污水生化處理系統(tǒng)的建模與節(jié)能優(yōu)化控制

本項目針對污水生化處理過程中的鼓風(fēng)量與溶解氧模型存在的非線性、時變、不確定性、時滯等復(fù)雜因數(shù)，造成鼓風(fēng)量過大而浪費大量的電能問題，研究溶解氧與氨的多目標建模與優(yōu)化控制策略。提出基于粗糙機的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的污水生化處理建模方法，針對數(shù)據(jù)的隨機性，避免局部收斂性，提出了基于混沌時間序列的最小二乘支持向量機模型，新建的模型能夠適應(yīng)雨天、氣溫和環(huán)境等因數(shù)的變化，給出污水生化處理過程中溶解氧和氨的目標預(yù)測值。根據(jù)該目標預(yù)測值的誤差范數(shù)建立評價函數(shù)，提出了多目標的最小鼓風(fēng)量的優(yōu)化控制方法；根據(jù)人工免疫算法的快速尋優(yōu)性，結(jié)合專家的知識和經(jīng)驗，提出了基于專家知識的人工免疫最小風(fēng)量的節(jié)能優(yōu)化控制方法。通過仿真實驗結(jié)果表明所研究的模型和優(yōu)化控制方法對于提高污水處理的質(zhì)量和減少污水生化處理過程中送氧鼓風(fēng)量消耗的電能是有效的。 2100433B

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)與人民生活水平的快速發(fā)展，降低建筑能耗、提高室內(nèi)舒適度的需求越來越高。此背景下，建筑環(huán)境與能量系統(tǒng)的精確建模、控制與優(yōu)化研究尚未實現(xiàn)建筑、暖通專業(yè)知識與控制理論的有機結(jié)合。本項目從控制學(xué)角度圍繞建筑室內(nèi)熱環(huán)境的降階建模與控制、建筑室內(nèi)多環(huán)境參數(shù)優(yōu)化、建筑能量系統(tǒng)性能優(yōu)化、以及建筑電能耗短時預(yù)測等四個方面展開研究。首先，針對建筑熱環(huán)境CFD模型精度與復(fù)雜度之間的矛盾以及由此帶來的控制器設(shè)計困難，提出基于本征正交分解思想的室內(nèi)熱環(huán)境快速建模方法。在此基礎(chǔ)上，采用多模型切換控制的思路，通過離線-在線方式對室內(nèi)熱環(huán)境實現(xiàn)高分辨率精確調(diào)節(jié)；其次，針對目前建筑室內(nèi)環(huán)境的優(yōu)化策略大都忽視環(huán)境參數(shù)空間分布的問題，我們采用本征正交分解方法，結(jié)合多維插值和遺傳算法，設(shè)計一種綜合考慮室內(nèi)熱舒適度、空氣質(zhì)量及空調(diào)能耗的優(yōu)化策略。其中本征正交分解用于重構(gòu)低階的環(huán)境參數(shù)空間，其與多維插值算法的結(jié)合可快速求解目標函數(shù)，確保優(yōu)化算法的實時性；第三，當前建筑能量系統(tǒng)的仿真與優(yōu)化軟件存在算法封閉、擴展性差等缺陷?；诖耍覀冏灾鏖_發(fā)一種用于改善建筑能量性能的通用優(yōu)化工具。其特點在于整合多方軟件組成不同模塊，運用數(shù)據(jù)交互技術(shù)將建筑能量仿真中的多種分布式參數(shù)直接傳遞給優(yōu)化算法，使得優(yōu)化策略能充分考慮空間分布對環(huán)境參數(shù)的影響，相對目前的建筑能量與環(huán)境優(yōu)化策略，具有通用性好、優(yōu)化精度高等優(yōu)點；第四，在前期研究基礎(chǔ)上，我們繼續(xù)開展建筑電能耗預(yù)測模型的研究。通過引入遺傳操作機制，將一種改進型微粒群算法用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值與閾值的優(yōu)化中，提出混合iPSO-ANN建筑電能耗預(yù)測模型。預(yù)測實驗證明該方法預(yù)測精度優(yōu)于廣泛使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及其它PSO-ANN混合模型。另外，為了驗證POD降階模型對大空間建筑環(huán)境的逼近能力，我們利用一處1500平方米農(nóng)業(yè)生產(chǎn)型溫室，初步開展了實驗方案的設(shè)計與驗證工作。 2100433B

我國是能源消耗大國，其中建筑能耗約占我國社會總能耗的25%，且比例仍在逐年提升。在此背景下，對建筑節(jié)能中的熱環(huán)境建模和優(yōu)化控制問題展開研究具有重要現(xiàn)實意義和實際應(yīng)用價值。本項目針對當前建筑熱環(huán)境模型精度與復(fù)雜度之間的矛盾以及由此帶來的熱環(huán)境控制器設(shè)計的困難，致力于運用模型降階和多模型的思路對復(fù)雜分布式參數(shù)的建筑熱環(huán)境進行快速精確建模，并設(shè)計出綜合考慮建筑室內(nèi)熱舒適度和建筑能耗水平的熱環(huán)境優(yōu)化控制方案。本項目的創(chuàng)新之處在于將CFD仿真與模型降階技術(shù)結(jié)合，并將非線性系統(tǒng)在平衡點線性化展開的思路擴展到復(fù)雜分布式參數(shù)系統(tǒng)，建立低階的、多模型形式的室內(nèi)熱環(huán)境數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，通過溫度傳感器數(shù)目與位置的優(yōu)化、熱環(huán)境模型與建筑能耗模型的融合，最終，本項目旨在為暖通空調(diào)系統(tǒng)提供一種實用、節(jié)能的熱環(huán)境控制策略，促進建筑節(jié)能技術(shù)的進一步發(fā)展和和應(yīng)用。

以作者的學(xué)術(shù)和工程經(jīng)驗為基礎(chǔ)，通過工程系統(tǒng)的建模與控制提供了對機械、電氣、流體和熱力系統(tǒng)統(tǒng)一的處理方法。內(nèi)容涵蓋了傳統(tǒng)、先進和智能控制，儀器儀表，實驗和設(shè)計。包括理論，分析技術(shù)，常用的計算工具，仿真細節(jié)和應(yīng)用。

《工程系統(tǒng)的建模與控制》克服了其它有關(guān)建模和控制方面書的不足之處，書中的建模都與實際物理系統(tǒng)有關(guān)，并闡明了控制系統(tǒng)所適應(yīng)的特定技術(shù)。盡管使用了MATLAB，Simulink和LabVIEW，作者全面地解釋了方法背后的要點和解析基礎(chǔ)，對給定的系統(tǒng)如何選擇合適的工具，對結(jié)果進行解釋和驗證，以及軟件工具的局限性。這樣的方法可以使讀者掌握核心主題，學(xué)會在實際中使用概念。