基于DE算法的造纸废水好氧处理过程优化控制策略研究

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1、％＼ｒ＂＊，论文分类号：２学校代码：１０７０８学号：１５０１０１４龜淡Ａ科我ＡｆＳＨＡＡＮＸＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ硕士学位论文Ｔ’ｈｅｓｉｓｆｏｒＭａｓｔｅｒｓＤｅｇｒｅｅ基于ＤＥ算法的造纸废水好氧处理过程优化控制策略研究白志雄指导教师姓名：汤伟教授学科名称：化工过程机械论文提交日期：２０１８年３月论文答辩日期：２０１８年５月学位授予单位：陕西科技大学申请工学硕士学位论文论文题目：基于DE算法的造纸废水好氧处理过程优化控制策略研究学科门类：工学一级学科：动力工程及工程热物理培

2、养单位：机电工程学院硕士生：白志雄导师：汤伟教授2018年5月StudyontheOptimizationControlStrategyofAerobicTreatmentProcessforPapermakingWastewaterBasedonDEAlgorithmAThesisSubmittedtoShaanxiUniversityofScienceandTechnologyinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringScienceByZhixiongBaiSupervisor:Prof

3、.WeiTangMay2018基于DE算法的造纸废水好氧处理过程优化控制策略研究摘要伴随中国特色社会主义迈入新时代，在“建设美丽中国”政策方针指引下，制浆造纸企业面临的环保压力越来越大，废水处理成为关乎企业能否可持续发展至关重要的因素。好氧处理作为一种常见的生物处理方式，以其消耗少、效率高、成本低的优势，被大多数制浆造纸企业普遍采用。而曝气过程作为好氧生物处理的关键环节，作用是维持曝气池中溶解氧浓度稳定在一定范围内。但曝气过程存在非线性、时变、难以精确建模的特点，传统的控制策略常导致溶解氧控制精度不高，参数设定值偏大和能源浪费等问题。为此，在陕西省重点科技创新团队计划项目——轻化工过程节

4、能环保关键设备及控制工程创新团队（2014KCT-15）的资助下，围绕好氧处理曝气过程进行优化控制策略研究，将曝气过程优化控制技术和智能控制技术结合起来，以保证出水水质为前提，降低能耗，提升控制系统精度。论文的主要工作可总结为如下四个方面：（1）造纸废水好氧处理曝气过程状态模型的建立在对曝气过程传统数学模型研究分析的基础上，结合造纸废水特性以及实际工艺情况，建立以曝气量、活性污泥排放量、回流污泥量为控制变量，以曝气池中有机物浓度、微生物浓度、溶解氧浓度为状态变量的活性污泥法曝气过程的基本状态方程，实现了对传统模型的简化，为曝气过程节能优化控制策略研究打下了基础。（2）基于差分进化算法（D

5、E）的好氧处理过程工艺参数优化出水水质优劣除了与曝气控制回路有关外，通常也与剩余污泥排放量、回流污泥量等控制回路密切相关。本文将好氧处理过程主要控制回路作为一个整体，建立好氧处理优化控制系统模型。以曝气过程基本状态方程为基础推导出适合优化控制的状态方程，建立包含鼓风机运行费用、剩余污泥排放费用、回流污泥排放费用的性能指标，选取出水水质为约束条件，利用基本差分进化（DifferentialEvolution，DE）及其改进算法对好氧生化反应过程进行优化控制仿真实验，求解出好氧处理工艺主要控制参数最优控制曲线。在保证出水水质达标的基础上，降低了运行费用，减少了能耗。I（3）曝气过程溶解氧浓度

6、控制研究了溶解氧浓度控制系统的特点，介绍了常见的溶解氧浓度控制策略，在此基础上，设计了模糊PID控制器，用于对溶解氧浓度的控制。并在Simulink仿真软件平台上对模糊PID控制器与常规PID控制器进行仿真实验比较。仿真结果表明：模糊PID控制器在控制精度、响应速度、抗干扰性以及鲁棒性方面均优于常规PID控制。因此，溶解氧浓度控制系统效果有望得到提升。（4）造纸废水好氧处理工艺控制系统设计在对好氧处理工艺要点进行分析的基础上，完成了对控制方案的设计，开发了好氧处理工艺DCS控制系统。其中包括硬件配置、检测仪表选型、控制算法实现以及上位机WinCC画面绘制。本文通过建立造纸废水好氧处理曝气

7、过程状态模型，在保证出水水质的前提下，利用DE算法优化好氧处理过程主要控制回路参数设定值，以达到降低能耗的目的；其次，在溶解氧浓度控制回路中引入了模糊PID控制策略，提升了曝气过程控制精度；最后，通过完成好氧处理工艺DCS控制系统的设计，将优化控制策略在上位机平台中设计实现。研究结果表明：本文设计的带有优化控制策略的好氧处理过程DCS控制系统可以有效降低造纸废水好氧处理能耗，提升制浆造纸企业自动化水平，降低企业生产运行成本，符合国家