污水處理過程優(yōu)化控制系統(tǒng)

《污水處理過程優(yōu)化控制系統(tǒng)》可供從事水環(huán)境保護(hù)或自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究人員參考，可作為自動(dòng)化、環(huán)境工程等專業(yè)本科生與研究生的教材。

1.網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制算法及其實(shí)現(xiàn) 　網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法就是將復(fù)雜系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法和網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合，用來解決網(wǎng)絡(luò)化復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化控制問題，使其在難以建模、系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)化和區(qū)域化等情況下，獲得滿意的優(yōu)化控制結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制方法的特點(diǎn)是引入了網(wǎng)絡(luò)回路，在優(yōu)化算法中引人了一些不確定因素，其優(yōu)化控制更加依賴于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制的關(guān)鍵技術(shù)在于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化與參數(shù)估計(jì)集成優(yōu)化方法的實(shí)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)信息傳輸，借助于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)集成優(yōu)化控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制，可以基于局域網(wǎng)或Intemet實(shí)現(xiàn)。

2.網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制的特征 　對(duì)一個(gè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制方法，除了給出優(yōu)化算法，還需要對(duì)其性能進(jìn)行分析，只有這樣才能保證優(yōu)化方法的實(shí)施。網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法的性能包括實(shí)時(shí)性、最優(yōu)性、收斂性及其魯棒性等。

• 1).實(shí)時(shí)性 　在引人網(wǎng)絡(luò)之前，針對(duì)跨區(qū)域的復(fù)雜系統(tǒng)，其優(yōu)化控制的實(shí)施是很困難的，即使能夠，其實(shí)時(shí)性也難以保證。網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制方法由于借助于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實(shí)施集成優(yōu)化控制，可以較好地解決跨區(qū)域復(fù)雜系統(tǒng)集成優(yōu)化控制的實(shí)時(shí)性問題。

• 2).最優(yōu)性 　算法最優(yōu)性是指在算法收斂的情況下，收斂解是否實(shí)際系統(tǒng)的最優(yōu)解。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制方法，在最優(yōu)解存在且唯一等假設(shè)條件下，若算法收斂，則收斂解滿足最優(yōu)性必要條件，即所得優(yōu)化解是實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)最優(yōu)解。

• 3).收斂性 　網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制方法需要實(shí)施，首先要求其優(yōu)化控制算法是收斂的，收斂性就是研究算法收斂的條件，針對(duì)不同的算法其收斂性條件有所不同。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法，其優(yōu)化的框架沒有改變，只是引人了網(wǎng)絡(luò)回路，利用算法映射及壓縮映射原理，通過分析可以獲得保證優(yōu)化算法收斂的條件。

• 4).魯棒性 　網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制方法的魯棒性問題是指在存在這樣那樣擾動(dòng)的情況下，優(yōu)化算法保持其收斂性，并收斂到最優(yōu)解的能力。網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法在不需要實(shí)際過程的精確數(shù)學(xué)模型的情況下可以獲得實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)最優(yōu)解，對(duì)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性。

網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法是一種基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的集成優(yōu)化控制方法，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的信息的安全問題必然影響到系統(tǒng)集成優(yōu)化控制的實(shí)施。因此，對(duì)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制中的信息安全問題及其對(duì)策進(jìn)行分析和研究是十分必要的，只有這樣才能保證網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制的順利實(shí)施。網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制中的信息安全問題可以借助于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的信息安全對(duì)策予以解決。

網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法為解決區(qū)域性復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化控制提供了一種新思路，該方法具有以下優(yōu)越性:

• 1)由于網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法本質(zhì)是采用動(dòng)態(tài)大系統(tǒng)的DISOPE遞階優(yōu)化方法，這樣就使得網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制在不需要復(fù)雜系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型的情況下，就可以獲得實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)最優(yōu)解;

• 2)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法為解決跨區(qū)域性的復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化控制提供了一種可靠的實(shí)現(xiàn)途徑和形式。同時(shí)由于網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)信息傳輸實(shí)時(shí)性的提高，使得實(shí)時(shí)地解決區(qū)域性的復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化控制成為可能。

城市污水處理是國(guó)家水資源綜合利用的戰(zhàn)略舉措，對(duì)水環(huán)境保護(hù)和淡水資源持續(xù)利用具有重要意義。目前存在的主要問題是電能消耗大，運(yùn)行成本高；異常工況頻發(fā)，出水水質(zhì)超標(biāo)嚴(yán)重。由于污水處理過程中進(jìn)水流量、成份、污染物濃度、水溫等隨時(shí)變化，微生物生命活動(dòng)受溶解氧、污泥齡、微生物種群等諸多因素影響，生化反應(yīng)過程滯后明顯，部分關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)等不能實(shí)時(shí)測(cè)量，系統(tǒng)多運(yùn)行于非平穩(wěn)狀態(tài)，實(shí)施優(yōu)化控制是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。 圍繞以上問題，項(xiàng)目獲得以下成果： 1. 提出了基于特征信息和過程數(shù)據(jù)相結(jié)合的智能建模新方法，獲得了基于結(jié)構(gòu)自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的污水水質(zhì)參數(shù)軟測(cè)量模型，解決了水質(zhì)參數(shù)BOD、COD的無法在線測(cè)量問題；率先提出了基于細(xì)胞自動(dòng)機(jī)理論的污水處理過程微觀動(dòng)態(tài)建模新方法，實(shí)現(xiàn)了污水處理生化反應(yīng)過程動(dòng)態(tài)可視化模擬。 2. 提出了基于擴(kuò)展傅立葉靈敏度法的模糊推理規(guī)則自動(dòng)調(diào)整機(jī)制，獲得了結(jié)構(gòu)自組織模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溶解氧濃度的在線控制；提出了基于細(xì)胞分裂原理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自組織設(shè)計(jì)方法，證明結(jié)構(gòu)演化過程的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)出了結(jié)構(gòu)自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，發(fā)展了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論。 3. 提出了一種污水處理過程能耗特征模型，解決污水處理過程中動(dòng)態(tài)約束和不同時(shí)間尺度的多變量?jī)?yōu)化問題；提出了一種多目標(biāo)優(yōu)化算法，獲得了基于多目標(biāo)優(yōu)化的預(yù)測(cè)控制方法，解決了污水處理過程多變量參數(shù)的優(yōu)化設(shè)定控制問題。 4. 研究基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的特征信息表征、存貯和識(shí)別方法，解決污泥膨脹等異常工況識(shí)別與監(jiān)控問題；部分研究成果已成功應(yīng)用于實(shí)際污水處理廠，實(shí)現(xiàn)了出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的同時(shí)能耗降低3%以上。 該項(xiàng)目已在Automatica、IEEE Transactions on Industrial Electronics、IEEE Transactions on Control Systems Technology等刊物上發(fā)表論文46篇，其中SCI/EI收錄28/42篇，被他人引用分別為100余次；申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利27項(xiàng)，其中授權(quán)12項(xiàng)，獲得授權(quán)軟件著作權(quán)16項(xiàng)；研究成果獲2011年教育部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。已經(jīng)培養(yǎng)教授2名，副教授4名，培養(yǎng)研究生28名(其中12名博士生、16名碩士生)。 2100433B

城市污水處理是國(guó)家水資源綜合利用的戰(zhàn)略舉措，對(duì)水環(huán)境保護(hù)和淡水資源持續(xù)利用具有重要意義。目前存在的主要問題是電能消耗大，運(yùn)行成本高；異常工況頻發(fā)，出水水質(zhì)超標(biāo)嚴(yán)重。由于污水處理過程中進(jìn)水流量、成份、污染物濃度、水溫等隨時(shí)變化，微生物生命活動(dòng)受溶解氧、污泥齡、微生物種群等諸多因素影響，生化反應(yīng)過程滯后明顯，部分關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)等不能實(shí)時(shí)測(cè)量，系統(tǒng)多運(yùn)行于非平穩(wěn)狀態(tài)，實(shí)施優(yōu)化控制是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。項(xiàng)目將圍繞以上問題，研究污水處理過程軟測(cè)量和特征建模方法，建立其特征模型和水質(zhì)參數(shù)預(yù)報(bào)模型；研究分級(jí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法，解決污水處理過程中動(dòng)態(tài)約束和不同時(shí)間尺度的多變量?jī)?yōu)化問題；研究時(shí)滯、時(shí)變、不確定性系統(tǒng)的自適應(yīng)控制方法，解決優(yōu)化設(shè)定值的跟蹤控制問題；研究基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的特征信息表征、存貯和識(shí)別方法，解決污泥膨脹等異常工況識(shí)別與監(jiān)控問題；研究成果將應(yīng)用于污水處理廠，保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的情況下節(jié)能不低于3%。