反三角波作为激励信号对污水厂曝气过程闭环辨识的方法技术

本发明专利技术提出了一种反三角波作为激励信号对污水厂曝气过程闭环辨识的方法，在PID控制器设定值处施加反三角波激励信号，对反三角波的参数进行整定，利用整定的反三角波参数进行闭环辨识实验，得到最终辨识模型。本发明专利技术在保障生物反应池曝气量正常的情况下，提出了以反三角波信号作为闭环辨识激励值来辨识曝气过程的方法，在工程实际中，以辨识所得数学模型来整定控制参数的方法可以减少人为经验值带来的误差影响。此方法相较于闭环辨识常用的伪随机信号，在实际工程中更容易实施，并且不会影响生产安全。

【技术实现步骤摘要】
反三角波作为激励信号对污水厂曝气过程闭环辨识的方法
本专利技术涉及控制科学与工程学科中的建模仿真理论与
的连续过程闭环辨识激励信号技术。
技术介绍
污水中污染物的去处主要在曝气池中完成，因此曝气池的效果好坏影响了整个工艺过程。影响曝气过程的变量有很多，最主要的就是DO(溶解氧)浓度，合理的控制这些变量可以最直接有效地提高曝气池的处理效率。在实际操作过程中，中控人员根据自己的实际操作经验来调整曝气阀门的开度大小，经常造成DO浓度值忽高忽低的情况，且波动范围较大。DO设定值控制已是当前比较成熟的技术，也就是PID(ProportionalIntegralDerivative)控制器通过调节曝气量控制好氧区DO浓度维持在某个设定值。PID控制作为经典控制理论中的一种控制方式，由于结构简单、调整方便的特点被广泛地应用于工业控制过程中，尤其适合可以建立数学模型的系统，是目前工业控制的主要技术之一。实现精确控制的前提是对过程模型的把握，因此，过程模型的辨识是合理控制DO浓度并提高曝气池处理效率的关键方法。闭环辨识作为一种工程上普遍认可的方法，其优点是可以在不影响生产的情况下辨识出过程模型。但是常用的伪随机信号需要较专业的人员提供经验值，存在着一定的难度。所以工程中需要更简单的激励信号。在曝气池工艺过程中，对于DO浓度的上限下限有规定。好氧区若过量曝气会导致PAO细胞内贮存的碳源物质过量消耗，若DO浓度太低则会产生反硝化反应。又因为辨识过程一般在不影响工艺生产的情况下实施，即在曝气池运行的同时进行闭环辨识。所以设定值要保证不影响正常的工艺流程，则反三角波作为激励信号相较于斜波有可恢复DO浓度初始值的优点、相较于阶跃波有平缓上升更适合实际工程的优点、相较于正三角波有满足硝化水平的情况下可以降低曝气量的优点。
技术实现思路
本专利技术提供了一种反三角波作为激励信号对污水厂曝气过程闭环辨识的方法，利用反三角波作为激励信号，辨识所得数学模型让精确控制更为合理。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种反三角波作为激励信号对污水厂曝气过程闭环辨识的方法，污水厂曝气过程闭环辨识包括，在PLC处输入初始设定值设置期望DO浓度值，浓度值信号经由PID控制器输出控制信号至阀门控制箱控制阀门开度从而控制好氧区DO浓度值，控制过程输出值即DO浓度值反馈至设定值处，设定值和反馈值之差随后输入PID控制器，重新算得的控制信号再次控制阀门开度，其特征在于在PLC处施加三角波激励信号，使得设定值线型下降至曝气过程限值后又线型回升至初始设定值，输出值DO浓度值也随之改变，根据曝气过程溶解氧浓度的限值要求对反三角波的参数进行整定。进一步地，所述三角波激励信号函数可定义为：式中，参数a为反三角波斜坡宽度；参数k为反三角波斜坡坡度；反三角波斜坡宽度a的参数整定原则：参数a影响了激励值的变化幅度。其整定原则是参数a的限值不能超过设定值满量程的x％，则：式中，rmax是设定值的满量程值；对于反三角波斜坡坡度k，根据参数k的参数整定原则，在满足曝气过程对DO浓度的限制下，即激励所得DO浓度输出数据在限值内，通过试凑试验得到。进一步地，仅考虑DO浓度的影响的情况下，曝气过程简化为一阶惯性环节串联一阶滞后环节，则其传递函数为：PID控制器通用传递函数为：根据ZN-PID整定公式计算Kp，Ti，Td，将其代入PID控制器通用传递函数；利用前面整定得到的反三角波参数进行闭环辨识实验，利用粒子群辨识程序可得到的辨识模型参数K，T，τ，将其代入传递函数被控模型的传递函数中，得到最终辨识模型。进一步地，反三角波激励信号应施加在控制器设定值处，也就是曝气系统电磁阀控制柜PLC处。污水厂曝气过程在只考虑溶解氧浓度的情况下可以简化为带时滞的一阶惯性环节，本专利技术在保障生物反应池曝气量正常的情况下，提出了以反三角波信号作为闭环辨识激励值来辨识曝气过程的方法。在工程实际中，以辨识所得数学模型来整定控制参数的方法可以减少人为经验值带来的误差影响。此方法相较于闭环辨识常用的伪随机信号，在实际工程中更容易实施，并且不会影响生产安全。本专利技术是对于污水处理曝气过程模型的辨识方法的研究，有别于模型的控制，辨识所得数学模型让精确控制更为合理。附图说明图1为反三角波激励的曝气过程模型辨识流程框图。具体实施方式下面结合具体实例对本专利技术方法进行简要说明。本专利技术的具体实施过程如下：如图所示，曝气过程PID控制，首先在PLC处(图中圆圈处)有一个输入值，即初始设定值设置期望DO(溶解氧)浓度值，浓度值信号经由PID控制器输出控制信号至阀门控制箱控制阀门开度从而控制好氧区DO浓度值，控制过程输出值，即DO浓度值反馈至设定值处，设定值和反馈值之差随后输入PID控制器，重新算得的控制信号再次控制阀门开度，系统最终输出值将稳定在设定值附近。通过已知的PID控制器模型及输入输出数据可以辨识得到被控对象的数学模型。在实际工艺过程中，施加激励值进行辨识往往在系统稳定运行的情况下，这种情况下输入输出值基本保持不变，不能辨识到被控对象模型，反三角波不会影响生产工艺，且在设定值处施加激励在工程上易实施。因此，为了避免对生产造成影响，及在污水厂曝气过程中溶解氧浓度的上下限要求，设定闭环辨识的激励波形为反三角波。三角波激励信号施加后，即设定值线型下降至曝气过程限值后又线型回升至初始设定值，输出值阀门开度也随之改变。通过系统震荡所产生的数据，利用PSO算法寻优可辨识得到被控曝气过程的数学模型，从而根据数学模型算得最优PID控制参数，优化控制方法。本专利技术反三角波激励信号函数可定义为：式中，参数a为反三角波斜坡宽度；参数k为反三角波斜坡坡度。本专利技术反三角波斜坡坡度k的参数整定原则：参数k决定了设定值在限值内上升(下降)的速率。在满足输出量在设定限值以内的条件下，k越大，设定值上升(下降)的越快，反之越缓，为了保证对曝气过程的正常进行，不宜选取过大的k值，只要满足控制器输出的控制量对曝气过程的影响在设定限值内，通过试凑试验即可确定k值。本专利技术反三角波斜坡宽度a的参数整定原则：参数a影响了激励值的变化幅度。其整定原则是参数a的限值不能超过设定值满量程的x％，则：式中，rmax是设定值的满量程值。污水处理曝气过程属于复杂的动态工程系统，无法用精确的数学模型来描述。为简化曝气过程模型，仅考虑DO浓度的影响的情况下，曝气过程可以简化为一阶惯性环节串联一阶滞后环节，则被控模型的传递函数为：不妨设曝气过程的实际模型为PID控制器通用传递函数为：根据ZN-PID整定公式：Ti(积分时间常数)＝2τ＝20Td(微分时间常数)＝0.5τ＝5控制器的模型为...

【技术保护点】
1.一种反三角波作为激励信号对污水厂曝气过程闭环辨识的方法，污水厂曝气过程闭环辨识包括，在PID控制器设定值处输入初始设定值设置期望DO浓度值，浓度值信号经由PID控制器输出控制信号至阀门控制箱控制阀门开度从而控制好氧区DO浓度值，控制过程输出值即DO浓度值反馈至设定值处，设定值和反馈值之差随后输入PID控制器，重新算得的控制信号再次控制阀门开度，其特征在于在PID控制器设定值处施加反三角波激励信号，使得设定值线型下降至曝气过程限值后又线型回升至初始设定值，输出值DO浓度也随之改变，根据曝气过程溶解氧浓度的限值要求对反三角波的参数进行整定，利用整定的反三角波参数进行闭环辨识实验，得到最终辨识模型。/n

【技术特征摘要】
1.一种反三角波作为激励信号对污水厂曝气过程闭环辨识的方法，污水厂曝气过程闭环辨识包括，在PID控制器设定值处输入初始设定值设置期望DO浓度值，浓度值信号经由PID控制器输出控制信号至阀门控制箱控制阀门开度从而控制好氧区DO浓度值，控制过程输出值即DO浓度值反馈至设定值处，设定值和反馈值之差随后输入PID控制器，重新算得的控制信号再次控制阀门开度，其特征在于在PID控制器设定值处施加反三角波激励信号，使得设定值线型下降至曝气过程限值后又线型回升至初始设定值，输出值DO浓度也随之改变，根据曝气过程溶解氧浓度的限值要求对反三角波的参数进行整定，利用整定的反三角波参数进行闭环辨识实验，得到最终辨识模型。


2.如权利要求1所述的反三角波作为激励信号对污水厂曝气过程闭环辨识的方法，其特征在于，所述三角波激励信号函数可定义为：



式中，参数a为反三角波斜坡宽度；参数k为反三角波斜坡坡度；
反三角波斜坡宽度a的参数整定原则：
参数a影响了激励值的变化幅度。其整定原则是参数a的限值不能超过...

【专利技术属性】
技术研发人员：王萍，杨帆，
申请(专利权)人：上海市政工程设计研究总院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31