本發(fā)明針對(duì)城市污水處理過程特性，利用改進(jìn)型多目標(biāo)差分進(jìn)化算法設(shè)計(jì)了一種污水處理優(yōu)化控制方法，實(shí)現(xiàn)了污水處理過程中溶解氧DO和硝態(tài)氮SNO濃度的優(yōu)化控制；溶解氧DO和硝態(tài)氮SNO濃度的優(yōu)化與控制是實(shí)現(xiàn)污水處理過程穩(wěn)定安全運(yùn)行和節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)，是流程工業(yè)
技術(shù)領(lǐng)域：
的重要分支，既屬于控制領(lǐng)域，又屬于污水處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：城市污水處理的目的是在保證出水水質(zhì)符合國家規(guī)定排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下，盡可能降低能耗，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行、節(jié)能減排的最佳狀態(tài)。然而，溶解氧DO和硝態(tài)氮SNO濃度的優(yōu)化控制受多方面因素的影響，且關(guān)系復(fù)雜，難以進(jìn)行同時(shí)優(yōu)化，影響了污水處理過程的節(jié)能減排效果?；诟倪M(jìn)型多目標(biāo)差分進(jìn)化算法的污水處理優(yōu)化控制方法有利于提高城市污水處理效果，確保污水處理出水水質(zhì)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，保證污水處理過程穩(wěn)定運(yùn)行，節(jié)約能源，降低運(yùn)行成本，具有明顯的環(huán)境與社會(huì)效益。因此，本發(fā)明的研究成果具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著我國城市化發(fā)展進(jìn)程的提速，污水的排放量也不斷提升，城市污水處理廠的建立在一定程度上緩解了污水對(duì)環(huán)境的影響，保護(hù)了水環(huán)境。城市污水處理旨在保證出水水質(zhì)(包括出水總氮TN、化學(xué)需氧量COD、出水懸浮物濃度SS、氨氮NH3-N、生化需氧量BOD和總磷TP等)達(dá)標(biāo)的情況下，降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗。城市污水處理過程穩(wěn)定運(yùn)行過程中，通風(fēng)耗能AE，泵送耗能PE，以及向受納水體排放污染物需要支付的費(fèi)用EQ為其主要支出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，以上三部分費(fèi)用之和約占污水處理廠總支出的一半以上，而此部分費(fèi)用中有一大部分是用在控制溶解氧DO和硝態(tài)氮SNO濃度過程中。為了對(duì)污水處理過程進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，降低運(yùn)行能耗，傳統(tǒng)的污水處理過程將通風(fēng)耗能AE和泵送耗能PE作為主要優(yōu)化目標(biāo)，在一定程度上優(yōu)化了污水處理過程的運(yùn)行參數(shù)。但是由于污水處理過程運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化往往是多方面的，不將表征處理效果的EQ放入優(yōu)化目標(biāo)，將影響整體優(yōu)化效果，直接導(dǎo)致污水處理過程不能達(dá)到全流程優(yōu)化。因此，多方位考慮污水處理過程節(jié)能減排的問題，已經(jīng)成為污水處理過程亟需解決的問題，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本發(fā)明提出一種基于改進(jìn)型多目標(biāo)差分進(jìn)化算法的污水處理優(yōu)化控制方法，主要通過將通風(fēng)耗能AE，泵送耗能PE，以及向受納水體排放污染物需要支付的費(fèi)用EQ同時(shí)作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)溶解氧DO和硝態(tài)氮SNO濃度進(jìn)行優(yōu)化控制。該方法對(duì)溶解氧DO和硝態(tài)氮SNO濃度進(jìn)行優(yōu)化，并以曝氣量和內(nèi)循環(huán)回流量為控制量，進(jìn)行精準(zhǔn)的跟蹤控制，從而保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，降低了污水處理過程的運(yùn)行成本。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明獲得了一種基于改進(jìn)型多目標(biāo)差分進(jìn)化算法的污水處理優(yōu)化控制方法，該方法深入分析污水處理特點(diǎn)，考慮通風(fēng)耗能AE，泵送耗能PE，以及向受納水體排放污染物需要支付的費(fèi)用EQ三個(gè)目標(biāo)，確定用于污水處理過程中溶解氧DO和硝態(tài)氮SNO濃度優(yōu)化控制方法的多目標(biāo)函數(shù)，采用改進(jìn)的多目標(biāo)差分進(jìn)化算法進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)求解出的溶解氧DO和硝態(tài)氮SNO濃度優(yōu)化設(shè)定值，利用比例積分PI控制對(duì)曝氣量和內(nèi)循環(huán)回流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而完成對(duì)污水處理過程的優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案及實(shí)現(xiàn)步驟：一種基于多目標(biāo)差分進(jìn)化算法的污水處理優(yōu)化控制方法，針對(duì)序批式間歇活性污泥系統(tǒng)中溶解氧濃度SO和硝態(tài)氮濃度SNO進(jìn)行優(yōu)化控制，以曝氣量和內(nèi)循環(huán)回流量為控制量，溶解氧濃度SO和硝態(tài)氮濃度SNO為被控量；其特征在于包括以下步驟：(1)設(shè)計(jì)用于污水處理過程中溶解氧濃度SO和硝態(tài)氮濃度SNO優(yōu)化控制方法的多目標(biāo)函數(shù)：AE=247∫t=7t=14Σl=35[0.0007×KLal(t)2(Vl1333)+0.3267×KLal(t)(Vl1333)]dt;]]>PE=1T∫t=7dayst=14days(0.004·Qa(t)+0.008·Qr(t)+0.05·QW(t))·dt;]]>EQ=1T·1000∫t=7dayst=14days[2·SSe(t)+CODe(t)+30·SNK,e(t)+10·SNO,e(t)+2·BODe(t)]·Qe(t)dt;---(1)]]>其中，AE為通風(fēng)耗能，PE為泵送耗能，EQ表示向受納水體排放污染物需要支付的費(fèi)用，各單元體積V3＝V4＝V5＝1000m3；KLal(t)為t時(shí)刻好氧區(qū)第l個(gè)單元的氧氣轉(zhuǎn)換系數(shù)，Qa(t)為t時(shí)刻內(nèi)回流量，Qr(t)為t時(shí)刻污泥回流量，Qw(t)為t時(shí)刻污泥流量；T表示運(yùn)行周期，SSe(t)表示t時(shí)刻出水中的固體懸浮物濃度，CODe(t)表示t時(shí)刻出水中的化學(xué)需氧量，SNK,e(t)表示t時(shí)刻出水中的NH4-N和NH3-N的總濃度，SNO,e(t)表示t時(shí)刻溶解性可生物降解有機(jī)氮濃度，BODe(t)表示t時(shí)刻出水中的生物需氧量，Qe(t)是t時(shí)刻外回流量；(2)設(shè)計(jì)用于污水處理過程中溶解氧濃度SO和硝態(tài)氮濃度SNO優(yōu)化控制的多目標(biāo)優(yōu)化方法，具體為：①多目標(biāo)差分進(jìn)化算法參數(shù)設(shè)置及種群初始化，設(shè)定多目標(biāo)差分進(jìn)化算法種群規(guī)模為NP，最大進(jìn)化代數(shù)Tmax，初始化變異率F，交叉率Cr，隨機(jī)產(chǎn)生2維初始化種群：xi(t)＝[x1，i(t)，x2，i(t)],i＝[1,2,…,NP]；(2)其中，xi(t)為t時(shí)刻第i個(gè)種群值，x1,i(t)為t時(shí)刻第i個(gè)種群的第一個(gè)分量，為t時(shí)刻溶解氧濃度SO的隨機(jī)初始值，x1,i(t)∈(0,8]；x2,i(t)為t時(shí)刻第i個(gè)種群的第二個(gè)分量，為硝態(tài)氮濃度SNO的隨機(jī)初始值，x2,i(t)∈(0,5]；②多目標(biāo)差分進(jìn)化算法中的變異操作對(duì)隨機(jī)產(chǎn)生的初始種群進(jìn)行變異操作，公式如下：xi(t+1)＝xi(t)+Fi(t+1)·(xr1(t)-xr2(t))；(3)其中，xi(t+1)為t+1時(shí)刻第i個(gè)種群值，xr1(t)為t時(shí)刻第r1個(gè)種群值，xr2(t)為t時(shí)刻第r2個(gè)種群值，r1和r2是在[1,NP]中隨機(jī)選取的不同于i的兩個(gè)互不相同的實(shí)數(shù)，F(xiàn)i(t+1)為t+1時(shí)刻第i個(gè)種群的變異率Fi(t+1)＝Fi(t)[μL(t)+(μH(t)-μL(t))(fm(t)-fa(t))/(fw(t)-fa(t))]；(4)其中，F(xiàn)i(t)為t時(shí)刻第i個(gè)種群的變異率，μL(t)為t時(shí)刻變異率下限，μH(t)為t時(shí)刻變異率上限，fa(t)為t時(shí)刻種群的最優(yōu)適應(yīng)度值，fm(t)為t時(shí)刻種群的平均適應(yīng)度值，fw(t)為t時(shí)刻種群的最差適應(yīng)度值；③多目標(biāo)差分進(jìn)化算法中的交叉操作對(duì)變異產(chǎn)生的種群進(jìn)行交叉操作，公式如下：其中，為交叉操作后t+1時(shí)刻第i個(gè)種群值的第j個(gè)分量，xji(t)為t時(shí)刻第i個(gè)種群值的第j個(gè)分量，xji(t+1)為t+1時(shí)刻第i個(gè)種群值的第j個(gè)分量，randij[0,1]是[0,1]之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)，，Cri(t+1)為t+1時(shí)刻第i個(gè)種群的交叉率Cri(t+1)=Cri(t),fi(t)<fm(t)Cri(t)[ρL(t)+(ρH(t)-ρL(t))(fm(t)-fa(t))/(fw(t)-fa(t))],fi(t)≥fm(t);---(6)]]>其中，Cri(t)為t時(shí)刻第i個(gè)種群的變異率，ρL(t)為t時(shí)刻交叉率下限，ρH(t)為t時(shí)刻交叉率上限，fi(t)為t時(shí)刻第i個(gè)種群的適應(yīng)度值；④多目標(biāo)差分進(jìn)化算法選擇操作以公式(1)為優(yōu)化目標(biāo)，從經(jīng)過變異、交叉操作后產(chǎn)生的種群中，選擇最優(yōu)結(jié)果作為溶解氧濃度SO和硝態(tài)氮濃度SNO的優(yōu)化設(shè)定值；⑤多目標(biāo)差分進(jìn)化算法終止條件判斷若t<Tmax，則返回步驟②繼續(xù)尋優(yōu)，否則終止計(jì)算，并輸出溶解氧濃度SO和硝態(tài)氮濃度SNO優(yōu)化設(shè)定值的結(jié)果；(3)根據(jù)求出的溶解氧濃度SO和硝態(tài)氮濃度SNO優(yōu)化設(shè)定值對(duì)污水處理過程進(jìn)行優(yōu)化控制，利用比例積分PI控制對(duì)曝氣量和內(nèi)循環(huán)回流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，整個(gè)控制系統(tǒng)的輸出為實(shí)際溶解氧濃度SO和硝態(tài)氮濃度SNO。本發(fā)明的創(chuàng)造性主要體現(xiàn)在：(1)本發(fā)明以城市污水處理過程穩(wěn)定運(yùn)行、節(jié)能減排為目標(biāo)，采用基于改進(jìn)型多目標(biāo)差分進(jìn)化算法的污水處理優(yōu)化控制方法實(shí)現(xiàn)了溶解氧DO和硝態(tài)氮SNO濃度的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制，具有控制精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)；(2)本發(fā)明依據(jù)多目標(biāo)差分進(jìn)化算法中個(gè)體進(jìn)化程度和群體進(jìn)化狀態(tài)等算法中的過程信息，自動(dòng)調(diào)整變異率F和交叉率Cr，提高了優(yōu)化控制方法的局部搜索能力和全局探索能力，獲得了收斂性、多樣性和均勻性較好的最優(yōu)解，具有較好的優(yōu)化控制效果特點(diǎn)。特別要注意：本發(fā)明以通風(fēng)耗能AE，泵送耗能PE，以及向受納水體排放污染物需要支付的費(fèi)用EQ為優(yōu)化目標(biāo)，采用改進(jìn)的多目標(biāo)差分進(jìn)化算法對(duì)污水處理過程中的溶解氧DO和硝態(tài)氮SNO濃度設(shè)定值進(jìn)行優(yōu)化，并通過控制曝氣量和內(nèi)循環(huán)回流量完成跟蹤控制，只要采用了本發(fā)明的優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化算法進(jìn)行污水處理優(yōu)化控制的研究都應(yīng)屬于本發(fā)明的范圍。附圖說明圖1是本發(fā)明的控制器結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明控制方法溶解氧DO濃度優(yōu)化控制結(jié)果圖圖3是本發(fā)明控制方法硝態(tài)氮SNO濃度優(yōu)化控制結(jié)果圖具體實(shí)施方式本發(fā)明選取通風(fēng)耗能AE，泵送耗能PE，以及向受納水體排放污染物需要支付的費(fèi)用EQ為優(yōu)化目標(biāo)；采用了如下的技術(shù)方案及實(shí)現(xiàn)步驟?；诙嗄繕?biāo)差分進(jìn)化算法的污水處理優(yōu)化控制方法具體步驟如下：1.一種基于多目標(biāo)差分進(jìn)化算法的污水處理優(yōu)化控制方法包括以下步驟：針對(duì)城市污水處理中溶解氧DO和硝態(tài)氮SNO進(jìn)行控制，以曝氣量和內(nèi)循環(huán)回流量為控制量，溶解氧DO和硝態(tài)氮SNO濃度為被控量，控制結(jié)構(gòu)如圖1；(1)設(shè)計(jì)用于污水處理過程中溶解氧DO和硝態(tài)氮SNO濃度優(yōu)化控制方法的多目標(biāo)函數(shù)：AE=247∫t=7t=14Σl=35[0.0007×KLal(t)2(Vl1333)+0.3267×KLal(t)(Vl1333)]dt;]]>PE=1T∫t=7dayst=14days(0.004·Qa(t)+0.008·Qr(t)+0.05·QW(t))·dt;]]>EQ=1T·1000∫t=7dayst=14days[2·SSe(t)+CODe(t)+30·SNK,e(t)+10·SNO,e(t)+2·BODe(t)]·Qe(t)dt;---(7)]]>其中，AE為通風(fēng)耗能，PE為泵送耗能，EQ表示向受納水體排放污染物需要支付的費(fèi)用，好氧區(qū)三個(gè)單元的體積V3＝V4＝V5＝1000m3；KLal(t)為t時(shí)刻好氧區(qū)第l個(gè)單元的氧氣轉(zhuǎn)換系數(shù)，Qe(t)是t時(shí)刻外回流量，Qa(t)為t時(shí)刻內(nèi)回流量，Qr(t)為t時(shí)刻污泥回流量，Qw(t)為t時(shí)刻污泥流量；SSe(t)表示t時(shí)刻出水中的固體懸浮物濃度，CODe(t)表示t時(shí)刻出水中的化學(xué)需氧量，BODe(t)表示t時(shí)刻出水中的生物需氧量，SNK,e(t)表示t時(shí)刻出水中的NH4-N和NH3-N的總濃度，SNO，e(t)表示t時(shí)刻溶解性可生物降解有機(jī)氮濃度，T表示運(yùn)行周期，T＝7天；(2)設(shè)計(jì)用于污水處理過程中溶解氧DO和硝態(tài)氮SNO濃度預(yù)測(cè)控制的多目標(biāo)優(yōu)化方法，具體為：①多目標(biāo)差分進(jìn)化算法參數(shù)設(shè)置及種群初始化，設(shè)定多目標(biāo)差分進(jìn)化算法種群規(guī)模為NP＝200，最大進(jìn)化代數(shù)Tmax＝20000，初始化變異率F＝0.8，交叉率Cr＝0.5，隨機(jī)產(chǎn)生D＝3維初始化種群：xi(t)＝[x1,i(t),x2,i(t),…,xD,i(t)],i＝[1,2,…,NP]；(8)其中，xi(t)為t時(shí)刻第i個(gè)種群值，x1,i(t)為t時(shí)刻第i個(gè)種群值的第1個(gè)分量，xD,i(t)為t時(shí)刻第i個(gè)種群值的第D個(gè)分量；②多目標(biāo)差分進(jìn)化算法變異操作：xi(t+1)＝xi(t)+Fi(t+1)·(xr1(t)-xr2(t))；(9)其中，xi(t+1)為t+1時(shí)刻第i個(gè)種群值，xr1(t)為t時(shí)刻第r1個(gè)種群值，xr2(t)為t時(shí)刻第r2個(gè)種群值，r1和r2是在[1,NP]中隨機(jī)選取的不同于i的兩個(gè)互不相同的實(shí)數(shù)，F(xiàn)i(t+1)為t+1時(shí)刻第i個(gè)種群的變異率Fi(t+1)＝Fi(t)[μL(t)+(μH(t)-μL(t))(fm(t)-fa(t))/(fw(t)-fa(t))]；(10)其中，F(xiàn)i(t)為t時(shí)刻第i個(gè)種群的變異率，μL(t)為t時(shí)刻變異率下限，μH(t)為t時(shí)刻變異率上限，fa(t)為t時(shí)刻種群的最優(yōu)適應(yīng)度值，fm(t)為t時(shí)刻種群的平均適應(yīng)度值，fw(t)為t時(shí)刻種群的最差適應(yīng)度值；③多目標(biāo)差分進(jìn)化算法交叉操作：其中，randij[0,1]是[0,1]之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)，xji(t)為t時(shí)刻第i個(gè)種群值的第j個(gè)分量，xji(t+1)為t+1時(shí)刻第i個(gè)種群值的第j個(gè)分量，為交叉操作后t+1時(shí)刻第i個(gè)種群值的第j個(gè)分量，Cri(t+1)為t+1時(shí)刻第i個(gè)種群的交叉率Cri(t+1)=Cri(t),fi(t)<fm(t)Cri(t)[ρL(t)+(ρH(t)-ρL(t))(fm(t)-fa(t))/(fw(t)-fa(t))],fi(t)≥fm(t);---(12)]]>其中，Cri(t)為t時(shí)刻第i個(gè)種群的變異率，ρL(t)為t時(shí)刻交叉率下限，ρH(t)為t時(shí)刻交叉率上限，fi(t)為t時(shí)刻第i個(gè)種群的應(yīng)度值；④多目標(biāo)差分進(jìn)化算法選擇操作，將公式(7)作為優(yōu)化目標(biāo)，獲取溶解氧DO和硝態(tài)氮SNO濃度的優(yōu)化設(shè)定值；⑤多目標(biāo)差分進(jìn)化算法終止條件判斷，若t<Tmax，則返回步驟②繼續(xù)尋優(yōu)，否則終止計(jì)算，并輸出溶解氧DO和硝態(tài)氮SNO濃度優(yōu)化設(shè)定值的結(jié)果；(3)根據(jù)求解出的溶解氧DO和硝態(tài)氮SNO濃度優(yōu)化設(shè)定值對(duì)污水處理過程進(jìn)行優(yōu)化控制，利用比例積分PI控制對(duì)曝氣量和內(nèi)循環(huán)回流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，整個(gè)控制系統(tǒng)的輸出為實(shí)際溶解氧DO和硝態(tài)氮SNO濃度值。圖2顯示系統(tǒng)的溶解氧DO濃度優(yōu)化設(shè)定值和跟蹤控制結(jié)果，X軸：時(shí)間，單位是天，Y軸：溶解氧DO濃度，單位是毫克/升，實(shí)線為溶解氧DO濃度實(shí)時(shí)優(yōu)化設(shè)定值，虛線是溶解氧DO濃度跟蹤控制值；圖3顯示系統(tǒng)的硝態(tài)氮SNO濃度優(yōu)化設(shè)定值和跟蹤控制結(jié)果，X軸：時(shí)間，單位是天，Y軸：硝態(tài)氮SNO濃度，單位是毫克/升，實(shí)線為硝態(tài)氮SNO濃度實(shí)時(shí)優(yōu)化設(shè)定值，虛線是硝態(tài)氮SNO濃度跟蹤控制值；結(jié)果證明該方法的有效性。當(dāng)前第1頁1 2 3