基于ADM1模型的厭氧消化過程預測控制策略研究.pdf

1、沼氣是一種可再生的二次能源，可用來產(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，即流入有機物，其特性及流速是整個沼氣生產(chǎn)過程能否高效乃至平穩(wěn)運行的重要因素，關系到沼氣的生產(chǎn)速率以及排出廢液的特性是否達標。因此研究對沼氣罐進料底物的流入速率的控制方案對沼氣工程有著重要意義。
　　由于厭氧消化涉及多種厭氧菌，包含了生化反應以及物化反應，使得厭氧處理過程是一個具有多變量、有約束、強耦合、有擾動和非線性等特點復雜的生

2、物過程。
　　預測控制算法是有效處理這類復雜過程的先進控制算法，該算法已經(jīng)在許多復雜工業(yè)過程中取得了成功和成熟的應用。因此，本文將預測控制算法引入?yún)捬跸到y(tǒng)，在分析模型輸入輸出及狀態(tài)變量特性基礎上，建立了厭氧系統(tǒng)機理標準模型ADM1的簡化模型，研究并仿真實現(xiàn)了兩種不同的基于系統(tǒng)底物分析的預測控制策略。本文主要工作如下：
　　1）實現(xiàn)了厭氧消化過程系統(tǒng)機理模型的仿真平臺搭建、模型參數(shù)辨識以及模型簡化。通過分析系統(tǒng)特性，利用厭

3、氧消化機理模型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)且對模型的仿真結果有影響，研究了ADM1參數(shù)的可辨識性，分離出需要辨識的重要參數(shù)；為滿足預測控制算法對模型的需求，從不同的簡化目標，分別提出了基于狀態(tài)靈敏度模型簡化和基于主元分析簡化的方法。
　　2）厭氧消化過程預測控制策略研究。通過對實際項目工程條件分析，確定了控制優(yōu)化目標以及操作變量；考慮到溫度對厭氧過程的影響，設計了上

4、層的溫度運行決策器；本文采用了基于非線性狀態(tài)空間方程和非線性卡爾曼濾波反饋控制結構的預測控制算法，通過仿真及與開環(huán)控制的對比驗證了所選控制策略的有效性。
　　3）由于非線性預測控制的策略的優(yōu)化效率慢，對控制器的計算能力要求高，且處理參數(shù)時變擾動的能力有限，故為厭氧消化系統(tǒng)引入了基于擴張狀態(tài)觀測器的線性模型預測控制策略；設計了基于ARIMA模型的非線性和不確定狀態(tài)的擴張狀態(tài)觀測器，并以擴張狀態(tài)的線性系統(tǒng)模型為預測模型進行了線性模型預