关键词:
污水处理
多目标粒子群
径向基神经网络
自适应模糊PID
BSM1仿真模型
摘要:
中国水资源短缺、污染治理深度攻坚与“双碳”目标的叠加对污水处理系统的出水水质稳定性和能源利用效率提出了更高要求。我国城镇污水处理主要采用活性污泥法工艺,传统控制方案难以实现出水水质与能耗的协同优化,亟需引入多目标协同的优化算法与智能控制策略,以实现污水处理系统的高效、绿色与智能运行。
本文以提升污水处理过程智能化水平为目标,围绕“建模—优化—控制”三层架构,提出了一种基于多目标粒子群优化算法(Multi-Objective Particle Swarm Optimization,MOPSO)与自适应模糊PID控制的污水处理过程优化控制方法。
(1)基于国际水协(IWA)提出的BSM1基准仿真模型,通过采集仿真数据构建了涵盖进水水质、关键控制参数与出水性能指标之间关系的样本集,利用径向基神经网络(Radial Basis Function Neural Network,RBFNN)建立了出水水质评价指标(Effluent Quality,EQ)、处理能耗(Energy Consumption,EC)及五种出水水质参数的预测模型。RBFNN建模结果显示,该方法较传统BP神经网络在预测精度和泛化能力方面具有明显优势,有效提升了系统建模的准确性与实用性。
(2)构建了以最小化EQ与EC为目标的多目标优化模型,明确了优化变量、约束条件及目标函数。针对污水处理系统的非线性、多变量及强耦合特性,引入MOPSO算法进行动态寻优,通过粒子种群协同进化获取优化变量的帕累托最优解集合。与NSGA-II、MOEA/D等典型算法的对比测试结果表明,MOPSO算法在收敛性、解的分布性与多样性方面均表现更优,能够为污水处理过程提供更合理、灵活的优化变量设定方案。
(3)针对优化后控制变量设定值的精确跟踪问题,设计了基于自适应模糊PID的设定值跟踪控制器,实现对生物池溶解氧浓度(,5)与硝态氮浓度(,2)的实时调节。仿真结果表明,相较于BSM1默认PI控制器与恒值控制策略,所提控制器在响应速度、稳态误差与抗扰动能力方面具有更优表现,能够有效降低系统能耗5.82%,保障出水水质稳定达标。