专利名称 ---【 污水生化处理过程回路控制方法 】

基本信息
申请号
CN200910013441.4
申请日
20090827
公开(公告)号
CN101993151B
公开(公告)日
20110330
申请(专利权)人
中国科学院沈阳自动化研究所
申请人地址
110016 辽宁省沈阳市东陵区南塔街114号
发明人
苑明哲;王宏;于广平;于海斌;孙阳;滕琳琳;王景扬; 专利类型 发明专利
摘要
本发明涉及一种污水生化处理过程回路控制方法,包括以下步骤:对入水有机负荷进行串级控制,控制污水生化处理的“劳动力”即微生物的“食物”数量,以降低污水提升环节的能耗;对曝气池内的溶解氧浓度实施串级控制,实现曝气池的按需供气,以降低风机曝气环节的能耗;对曝气池内的污泥浓度实施前馈-串级控制,控制污水处理系统内的微生物数量,以降低污泥回流环节的能耗。本发明实现对污水提升、风机曝气和污泥回流三个主要耗能环节的污水生化处理过程实施有效控制,在保证出水稳定达标的前提下明显降低污水生化处理过程能耗,实施回路控制串级控制和仿人智能控制算法,解决了传统PID单回路控制难以取得理想控制效果的问题。
主权项
一种污水生化处理过程回路控制方法,其特征在于包括以下步骤:对入水有机负荷进行串级控制,控制污水生化处理的“劳动力”即微生物的“食物”数量,以降低污水提升环节的能耗;对曝气池内的溶解氧浓度实施串级控制,实现曝气池的按需供气,以降低风机曝气环节的能耗;对曝气池内的污泥浓度实施前馈—串级控制,控制污水处理系统内的微生物数量,以降低污泥回流环节的能耗;所述对入水有机负荷进行串级控制包括外回路入水流量设定值控制回路和内回路入水流量控制回路,其中:入水流量设定值控制回路:根据入水水质与出水水质的变化,通过出水COD的反馈实现入水有机负荷设定值的控制,根据入水有机负荷设定值通过除法器得到入水流量的设定值;入水流量控制回路:以入水流量设定值作为输入值,对污水处理系统中的执行器提升泵施加控制,调节入水流量跟随入水流量设定值变化;所述入水有机负荷设定值控制算法为:(1)其中:ΔFoodsp(k)=KP_Food·ΔeCOD(k)+KI_Food·eCOD(k) (2)eCOD(k)=CODout,sp(k)‑CODout(k) (3)ΔeCOD(k)=eCOD(k)‑eCOD(k‑1) (4)式中Foodsp(k)为第k次采样入水有机负荷设定值,与为污水处理厂入水有机负荷设计的最大值与最小值,ΔFoodsp(k)为第k次采样入水负荷设定值增加值,k为采样次数序号,CODout,sp(k)为第k次采样出水COD浓度设定值,CODout(k)为第k次采样出水COD浓度测量值,eCOD(k)为第k次采样出水COD浓度设定值与出水COD浓度测量值的误差,eCOD(k‑1)为第(k‑1)次采样出水COD浓度设定值与出水COD浓度测量值的误差,ΔeCOD(k)为第k次采样出水COD浓度的误差变化率,KP_Food和KI_Food分别为PI控制器比例与积分参数;所述除法器为:式中Q0,sp(k)为第k次采样入水流量设定值,CODin(k)为第k次采样入水COD浓度测量值;所述入水流量控制回路算法为:其中:式中fQ(k)为第k次采样提升泵变频器频率,fQ(k‑1)为第(k‑1)次采样提升泵变频器频率,与分别为变频器的最大与最小输出功率,k为采样次数序号,KP_Q0和KI_Q0分别为PI控制器控制比例与积分参数,为第k次采样入水流量设定值与入水流量测量值的误差,为第(k‑1)次采样入水流量设定值与入水流量测量值的误差,为第k次采样的入水流量误差变化率,Q0,sp(k)为第k次采样入水流量设定值,Q0(k)为第k次采样入水流量测量值;所述入水有机负荷是用来表征入水中的有机物数量的指标,以下式表示:Food=CODinQ0式中Food为入水有机负荷,CODin为入水的化学需氧量,Q0为入水流量;所述对曝气池内的溶解氧浓度实施串级控制包括外回路溶解氧设定值控制回路和内回路溶解氧仿人智能控制回路,其中:溶解氧设定值控制回路:以出水COD作为反馈信号,采用PI控制算法;溶解氧仿人智能控制回路:以出水COD作为反馈信号,通过控制曝气环节执行器的变频输出频率来调节曝气池内的溶解氧浓度;算法采用仿人智能控制算法,该算法采用分层控制机制,在上层模拟具有控制经验的专家的控制行为,辨识当前的工作状态;在底层采用常规PID控制方法,对辨识出的状态配置相应的PID参数,实现多模态控制或决策;所述PI控制算法为:其中ΔSO,sp(k)=KP_SO·eCOD(k)+KI_SO·ΔeCOD(k) (11)eCOD(k)=CODout,sp‑CODout(k) (12)ΔeCOD(k)=eCOD(k)‑eCOD(k‑1) (13)式中SO,sp(k)为第k次采样溶解氧浓度设定值,SO,sp(k‑1)为第(k‑1)次采样溶解氧浓度设定值,ΔSO,sp(k)为第k次采样溶解氧浓度设定值增加值,k为采样次数序号,与分别为溶解氧设定值的最大与最小值,KP_SO和KI_SO表示PI控制器控制比例与积分参数,eCOD(k)为第k次采样出水COD浓度设定值与出水COD浓度测量值的误差,eCOD(k‑1)为第(k‑1)次采样出水COD浓度设定值与出水COD浓度测量值的误差,ΔeCOD(k)为第k次采样出水COD浓度误差变化率,CODout(k)为第k次采样出水COD浓度测量值,CODout,sp为出水COD浓度设定值;所述仿人智能控制算法采用产生式规则对专家经验进行描述,该规则表示为:IF(condition) THEN(action);根据溶解氧浓度设定值与测量值的误差e(k)的大小将系统的响应划分为四个区间,进行分段处理,不同的区间采取不同的控制策略;根据溶解氧浓度设定值与测量值的误差e(k)及溶解氧浓度设定值与测量值的误差变化率Δe(k)的乘积e(k)·Δe(k)的正负来判别当前误差的变化趋势,选用P、I、D参数及放大系或抑制系数,最后计算曝气环节执行器的变频输出频率;仿人智能控制算法为:(1)当溶解氧浓度设定值与测量值的误差绝对值|e(k)|大于等于误差上限e2,即|e(k)|≥e2时,说明系统误差过大,控制器的输出值按其最大绝对值输出;(2)当溶解氧浓度设定值与测量值的误差绝对值|e(k)|在误差上限e2与误差下限e1之间,即e1<|e(k)|<e2时,考虑弱化或不使用积分作用,具体的控制策略还应参照误差的变化趋势:(21)如果e(k)·Δe(k)≥0,说明系统输出正偏离设定值,误差正朝绝对值增大的方向变化,或误差为某一常数值,保持不变,实施迅速扭转误差绝对值的变化趋势的控制,控制器输出值为:Δu(k)=k1{KP1Δe(k)+KI1e(k)+KD1[e(k)‑2e(k‑1)+e(k‑2)]} (14)式中Δu(k)为第k次采样系统输出增量,k1为放大系数,KP1、KI1和KD1分别为PID控制器比例、积分和微分参数;(22)如果e(k)·Δe(k)<0,说明系统输出正偏向设定值,误差正朝绝对值减小的方向变化,实施让系统在惯性的协助下回到稳态的控制,控制器输出值为:Δu(k)=k2{KP1Δe(k)+KI1e(k)+KD1[e(k)‑2e(k‑1)+e(k‑2)]} (15)式中,k2表示抑制系数;(3)当溶解氧浓度设定值与测量值的误差绝对值|e(k)|在误差死区d与误差下限e1之间,即d<|e(k)|≤e1时,系统误差较小,加入积分,以减小稳态误差,并参考误差变化趋势来确定具体的控制策略:(31)如果e(k)·Δe(k)≥0,控制器输出值为:Δu(k)=k1{KP2Δe(k)+KI2e(k)+KD2[e(k)‑2e(k‑1)+e(k‑2)]} (16)式中KP2、KI2和KD2分别为PID控制器比例、积分和微分参数;(32)如果e(k)·Δe(k)<0,控制器输出值为:Δu(k)=k2{KP2Δe(k)+KI2e(k)+KD2[e(k)‑2e(k‑1)+e(k‑2)]} (17)(4)当溶解氧浓度设定值与测量值的误差绝对值|e(k)|小于误差死区宽度d,即e |≤d时,忽略系统误差,控制器输出值为0;所述对曝气池内的污泥浓度实施前馈—串级控制包括污泥浓度设定值前馈—反馈控制和污泥浓度控制回路,其中:污泥浓度设定值前馈—反馈控制:以入水有机负荷作为前馈信号,以出水COD作为反馈信号,前馈控制采用比例控制,反馈控制采用PI控制;污泥浓度控制回路:以曝气池内污泥浓度测量值作为反馈信号,通过控制污泥回流量实现;所述前馈控制采用比例控制,通过以下公式得到:MLSSsp,ff(k)=kff_MLSS·Foodavg(k) (18)式中MLSSsp,ff(k)为第k次采样污泥浓度设定值前馈值,Kff_MLSS表示静态前馈比例系数,Foodavg(k)为第k次采样入水有机负荷2小时滑动平均值;反馈控制器采用PI控制,如式(19)所示:其中ΔMLSSsp(k)=KP_MLSS·eCOD_avg(k)+KI_MLSS·ΔeCOD_avg(k) (20)eCOD(k)=CODout,sp‑CODout(k) (21)ΔeCOD(k)=eCOD(k)‑eCOD(k‑1) (22)污泥浓度最终的设定值如式(23)所示:MLSSSP(k)=MLSSSP_ff(k)+MLSSSP_fb(k) (23)式中MLSSsp,fb(k)为第k次采样污泥浓度设定值反馈值,MLSSsp,fb(k‑1)为第(k‑1)次采样污泥浓度设定值反馈值,ΔMLSSsp,fb(k)为第k次采样污泥浓度设定值反馈值增加值,与分别为污泥浓度设定值的最大与最小值,KP_MLSS和KI_MLSS分别为PI控制器控制比例与积分参数,eCOD(k)为第k次采样出水COD浓度设定值与出水COD浓度测量值的误差,eCOD(k‑1)为第(k‑1)次采样出水COD浓度设定值与出水COD浓度测量值的误差,ΔeCOD(k)为第k次采样出水COD浓度误差变化率,CODout(k)为第k次采样出水COD浓度测量值,CODout,sp为出水COD浓度设定值,MLSSsp(k)为第k次采样污泥浓度设定值;所述污泥浓度控制回路算法为:其中:ΔQr(k)=KP_Qr·eMLSS(k)+KI_Qr·ΔeMLSS(k) (28)eMLSS(k)=MLSSsp‑MLSS(k) (29)ΔeMLSS(k)=eMLSS(k)‑eMLSS(k‑1) (30)式中Qr(k)为第k次采样污泥回流量测量值,ΔQr(k)为第k次采样污泥回流量测量值增加值,与分别表示污泥回流量的最大与最小值,通常根据经验为3‑5倍的入水流量,为0.5‑1.5倍的入水流量;KP_Qr和KI_Qr表示PI控制器控制比例与积分参数,eMLSS(k)为第k次采样污泥浓度设定值与污泥浓度测量值的误差,eMLSS(k‑1)为第(k‑1)次采样污泥浓度设定值与污泥浓度测量值的误差,ΔeMLSS(k)为第k次采样污泥浓度误差变化率,MLSS(k)为第k次采样污泥浓度测量值,MLSSsp为污泥浓度设定值。

 

IPC信息
IPC主分类号
G05B11/32

 

法律状态信息
法律状态公告日
20110330
法律状态
公开 法律状态信息
CN200910013441 20110330 公开 公开
法律状态公告日
20110518
法律状态
实质审查的生效 法律状态信息
CN200910013441 20110518 实质审查的生效 实质审查的生效IPC(主分类):C02F 3/34申请日:20090827
法律状态公告日
20120829
法律状态
授权 法律状态信息
CN200910013441 20120829 授权 授权
法律状态公告日
20171226
法律状态
专利申请权、专利权的转移 法律状态信息
CN200910013441 20171226 专利申请权、专利权的转移 专利权的转移IPC(主分类):G05B 11/32登记生效日:20171206变更事项:专利权人变更前权利人:中国科学院沈阳自动化研究所变更后权利人:广州盛亚信息科技有限公司变更事项:地址变更前权利人:110016 辽宁省沈阳市东陵区南塔街114号变更后权利人:511458 广东省广州市南沙区海滨路1121号

 

代理信息
代理机构名称
沈阳科苑专利商标代理有限公司 21002
代理人姓名
李晓光


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