基于ADM1模型的厭氧消化過(guò)程預(yù)測(cè)控制策略研究.pdf

1、沼氣是一種可再生的二次能源，可用來(lái)產(chǎn)熱產(chǎn)電，沼氣產(chǎn)量是沼氣工程中的重要考慮部分。作為發(fā)酵產(chǎn)生沼氣底物，即流入有機(jī)物，其特性及流速是整個(gè)沼氣生產(chǎn)過(guò)程能否高效乃至平穩(wěn)運(yùn)行的重要因素，關(guān)系到沼氣的生產(chǎn)速率以及排出廢液的特性是否達(dá)標(biāo)。因此研究對(duì)沼氣罐進(jìn)料底物的流入速率的控制方案對(duì)沼氣工程有著重要意義。
　　由于厭氧消化涉及多種厭氧菌，包含了生化反應(yīng)以及物化反應(yīng)，使得厭氧處理過(guò)程是一個(gè)具有多變量、有約束、強(qiáng)耦合、有擾動(dòng)和非線(xiàn)性等特點(diǎn)復(fù)雜的生

2、物過(guò)程。
　　預(yù)測(cè)控制算法是有效處理這類(lèi)復(fù)雜過(guò)程的先進(jìn)控制算法，該算法已經(jīng)在許多復(fù)雜工業(yè)過(guò)程中取得了成功和成熟的應(yīng)用。因此，本文將預(yù)測(cè)控制算法引入?yún)捬跸到y(tǒng)，在分析模型輸入輸出及狀態(tài)變量特性基礎(chǔ)上，建立了厭氧系統(tǒng)機(jī)理標(biāo)準(zhǔn)模型ADM1的簡(jiǎn)化模型，研究并仿真實(shí)現(xiàn)了兩種不同的基于系統(tǒng)底物分析的預(yù)測(cè)控制策略。本文主要工作如下：
　　1）實(shí)現(xiàn)了厭氧消化過(guò)程系統(tǒng)機(jī)理模型的仿真平臺(tái)搭建、模型參數(shù)辨識(shí)以及模型簡(jiǎn)化。通過(guò)分析系統(tǒng)特性，利用厭

3、氧消化機(jī)理模型ADM1，使用Matlab/Simulink工具搭建了模塊化的仿真環(huán)境；由于模型中存在大量參數(shù)且對(duì)模型的仿真結(jié)果有影響，研究了ADM1參數(shù)的可辨識(shí)性，分離出需要辨識(shí)的重要參數(shù)；為滿(mǎn)足預(yù)測(cè)控制算法對(duì)模型的需求，從不同的簡(jiǎn)化目標(biāo)，分別提出了基于狀態(tài)靈敏度模型簡(jiǎn)化和基于主元分析簡(jiǎn)化的方法。
　　2）厭氧消化過(guò)程預(yù)測(cè)控制策略研究。通過(guò)對(duì)實(shí)際項(xiàng)目工程條件分析，確定了控制優(yōu)化目標(biāo)以及操作變量；考慮到溫度對(duì)厭氧過(guò)程的影響，設(shè)計(jì)了上

4、層的溫度運(yùn)行決策器；本文采用了基于非線(xiàn)性狀態(tài)空間方程和非線(xiàn)性卡爾曼濾波反饋控制結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)控制算法，通過(guò)仿真及與開(kāi)環(huán)控制的對(duì)比驗(yàn)證了所選控制策略的有效性。
　　3）由于非線(xiàn)性預(yù)測(cè)控制的策略的優(yōu)化效率慢，對(duì)控制器的計(jì)算能力要求高，且處理參數(shù)時(shí)變擾動(dòng)的能力有限，故為厭氧消化系統(tǒng)引入了基于擴(kuò)張狀態(tài)觀(guān)測(cè)器的線(xiàn)性模型預(yù)測(cè)控制策略；設(shè)計(jì)了基于ARIMA模型的非線(xiàn)性和不確定狀態(tài)的擴(kuò)張狀態(tài)觀(guān)測(cè)器，并以擴(kuò)張狀態(tài)的線(xiàn)性系統(tǒng)模型為預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了線(xiàn)性模型預(yù)