绍了神经元PID的特点以及结构形式，和单输出神经元PID的结构形式以及算法。 3、溶解氧浓度的PID神经元控制。首先根据介绍的传统PID算法，并提出改进的PID神经元算法，将其应用于污水处理溶解氧浓度的控制中，仿真实验对比改进算法与传统PID算法的控制效果。 论文主要针对常规PID控制器存在的参数整定不良、适应性较差、控制性能不佳等缺陷，将PID控制规律融合进神经元网络当中，构建溶解氧PID神经元控制器，并在污水处理仿真平台BSM1中进行仿真研究，以期实现污水处理过程溶解氧精确跟踪控制。关键词 污水处理,活性污泥法,BSM1,神经元PID控制
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 污水处理过程的流程和控制现状 2
1.3 课题主要研究内容 7
2 活性污泥法污水处理的基准仿真模型 7
2.1 BSM1的模型结构 8
2.2 生化池反应模型 9
2.3 二沉池反应模型 15
2.4 BSM1基准仿真平台测试 18
3 神经元PID控制 20
3.1 PID神经元的特点及结构形式 20
3.2 PID神经元的结构形式与计算方法 23
3.3 PIDNN的基本形式 28
4 溶 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
解氧浓度的PID神经元控制 33
4.1 神经元PID控制 33
4.2 仿真实验与分析 38
结 论 43
致 谢 44
参 考 文 献 45
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
水是生命之源，是人类不可缺少的养料，到现在为止全球最关注的问题就是水资源匮乏、水资源污染和水资源利用。从全球角度来看，一小部分位于地下的水资源和江河湖泊成为人类能真正使用的仅有的淡水资源，大约占全球总水量的0.26%。全球的淡水资源不仅匮乏而且地区分布及其不均匀。从中国角度来看，通过很多资料显示，我国水资源相当稀少，每人的平均淡水资源仅仅占全球平均水平的1/4，是全球人均水源特别缺乏的国家之一[1]。城市地下水资源受到了严重污染，而且随着工业的快速发展，污染程度越来越严重，能使用的水资源更加稀少，俨然严重影响到居民日常饮水安全和健康。
总的来说，水源的污染问题已引起国家的高度重视，并且在很大程度上影响了我国现阶段社会经济发展。从根本上，造成水资源污染的原因有很多，但是很多问题我们并不能完全的解决，因此，通过水资源有效合理的循环利用，是解决水资源匮乏问题的重要途径之一[2]。
想要达到可使用的出水标准，以科学的污水处理工艺为基础，建立高效且稳定的控制方法是目前实现污水处理非常重要的途径。但是，污水处理过程生化反应比较复杂，运行过程中涉及的变量很多，同时大时变、强耦合、大时滞以及强干扰是污水处理过程中具有的特点，导致难以控制处理的过程；其次，从另一方面而言，我国污水处理技术起步较晚，相对而言比较落后，特别是针对污水处理过程的控制理论和控制方法的研究还不够深入，具体应用水平偏低，导致出水水质质量及精度并不精准[3]。因此，必须深入研究污水处理过程的控制理论与方法，有效利用现代智能技术的最新成就，从而实现污水处理智能化的目标。
工业处理污水在化工方面，控制的方法大多采取比例、积分、微分的控制，但在一些不清楚的非线性的场合中这样的控制方法通常很难得到满意的结果。所以，如何选择合适的控制方法，采用合适先进的控制方案，来提高过程控制水平是控制领域面临的一大挑战。
利用存活在活性污泥中的微生物群体对废弃水中可降解的有机物进行吸附、分解、氧化作用，并进行繁重复杂的生物化学反应，让有机物得到降解并从污水中得到分离，使污水得到净化便是污水处理过程的本质。指标参数通入污水中溶解氧的容量在生化反应中非常重要，这个参数指标可以直观并迅速地反映系统的运行状态。控制溶解氧的浓度容量对污水排放和系统能耗有非常直接的影响。溶解氧的浓度高的话，那么资源会浪费；溶解氧浓度偏低，则达不到污水排放指标[4]。所以，经济效益和环境污染这两个指标和如何控制水质中溶解氧的浓度有很大的关系。因此，课题的研究有以下几个方面的意义：
(1)按照设计要求，设计一套软件关于实时监控、管理、自动控制污水处理，来自动化控制污水处理，降低人力劳动，满足发展要求。
(2)参考传统曝气方法，并拟出新控制曝气量的方法，使它对控制溶解氧量的条件可以达到需要的精度，并降低能耗，同时提高出水质量。
(3)对选择的控制方法以及改进方案进行进一步研究，将工艺监控主机联入办公网，它的处理过程特点如下：
（1）污水处理中的反应原理复杂，微生物行为和种群分布不断变化；
（2）每天进水的水质、水量的波动很大，且受季节和天气情况的影响；
（3）系统的各状态变量耦合严重，且各组分的动态特性差异很大；
（4）污水中污染物不仅测量速度慢而且精度低；
（5）污水处理过程无论在什么状况下，它的响应时间都很滞后；
很多问题需要不断地探索和研究，它们不能立刻得到解决。但是，我国多数污水处理厂采用控制方法仍然老旧，控制性能极差，无法达到合格的质量和效率[5]。究其原因，主要是缺乏对污水处理特别是与现场实际紧密结合的控制机理、控制方法的深入研究。
总而言之，研究污水处理过程控制机理和方法理论上具有重要意义，在其应用上更有很大的价值。
1.2 污水处理过程的流程和控制现状
1.2.1 污水处理过程概述
活性污泥法是全球工业污水和城市污水处理使用最普遍的生物处理方法，是一种水体自净的人工处理方法[6]，这种方法是通过微生物的活动来清理污染物的。活性污泥其实是微生物种群和它们在生化反应下吸附到的有机物以及无机物的总称。活性污泥法具体操作是向污水中不间断地通入大量的空气，一段时间后，因为大量繁殖的好氧微生物具有吸附作用，就会形成凝结絮状物，有微生物群体存活在上面，它们都拥有很强的吸附能力和氧化能力。在人工通入氧气的条件下，培养污水和微生物群体形成了活性污泥[7]。活性污泥有三个作用，三个作用分别是凝聚作用、吸附作用和氧化作用。这些作用用来分解污水中的有机污染物，并且分离污泥和水分，大量污泥重新回流到曝气池，多余的则排出系统。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 污水处理过程的流程和控制现状 2
1.3 课题主要研究内容 7
2 活性污泥法污水处理的基准仿真模型 7
2.1 BSM1的模型结构 8
2.2 生化池反应模型 9
2.3 二沉池反应模型 15
2.4 BSM1基准仿真平台测试 18
3 神经元PID控制 20
3.1 PID神经元的特点及结构形式 20
3.2 PID神经元的结构形式与计算方法 23
3.3 PIDNN的基本形式 28
4 溶 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
解氧浓度的PID神经元控制 33
4.1 神经元PID控制 33
4.2 仿真实验与分析 38
结 论 43
致 谢 44
参 考 文 献 45
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
水是生命之源，是人类不可缺少的养料，到现在为止全球最关注的问题就是水资源匮乏、水资源污染和水资源利用。从全球角度来看，一小部分位于地下的水资源和江河湖泊成为人类能真正使用的仅有的淡水资源，大约占全球总水量的0.26%。全球的淡水资源不仅匮乏而且地区分布及其不均匀。从中国角度来看，通过很多资料显示，我国水资源相当稀少，每人的平均淡水资源仅仅占全球平均水平的1/4，是全球人均水源特别缺乏的国家之一[1]。城市地下水资源受到了严重污染，而且随着工业的快速发展，污染程度越来越严重，能使用的水资源更加稀少，俨然严重影响到居民日常饮水安全和健康。
总的来说，水源的污染问题已引起国家的高度重视，并且在很大程度上影响了我国现阶段社会经济发展。从根本上，造成水资源污染的原因有很多，但是很多问题我们并不能完全的解决，因此，通过水资源有效合理的循环利用，是解决水资源匮乏问题的重要途径之一[2]。
想要达到可使用的出水标准，以科学的污水处理工艺为基础，建立高效且稳定的控制方法是目前实现污水处理非常重要的途径。但是，污水处理过程生化反应比较复杂，运行过程中涉及的变量很多，同时大时变、强耦合、大时滞以及强干扰是污水处理过程中具有的特点，导致难以控制处理的过程；其次，从另一方面而言，我国污水处理技术起步较晚，相对而言比较落后，特别是针对污水处理过程的控制理论和控制方法的研究还不够深入，具体应用水平偏低，导致出水水质质量及精度并不精准[3]。因此，必须深入研究污水处理过程的控制理论与方法，有效利用现代智能技术的最新成就，从而实现污水处理智能化的目标。
工业处理污水在化工方面，控制的方法大多采取比例、积分、微分的控制，但在一些不清楚的非线性的场合中这样的控制方法通常很难得到满意的结果。所以，如何选择合适的控制方法，采用合适先进的控制方案，来提高过程控制水平是控制领域面临的一大挑战。
利用存活在活性污泥中的微生物群体对废弃水中可降解的有机物进行吸附、分解、氧化作用，并进行繁重复杂的生物化学反应，让有机物得到降解并从污水中得到分离，使污水得到净化便是污水处理过程的本质。指标参数通入污水中溶解氧的容量在生化反应中非常重要，这个参数指标可以直观并迅速地反映系统的运行状态。控制溶解氧的浓度容量对污水排放和系统能耗有非常直接的影响。溶解氧的浓度高的话，那么资源会浪费；溶解氧浓度偏低，则达不到污水排放指标[4]。所以，经济效益和环境污染这两个指标和如何控制水质中溶解氧的浓度有很大的关系。因此，课题的研究有以下几个方面的意义：
(1)按照设计要求，设计一套软件关于实时监控、管理、自动控制污水处理，来自动化控制污水处理，降低人力劳动，满足发展要求。
(2)参考传统曝气方法，并拟出新控制曝气量的方法，使它对控制溶解氧量的条件可以达到需要的精度，并降低能耗，同时提高出水质量。
(3)对选择的控制方法以及改进方案进行进一步研究，将工艺监控主机联入办公网，它的处理过程特点如下：
（1）污水处理中的反应原理复杂，微生物行为和种群分布不断变化；
（2）每天进水的水质、水量的波动很大，且受季节和天气情况的影响；
（3）系统的各状态变量耦合严重，且各组分的动态特性差异很大；
（4）污水中污染物不仅测量速度慢而且精度低；
（5）污水处理过程无论在什么状况下，它的响应时间都很滞后；
很多问题需要不断地探索和研究，它们不能立刻得到解决。但是，我国多数污水处理厂采用控制方法仍然老旧，控制性能极差，无法达到合格的质量和效率[5]。究其原因，主要是缺乏对污水处理特别是与现场实际紧密结合的控制机理、控制方法的深入研究。
总而言之，研究污水处理过程控制机理和方法理论上具有重要意义，在其应用上更有很大的价值。
1.2 污水处理过程的流程和控制现状
1.2.1 污水处理过程概述
活性污泥法是全球工业污水和城市污水处理使用最普遍的生物处理方法，是一种水体自净的人工处理方法[6]，这种方法是通过微生物的活动来清理污染物的。活性污泥其实是微生物种群和它们在生化反应下吸附到的有机物以及无机物的总称。活性污泥法具体操作是向污水中不间断地通入大量的空气，一段时间后，因为大量繁殖的好氧微生物具有吸附作用，就会形成凝结絮状物，有微生物群体存活在上面，它们都拥有很强的吸附能力和氧化能力。在人工通入氧气的条件下，培养污水和微生物群体形成了活性污泥[7]。活性污泥有三个作用，三个作用分别是凝聚作用、吸附作用和氧化作用。这些作用用来分解污水中的有机污染物，并且分离污泥和水分，大量污泥重新回流到曝气池，多余的则排出系统。
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