栗三一 喬俊飛 李文靜 顧錁

污水處理可有效緩解水資源匱乏問題和減少環(huán)境污染[1?2].然而污水處理過程的控制面臨以下難題[3]:1)生化反應(yīng)過程十分復(fù)雜,擁有眾多變量且變量之間耦合嚴(yán)重;2)流入污水的濃度和流量是時(shí)變的;3)在出水達(dá)標(biāo)的情況下需要盡可能降低能耗、提高水質(zhì).

針對(duì)污水處理過程控制問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究.Mulas等[4]將多變量預(yù)測(cè)控制應(yīng)用于市政污水處理的活性污泥過程,以最小化經(jīng)濟(jì)花費(fèi)和提高總氮去除率為目標(biāo),使用動(dòng)態(tài)矩陣控制算法控制水總氮濃度(SNtot,e),實(shí)驗(yàn)表明該方法可以同時(shí)減少能耗和降低SNtot,e峰值.Sant′?n等[5]針對(duì)污水處理過程提出一種二級(jí)分層控制結(jié)構(gòu),使用模糊控制動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)第五分區(qū)溶解氧濃度(SO,5)設(shè)定值,底層使用模型預(yù)測(cè)控制器對(duì)SO,5進(jìn)行跟蹤控制,達(dá)到降低能耗和提高水質(zhì)的目標(biāo).Egea等[6]以能耗和水質(zhì)為目標(biāo),使用epsilon約束和分散搜索技術(shù)搜索pareto解,直接對(duì)第五分區(qū)氧轉(zhuǎn)換系數(shù)(KLa,5)和內(nèi)回流量(Qa)進(jìn)行控制.Yang等[7]使用模糊c均值聚類方法和最小二乘方法對(duì)污水處理過程建立模糊模型,根據(jù)模糊模型設(shè)計(jì)模型預(yù)測(cè)控制器對(duì)SO,5進(jìn)行控制,實(shí)驗(yàn)表明該控制器在暫態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程都有很好的控制效果.Vega等[8]將非線性模型預(yù)測(cè)控制應(yīng)用于污水處理分層控制,在優(yōu)化層分別使用靜態(tài)優(yōu)化算法和動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法對(duì)SO,5和第二分區(qū)硝態(tài)氮濃度(SNO,2)進(jìn)行優(yōu)化,底層跟蹤控制使用非線性模型預(yù)測(cè)控制,該控制策略在固定設(shè)定值、PID控制的基礎(chǔ)上降低20%能耗.Han等[9]對(duì)污水處理過程提出非線性多目標(biāo)模型預(yù)測(cè)控制方法,該方法使用自組織徑向基函數(shù)(Radial basis function,RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立預(yù)測(cè)模型,使用多目標(biāo)梯度優(yōu)化方法對(duì)SO,5和SNO,2進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),以達(dá)到降低能耗的目標(biāo).以上研究以提高水質(zhì)或減少能耗為目標(biāo),取得了令人滿意的效果,但忽視了出水氨氮濃度SNH,e和SNtot,e峰值超標(biāo)的問題.SNH,e和SNtot,e超標(biāo)不僅會(huì)污染環(huán)境、危害人體健康,而且會(huì)因排污超標(biāo)受到罰款,造成污水處理廠的經(jīng)濟(jì)損失.

在解決SNH,e和SNtot,e峰值超標(biāo)問題方面,Sant′?n等[10]于2016年首次提出污水處理決策控制方法.該方法以入水流量、入水氨氮濃度預(yù)測(cè)SNH,e和SNtot,e,對(duì)外加碳源量和Qa進(jìn)行模糊控制,從而達(dá)到抑制SNH,e和SNtot,e峰值的目的.該方法有效抑制了SNH,e和SNtot,e峰值,但存在能耗較大的問題.

以在抑制SNH,e和SNtot,e峰值的情況下降低能耗為目標(biāo),本文提出污水處理決策優(yōu)化控制方法.首先使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立SNH,e和SNtot,e預(yù)測(cè)模型;然后使用局部搜索NSGA2算法對(duì)能耗和水質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)合預(yù)測(cè)模型從Pareto解中選取合適的解作為溶解氧和硝態(tài)氮濃度設(shè)定值;最后根據(jù)預(yù)測(cè)模型的輸出判斷SNH,e和SNtot,e是否超標(biāo).如果超標(biāo),則使用模糊控制方法對(duì)外部碳源和Qa進(jìn)行控制,抑制峰值.如果不超標(biāo),則使用模糊控制器控制Qa和KLa,5對(duì)設(shè)定值進(jìn)行跟蹤控制.本文提出方法的優(yōu)勢(shì)在于:

1)將SO,5和SNO,2加入預(yù)測(cè)模型輸入.由于SO,5和SNO,2對(duì)SNH,e和SNtot,e有重要影響[11],將其加入預(yù)測(cè)模型輸入端,提高了預(yù)測(cè)模型的精度.

2)提出時(shí)滯時(shí)間計(jì)算方法.根據(jù)每天的入水氨氮和SNH,e峰值時(shí)間差估算延遲時(shí)間,對(duì)建立預(yù)測(cè)模型數(shù)據(jù)采樣提供支持.

3)為了避免多目標(biāo)進(jìn)化算法陷入局部最優(yōu),使用基于密度的局部搜索NSGA2算法(NSGA2-DLS)[12]對(duì)能耗和水質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化,在出水達(dá)標(biāo)的情況下有效地降低能耗.

4)將預(yù)測(cè)模型應(yīng)用于最優(yōu)解的選取過程,從而將優(yōu)化控制與決策控制有機(jī)結(jié)合.該最優(yōu)解選取策略可以優(yōu)先通過調(diào)節(jié)設(shè)定值確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo),從而盡可能降低能耗.

5)預(yù)測(cè)模型可以預(yù)測(cè)一段時(shí)間之后的SNH,e和SNtot,e,從而可以根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行提前控制,有效抑制峰值超標(biāo).

1 建立預(yù)測(cè)模型

考慮到污水處理是一個(gè)大滯后過程,根據(jù)當(dāng)前入水情況建立預(yù)測(cè)模型,預(yù)測(cè)一段時(shí)間之后的出水污染物濃度,從而可以根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行提前控制.

1.1 數(shù)據(jù)采集

本文以活性污泥污水處理基準(zhǔn)仿真模型BSM1[13]為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.首先使BSM1模型開環(huán)運(yùn)行14天,記錄入水氨氮濃度、第二分區(qū)氨氮濃度、第五分區(qū)氨氮濃度和SNH,e,其濃度變化曲線如圖1所示.記錄每天各區(qū)域氨氮濃度峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻,計(jì)算每天從入水到第二分區(qū)、第五分區(qū)和出水的滯后時(shí)間,每天的滯后時(shí)間如表1所示.

表1 不同區(qū)域到入水氨氮濃度最大時(shí)刻滯后時(shí)間(h)Table 1 The time lag from in flow to different regions(h)

然后根據(jù)每天的滯后時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣.由于SO,5和SNO,2對(duì)SNH,e和SNtot,e有重要影響[11],本文以入水流量、入水氨氮、當(dāng)前出水氨氮濃度、SO,5和SNO,2作為SNH,e預(yù)測(cè)模型輸入變量,以入水流量、入水總氮、當(dāng)前出水總氮濃度、SO,5和SNO,2作為SNtot,e預(yù)測(cè)模型輸入變量.根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)將SO,5濃度設(shè)定值設(shè)定在1.4～2.4mg/l,SNO,2濃度設(shè)定值設(shè)定在0.5～1.5,設(shè)定值設(shè)定后即在BSM1模型上運(yùn)行14天,每15分鐘采樣一次,取不同的設(shè)定值的組合方式,共獲得199727組數(shù)據(jù).

1.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模

本文使用前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立出水氨氮和總氮濃度預(yù)測(cè)模型,模型示意圖如圖2和圖3所示.兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)均為5-50-1(試錯(cuò)法確定隱含層神經(jīng)元數(shù)).將采樣獲得的199727組數(shù)據(jù)隨機(jī)選取181570組作為訓(xùn)練樣本,剩余數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本.權(quán)值初始化采用文獻(xiàn)[14]提出的方法,訓(xùn)練時(shí)將數(shù)據(jù)歸一化到[?1,1],使用BP算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練[15],初始學(xué)習(xí)率設(shè)為0.1,最大學(xué)習(xí)步數(shù)為4000步.模型測(cè)試均方根誤差(Root mean square error,RMSE)如表2 所示.Sant′?n 等[10]建立預(yù)測(cè)模型時(shí)僅將入水氨氮濃度、入水流量和溫度作為預(yù)測(cè)模型的輸入,本文將對(duì)SNH,e和SNtot,e有重要影響的SO,5和SNO,2加入輸入變量,從表2的結(jié)果可以看出,將SO,5和SNO,2加入模型輸入端有效提高了預(yù)測(cè)模型的精度.

圖2 出水氨氮濃度預(yù)測(cè)模型Fig.2 Prediction model ofSNH,e

圖3 出水總氮濃度預(yù)測(cè)模型Fig.3 Prediction model ofSNtot,e

表2 預(yù)測(cè)模型測(cè)試均方根誤差(10次實(shí)驗(yàn)平均值)Table 2 Test RMSE of prediction model(mean value of ten test results)

污水處理過程中各變量耦合嚴(yán)重,對(duì)SNH,e和SNtot,e濃度有影響的變量很多,根據(jù)機(jī)理分析和已有的研究[10?11,16],本文選取影響最大的五個(gè)變量作為模型輸入,但預(yù)測(cè)值不可避免與實(shí)際值存在誤差,下面討論該誤差對(duì)本文提出的控制策略的影響.

在BSM1平臺(tái)上進(jìn)行開環(huán)運(yùn)行14天,使用建立的預(yù)測(cè)模型對(duì)SNH,e和SNtot,e進(jìn)行預(yù)測(cè)并與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比,仿真結(jié)果如圖4和圖5所示.圖中實(shí)線曲線表示實(shí)際濃度曲線,虛線表示模型預(yù)測(cè)曲線,從圖4和圖5可以看出,每天城市污水的出水量是不斷變化的,而且最高值和最低值相差比較大,在國(guó)家規(guī)定的濃度上限值(SNH,e和SNtot,e的上限值分別為4mg/l和18mg/l)附近曲線的變化率很大,模型在該上限值附近預(yù)測(cè)誤差并不大.共存在四種情況,下面分別進(jìn)行討論.

圖4 出水氨氮濃度預(yù)測(cè)曲線Fig.4 Prediction curve and actual curve ofSNH,e

圖5 出水總氮濃度預(yù)測(cè)曲線Fig.5 Prediction curve and actual curve ofSNtot,e

第一種情況是峰值超標(biāo)嚴(yán)重,從圖4和圖5可以看出,最多提前或滯后半小時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急操作,對(duì)于污水處理這樣的慢反應(yīng)過程而言在可接受范圍之內(nèi).根據(jù)實(shí)際情況,當(dāng)對(duì)污水處理過程沒有相應(yīng)操作時(shí),出水不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間固定在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)附近,也就是說不存在長(zhǎng)時(shí)間誤判超標(biāo)的情況.

第二種情況是峰值超標(biāo)但超標(biāo)值很少,從圖中可以看到,峰值持續(xù)時(shí)間都比較短,即使誤判為沒有超標(biāo),出水氨氮和總氮濃度也會(huì)很快降到標(biāo)準(zhǔn)以下,因此這種情況影響不大.

第三種情況是峰值接近上限值但沒有超標(biāo),這種情況可能存在誤判超標(biāo)從而啟動(dòng)應(yīng)急操作.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到,誤判的時(shí)間持續(xù)很短暫,在1～2個(gè)小時(shí)內(nèi)就會(huì)達(dá)到終止應(yīng)急操作的條件,因此造成的損失有限.

第四種情況為峰值距離上限值較遠(yuǎn),這種情況下判斷基本準(zhǔn)確,不會(huì)進(jìn)行誤操作.

從以上分析可以看出,出水氨氮和總氮預(yù)測(cè)模型的輸出與實(shí)際值存在偏差,但對(duì)實(shí)際操作造成的損失并不大,即使誤判也會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)更正操作.

2 設(shè)定值動(dòng)態(tài)優(yōu)化

SO,5和SNO,2不僅對(duì)SNH,e和SNtot,e有重要影響,而且直接受KLa,5和Qa的影響,對(duì)其濃度設(shè)定值進(jìn)行優(yōu)化可以有效降低能耗[11].因此本文首先使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立能耗模型和水質(zhì)模型作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),然后使用多目標(biāo)進(jìn)化算法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)合之前建立的預(yù)測(cè)模型挑選合適的解作為SO,5和SNO,2的設(shè)定值.

2.1 建立能耗、水質(zhì)模型

使用多目標(biāo)優(yōu)化算法調(diào)整SO,5和SNO,2設(shè)定值,首先需要確定目標(biāo)函數(shù).根據(jù)課題研究背景,將能耗和水質(zhì)作為優(yōu)化算法的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù).由于污水處理過程影響能耗和水質(zhì)的因素眾多,且各影響因素之間關(guān)系復(fù)雜,能耗模型和水質(zhì)模型難以直接獲得.本文使用前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立能耗和水質(zhì)模型.

能耗模型和水質(zhì)模型輸入變量均為出水懸浮物濃度、SNH,e、SO,5和SNO,2[17].數(shù)據(jù)采集不考慮時(shí)間延遲,每15分鐘采集一次數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集方法與第1.1節(jié)相同,SNO,2濃度設(shè)定值和SO,5濃度設(shè)定值在取值范圍內(nèi)取不同的數(shù)值在BSM1平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),共記錄295669組數(shù)據(jù)進(jìn)行建模,其中268790組數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練,26879組數(shù)據(jù)用于測(cè)試,模型結(jié)構(gòu)4-40-1(試錯(cuò)法確定隱含層神經(jīng)元數(shù)).參數(shù)設(shè)定和訓(xùn)練方法與建立預(yù)測(cè)模型相同.能耗模型測(cè)試RMSE為0.0883,水質(zhì)模型測(cè)試RMSE為0.4202.

2.2 優(yōu)化問題模型

污水處理過程優(yōu)化問題可以表示為以下數(shù)學(xué)形式:

其中,F1和F2為兩個(gè)目標(biāo)函數(shù),分別代表能耗和水質(zhì);f1和f2為第2.1節(jié)建立的能耗模型和水質(zhì)模型;決策向量X的兩個(gè)元素(x1,x2)分別表示第五分區(qū)溶解氧濃度和第二分區(qū)硝態(tài)氮濃度;l1和ui分別為第i個(gè)決策變量的下界和上界;?為超標(biāo)懲罰項(xiàng),計(jì)算公式為

其中,CNH和CNtot分別表示預(yù)測(cè)出水氨氮濃度超標(biāo)值和預(yù)測(cè)出水總氮超標(biāo)值;fNH和fNtot分別表示第1節(jié)建立的SNH,e預(yù)測(cè)模型和SNtot,e預(yù)測(cè)模型;4和18分別為國(guó)家規(guī)定的SNH,e和SNtot,e上限值.

2.3 種群稀疏度求取

本文實(shí)驗(yàn)初始種群總數(shù)N為100,即有N個(gè)解,首先對(duì)目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行歸一化.設(shè)第i個(gè)解Xi的目標(biāo)向量為(F1(Xi),F2(Xi)),則歸一化公式為[18]

其中,Fjmin和Fjmax分別為當(dāng)前所有解對(duì)應(yīng)的第j個(gè)目標(biāo)函數(shù)值的最大值和最小值.歸一化后第i個(gè)解Xi的稀疏度計(jì)算公式為

其中,ni為目標(biāo)函數(shù)空間中與目標(biāo)向量F(Xi)歐氏距離小于r的其他目標(biāo)向量的個(gè)數(shù),r的取值范圍為0

2.4 局部搜索過程

將當(dāng)前稀疏度最小的非支配解X=(x1,x2)作為稀疏解,種群總數(shù)N為100,決策變量個(gè)數(shù)n為2.為了增加收斂精度,首先使用極限優(yōu)化[19]變異方法進(jìn)行局部搜索,產(chǎn)生局部解個(gè)數(shù)為n,產(chǎn)生局部解的變異公式為

其中,xi為決策變量;h為0～1的隨機(jī)數(shù);q為正實(shí)數(shù),稱為形狀參數(shù),本文將q設(shè)為11;βmax(xi)為當(dāng)前決策變量xi可變動(dòng)的最大值.

其次使用隨機(jī)移民策略進(jìn)行變異操作,增加收斂速度的同時(shí)避免陷入局部最優(yōu).該變異策略則產(chǎn)生局部解個(gè)數(shù)為種群總數(shù)的20%(如不能整除則取整),變異公式為

其中,γ為0～1.2的隨機(jī)數(shù).以上兩種變異策略共產(chǎn)生n+d0.2Ne個(gè)局部解.

2.5 多目標(biāo)優(yōu)化步驟

使用NSGA2-DLS[12]算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化.溶解氧濃度取值范圍為[1.4,2.7],硝態(tài)氮濃度取值范圍為[0.5,1.5].初始種群數(shù)量N為100,最大函數(shù)調(diào)用次數(shù)Imax為30,交叉概率0.9;變異概率0.01.形狀參數(shù)q為11.具體優(yōu)化步驟如下:

步驟1.在取值范圍內(nèi)隨機(jī)初始化種群PI={X1,X2,···,XN},其中,.

步驟2.計(jì)算PI中所有解的適應(yīng)度值和擁擠距離(與標(biāo)準(zhǔn)NSGA2相同),對(duì)PI中的解進(jìn)行非支配排序,當(dāng)前種群中所有非支配解記為PC.

步驟3.按照標(biāo)準(zhǔn)NSGA2算法對(duì)PI中的種群進(jìn)行交叉變異,形成子代PM.

步驟4.在目標(biāo)函數(shù)空間內(nèi),按式(3)和式(4)計(jì)算PC中所有解的稀疏度,選擇稀疏度最小的解作為稀疏解X=(x1,x2).

步驟5.按式(5)～(10)形成n+d0.2Ne個(gè)局部解,所有局部解組成種群PN,PN參與到下一代的競(jìng)爭(zhēng)中.

步驟6.將PI,PN和PM合并,并對(duì)所有解進(jìn)行非支配排序和擁擠距離計(jì)算,從中選取最優(yōu)的N個(gè)解形成下一代種群PO,并設(shè)PI=PO.PO的選取規(guī)則為:優(yōu)先選取非支配解,當(dāng)非支配解數(shù)量不足N時(shí),選取次優(yōu)解,以此類推,直到解的數(shù)量達(dá)到N為止;在同一等級(jí)的解中,擁擠距離大的解優(yōu)先選取.

步驟7.重復(fù)步驟2～6,當(dāng)達(dá)到最大迭代步數(shù)Imax時(shí)進(jìn)行下一步.

步驟8.當(dāng)前PI中的非支配解即為得到的最優(yōu)解.

2.6 最優(yōu)解選取

使用多目標(biāo)優(yōu)化算法得到多個(gè)非支配解,需要從中選取合適的解作為SO,5和SNO,2設(shè)定值.從非支配解集中選取解時(shí),具體步驟如下:

步驟1.將得到的所有非支配解帶入預(yù)測(cè)模型,將出水指標(biāo)達(dá)標(biāo)的解加入解集PD.

步驟2.若PD不為空集,則降低能耗為主要目標(biāo),從PD中選取能耗最低的解作為設(shè)定值.

步驟3.若PD為空集,則抑制出水污染濃度為主要目標(biāo),從非支配解中選取水質(zhì)最高的解作為設(shè)定值.

該最優(yōu)解選取方法將預(yù)測(cè)模型應(yīng)用于最優(yōu)解的選取過程,可以優(yōu)先通過調(diào)節(jié)設(shè)定值確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo),從而盡可能降低能耗.

3 決策優(yōu)化控制

根據(jù)第2節(jié)得到SO,5和SNO,2設(shè)定值,將設(shè)定值帶入SNH,e和SNtot,e預(yù)測(cè)模型.如果預(yù)測(cè)出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)則切換到跟蹤控制策略,對(duì)SO,5和SNO,2進(jìn)行跟蹤控制.如果預(yù)測(cè)SNH,e或SNtot,e超標(biāo),則切換到抑制控制策略,對(duì)峰值進(jìn)行抑制.控制策略圖如圖6所示.

3.1 溶解氧、硝態(tài)氮濃度跟蹤控制

當(dāng)預(yù)測(cè)SNH,e和SNtot,e都不超標(biāo)時(shí),使用兩個(gè)模糊控制器分別控制KLa,5和Qa,從而對(duì)SO,5和SNO,2進(jìn)行跟蹤控制.

SO,5模糊跟蹤控制器的輸入為當(dāng)前濃度與設(shè)定值之間的誤差eo和4eo誤差變化量,輸出為KLa,5變化量4KLa,5.Ke,Kec和Ku分別為誤差、誤差變化量的量化因子和曝氣變化量的比例因子,分別設(shè)為10,6,?20.eo和4KLa,5的基本論域?yàn)閇?6,6],4eo的基本論域?yàn)閇?4,4].eo和4KLa,5對(duì)應(yīng)的模糊子集為:{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},分別表示負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大.4eo的模糊子集為:{NB,NS,ZO,PS,PB},分別表示負(fù)大,負(fù)小,零,正小,正大.eo和4eo的語(yǔ)言變量分別用E和EC表示,模糊控制器規(guī)則表如表3所示.

圖6 決策優(yōu)化控制示意圖Fig.6 The proposed decision and optimization control system

表3 SO,5模糊跟蹤控制器模糊規(guī)則Table 3 Fuzzy rules ofSO,5fuzzy controller

SNO,2模糊跟蹤控制器的輸入為當(dāng)前濃度與設(shè)定值之間的誤差eNO和誤差變化量4eNO,輸出為Qa,對(duì)應(yīng)的量化因子和比例因子分別為12,40和?2500.論域、模糊子集和模糊規(guī)則與SO,5跟蹤控制器相同.

3.2 出水氨氮濃度峰值抑制控制

當(dāng)預(yù)測(cè)SNH,e超標(biāo)時(shí),使用一個(gè)模糊控制器對(duì)Qa進(jìn)行控制,從而抑制出水氨氮峰值.當(dāng)預(yù)測(cè)出水氨氮超標(biāo)時(shí),首先增加Qa稀釋流入第一分區(qū)的氨氮濃度;當(dāng)氨氮濃度峰值到達(dá)第五分區(qū)時(shí),減少Q(mào)a以增加水力停留時(shí)間,從而促進(jìn)硝化反應(yīng).在調(diào)整Qa的同時(shí),將第五分區(qū)溶解氧設(shè)定值設(shè)定為原來的1.5倍.

模糊控制器的輸入為第五分區(qū)氨氮濃度(SNH,5),輸出為Qa.輸入和輸出變量都包含三個(gè)模糊子集:{L,M,H}分別表示低、中和高.模糊規(guī)則如下:

SNH,5的取值范圍為3～4.1mg/l,Qa的取值范圍為3000～200000m3/d.當(dāng)預(yù)測(cè)出水氨氮達(dá)標(biāo)并且SNH,5小于3.5mg/l時(shí)切換回模糊跟蹤控制.

3.3 出水總氮濃度峰值抑制控制

當(dāng)預(yù)測(cè)SNtot,e超標(biāo)時(shí),根據(jù)SNtot,e預(yù)測(cè)值對(duì)第一分區(qū)外加碳源(qEC1)和第二分區(qū)外加碳源(qEC2)進(jìn)行模糊控制,增加碳源可以促進(jìn)反硝化作用,去除氮元素.模糊控制器的輸入為出水總氮預(yù)測(cè)值(SNtot),輸出為外加碳源量qEC.輸入和輸出變量都包含三個(gè)模糊子集:{L,M,H}分別表示低、中和高.模糊規(guī)則如下:

SNtot的取值范圍為17～19.5mg/l,qEC的取值范圍為4～7m3/d,qEC1的最大值為5,若qEC<5,則qEC1=qEC,否則qEC1=5,qEC2=qEC?5.當(dāng)預(yù)測(cè)出水總氮低于17mg/l并且第五分區(qū)總氮低于13.5mg/l時(shí),切換回模糊跟蹤控制.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文主要做了兩組實(shí)驗(yàn),一組實(shí)驗(yàn)采用基于NSGA2-DLS的優(yōu)化控制策略進(jìn)行污水處理控制,結(jié)果與已有的優(yōu)化控制方法對(duì)比,主要目的為驗(yàn)證NSGA2-DLS在解決污水處理優(yōu)化問題方面的有效性.另一組實(shí)驗(yàn)采用本文提出的決策優(yōu)化控制策略,結(jié)果與其他決策控制方法對(duì)比,驗(yàn)證本文提出的決策優(yōu)化控制策略可以在抑制SNH,e和SNtot,e超標(biāo)的基礎(chǔ)上降低能耗.所有實(shí)驗(yàn)采用MATLAB10.0b軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為國(guó)際通用仿真平臺(tái)BSM1.

4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

污水處理后出水水質(zhì)限制如表4所示,包括SNH,e,SNtot,e,固體懸浮物濃度TSS,5天生物需氧量BOD5和化學(xué)需氧量COD.

表4 出水水質(zhì)限制Table 4 Effluent quality limits

本文使用的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有:水質(zhì)EQ、總費(fèi)用OCI和水質(zhì)超標(biāo)時(shí)間百分比P,具體公式為

其中,T為觀察周期,SNKj為凱氏氮濃度,SNO為硝態(tài)氮濃度,Qe為出水流量.

其中,AE為曝氣能耗,PE為泵送能耗,EC為碳源費(fèi)用,計(jì)算公式為

其中,KLa,k為第k個(gè)池子氧轉(zhuǎn)換系數(shù),Vk為系數(shù).

其中,Qa為內(nèi)回流速,Qr為外回流速,Qw為污泥流速.

其中,qEC,k為第k個(gè)池子的外加碳源流速.

水質(zhì)超標(biāo)時(shí)間百分比計(jì)算公式為

其中,Tc為水質(zhì)超標(biāo)總時(shí)間,Tz為總運(yùn)行時(shí)間.

4.2 基于NSGA2-DLS的優(yōu)化控制

為驗(yàn)證本文使用優(yōu)化控制方法的有效性,使用基于NSGA2-DLS的優(yōu)化控制方法對(duì)BSM1污水處理模型進(jìn)行控制,但不對(duì)超標(biāo)峰值進(jìn)行抑制,模擬在晴天天氣下連續(xù)進(jìn)行7天優(yōu)化控制.首先使用優(yōu)化算法對(duì)SO,5和SNO,2設(shè)定值進(jìn)行優(yōu)化,由于污水處理是一個(gè)慢過程,控制需要一定的反應(yīng)時(shí)間,因此每2小時(shí)優(yōu)化一次設(shè)定值.然后使用模糊控制器對(duì)設(shè)定值進(jìn)行跟蹤控制.

各出水指標(biāo)變化曲線如圖7所示,SO,5和SNO,2設(shè)定值變化及跟蹤效果如圖8和圖9所示.控制效果如表5所示,控制效果與固定設(shè)定值(SO,5和SNO,2設(shè)定值分別為2和1),不抑制峰值(記為F1),DPSO[20],APSO[21]和ESN[22]進(jìn)行對(duì)比.從圖7可以看出,出水TSS,BOD5和COD濃度均保持在規(guī)定范圍以內(nèi),出水SNH和SNtot濃度雖然大部分時(shí)間在要求范圍以內(nèi),但在峰值處超標(biāo)嚴(yán)重.從圖8和圖9可以看出,本文使用的模糊控制器雖然可以有效跟蹤設(shè)定值,但是在設(shè)定值變化時(shí)有超調(diào),但此問題不是本文研究的重點(diǎn).表5給出了不同優(yōu)化控制方法對(duì)BSM1模型的控制效果,從表5可以看出,各出水指標(biāo)均值都在限定范圍之內(nèi),本文使用的NSGA2-DLS算法得到的能耗最低,但水質(zhì)指標(biāo)也有所升高.

圖7 各出水水質(zhì)濃度變化曲線Fig.7 The change of water quality parameters

通過以上分析可知,NSGA2-DLS算法在污水處理優(yōu)化控制中的應(yīng)用可以有效降低能耗,各指標(biāo)均值都達(dá)到出水標(biāo)準(zhǔn),但是SNH,e和SNtot,e峰值超標(biāo)嚴(yán)重,峰值的抑制控制十分必要.

4.3 決策優(yōu)化控制

將優(yōu)化控制與決策控制相結(jié)合,使用優(yōu)化控制降低能耗,決策控制對(duì)SNH,e和SNtot,e峰值進(jìn)行抑制,模擬在晴天天氣下連續(xù)進(jìn)行7天決策優(yōu)化控制.首先使用優(yōu)化算法對(duì)SO,5和SNO,2設(shè)定值進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化周期為2小時(shí).然后使用預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)SNH,e和SNtot,e是否超標(biāo),如果都不超標(biāo),則對(duì)SO,5和SNO,2進(jìn)行跟蹤控制;如預(yù)測(cè)SNH,e超標(biāo),則切換到SNH,e峰值抑制控制);如預(yù)測(cè)SNtot,e超標(biāo),則切換到SNtot,e峰值抑制控制.

表5 不同算法控制效果比較(出水指標(biāo)、能耗和水質(zhì))Table 5 Performance comparison for different control algorithms(effluent parameters,OCIandEQ)

圖8 SNO,2設(shè)定值及跟蹤曲線Fig.8 Optimization and tracking results ofSNO,2

圖9 SO,5設(shè)定值及跟蹤曲線Fig.9 Optimization and tracking results ofSO,5

決策優(yōu)化控制的出水TSS,BOD5和COD濃度變化如圖10所示.決策優(yōu)化控制與NSGA2-DLS優(yōu)化控制下SNH,e和SNtot,e的對(duì)比如圖11和圖12所示.SO,5和SNO,2設(shè)定值變化及跟蹤效果如圖13和圖14所示,Qa和KLa,5變化曲線如圖15和圖16所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其他抑制SNH,e和SNtot,e峰值方法進(jìn)行比較,對(duì)比方法有:固定SO,5和SNO,2設(shè)定值抑制峰值 (記為 F2)、Jeppsson[23]、Nopens[24]、Flores-Alsina[25]和 Sant′?n[10],對(duì)比結(jié)果如表6所示.

表6 不同SNH,e和SNtot,e峰值抑制方法效果對(duì)比Table 6 Performance comparison for differentSNH,eandSNtot,epeak suppression methods

從圖10可知,決策優(yōu)化控制下出水TSS,BOD5和COD濃度均保持在規(guī)定范圍以內(nèi).圖11和圖12表明,抑制控制的加入有效抑制了SNH,e和SNtot,e峰值.從圖13和圖14的SO,5和SNO,2跟蹤曲線可以看出,當(dāng)切換到抑制控制時(shí),抑制峰值為首要目標(biāo),因此在抑制控制時(shí)SO,5和SNO,2與設(shè)定值相差較大.圖15和圖16表示的Qa變化曲線和KLa,5變化曲線顯示了SNH,e和SNtot,e在預(yù)測(cè)達(dá)標(biāo)和超標(biāo)兩種情況下,決策優(yōu)化控制對(duì)Qa和KLa,5的控制.從表6的對(duì)比結(jié)果可以看出,本文提出的決策優(yōu)化控制方法可以有效抑制SNH,e和SNtot,e峰值,出水SNH,e和SNtot,e始終保持在規(guī)定范圍以內(nèi),超標(biāo)時(shí)間百分比均為0%.其他抑制峰值方法均不能保持出水SNH,e和SNtot,e始終達(dá)標(biāo).與其他方法相比,決策優(yōu)化控制消耗的能耗明顯降低,雖然水質(zhì)指標(biāo)高于其他方法,但污水控制目標(biāo)為在出水達(dá)標(biāo)的情況下盡可能降低能耗,因此本文提出的決策優(yōu)化控制節(jié)能降耗效果優(yōu)于所對(duì)比控制方法,實(shí)現(xiàn)了在抑制SNH,e和SNtot,e峰值的情況下降低能耗的目標(biāo).

圖10 出水TSS、BOD5和COD濃度變化曲線Fig.10 The curves of TSS,BOD5and COD of effluent

5 總結(jié)與展望

本文提出的決策優(yōu)化控制將決策控制與優(yōu)化控制相結(jié)合,在抑制出水氨氮和總氮濃度峰值的情況下降低能耗.理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,決策優(yōu)化控制在以下方面對(duì)污水處理控制做出了貢獻(xiàn).

圖11 決策優(yōu)化控制與優(yōu)化控制SNH,e變化曲線Fig.11 The curves ofSNH,ewith decision and optimization control system and optimization control system

圖12 決策優(yōu)化控制與優(yōu)化控制SNtot,e變化曲線Fig.12 The curves ofSNtot,ewith decision and optimization control system and optimization control system

圖13SO,5設(shè)定值及跟蹤曲線Fig.13 Optimization and tracking results ofSO,5

1)在預(yù)測(cè)模型建立方面,本文提出的時(shí)滯時(shí)間計(jì)算方法對(duì)建模數(shù)據(jù)采樣提供了新思路;將第二分區(qū)溶解氧濃度和第五分區(qū)硝態(tài)氮濃度作為預(yù)測(cè)模型輸入變量提高了模型的精度.

雖然決策優(yōu)化控制取得了較好的效果,但仍然有一些方面需要改進(jìn),決策優(yōu)化控制使用的模糊控制器跟蹤性能一般,在設(shè)定值變化時(shí)超調(diào)嚴(yán)重;本文使用多層感知器進(jìn)行建模,可以在權(quán)值初始化、權(quán)值調(diào)整算法等方面進(jìn)行改進(jìn),提高建模精度,也可以嘗試其他建模方法.

圖14 SNO,2設(shè)定值及跟蹤曲線Fig.14 Optimization and tracking results ofSNO,2

圖15 Qa變化曲線Fig.15 The curve ofQa

圖16 KLa,5變化曲線Fig.16 The curve ofKLa,5

2)將NSGA2-DLS優(yōu)化算法應(yīng)用于設(shè)定值優(yōu)化環(huán)節(jié),提高了優(yōu)化解的質(zhì)量,降低了能耗.

3)在優(yōu)化過程和最優(yōu)解選取過程中引入預(yù)測(cè)模型,將優(yōu)化控制與決策控制有效結(jié)合,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,決策優(yōu)化控制可以有效抑制SNH,e和SNtot,e峰值,與其他抑制控制相比,決策優(yōu)化控制的能耗更低,達(dá)到了出水達(dá)標(biāo)的情況下節(jié)能降耗的目的.