基于ADM1模型的厌氧消化过程预测控制策略研究

发布时间：2024-04-06 18:17

　　沼气是一种可再生的二次能源,可用来产热产电,沼气产量是沼气工程中的重要考虑部分。作为发酵产生沼气底物,即流入有机物,其特性及流速是整个沼气生产过程能否高效乃至平稳运行的重要因素,关系到沼气的生产速率以及排出废液的特性是否达标。因此研究对沼气罐进料底物的流入速率的控制方案对沼气工程有着重要意义。由于厌氧消化涉及多种厌氧菌,包含了生化反应以及物化反应,使得厌氧处理过程是一个具有多变量、有约束、强耦合、有扰动和非线性等特点复杂的生物过程。预测控制算法是有效处理这类复杂过程的先进控制算法,该算法已经在许多复杂工业过程中取得了成功和成熟的应用。因此,本文将预测控制算法引入厌氧消化系统,在分析模型输入输出及状态变量特性基础上,建立了厌氧系统机理标准模型ADM1的简化模型,研究并仿真实现了两种不同的基于系统底物分析的预测控制策略。本文主要工作如下:1)实现了厌氧消化过程系统机理模型的仿真平台搭建、模型参数辨识以及模型简化。通过分析系统特性,利用厌氧消化机理模型ADM1,使用Matlab/Simulink工具搭建了模块化的仿真环境;由于模型中存在大量参数且对模型的仿真结果有影响,研究了ADM1参数的可...

【文章页数】：94 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 课题研究背景与意义
    1.2 厌氧过程控制的国内外研究现状
        1.2.1 厌氧发酵过程工艺
        1.2.2 厌氧发酵过程的机理建模
        1.2.3 厌氧发酵过程控制
    1.3 模型预测控制算法介绍
    1.4 本文的主要内容与章节安排
第二章 厌氧消化模型ADM1 的仿真平台实现及模型简化
    2.1 厌氧消化过程机理模型ADM1 的介绍
    2.2 基于Matlab/Simulink的仿真环境搭建
        2.2.1 ADM1 的常微分方程实现
        2.2.2 ADM1 的微分代数方程实现
        2.2.3 基于Matlab/Simulink的 ADM1 仿真平台实现
        2.2.4 仿真模型的验证
    2.3 ADM1 参数辨识
        2.3.1 模型过程参数的辨识
        2.3.2 流入有机物质的特性及参数分析
    2.4 基于状态灵敏度的模型简化方法
    2.5 基于主元分析PCA的模型简化方法
    2.6 本章小结
第三章 基于无损卡尔曼滤波的非线性预测控制方案
    3.1 控制系统方案设计
        3.1.1 厌氧控制问题描述
        3.1.2 上层温度运行决策器
        3.1.3 流入底物特性参数辨识
    3.2 无损卡尔曼滤波器(Unscented Kalman Filter--UKF)
        3.2.1 无损卡尔曼滤波器设计
        3.2.2 滤波器仿真结果
    3.3 混合输入底物厌氧消化过程的多目标多变量非线性预测控制
    3.4 仿真实验及结果分析
    3.5 本章小结
第四章 基于扩张状态观测器的线性预测控制方案
    4.1 控制系统方案设计
        4.1.1 控制框图
        4.1.2 厌氧消化过程稳态分析
    4.2 扩展状态观测器的设计
    4.3 带乙酸输入底物的厌氧消化过程预测控制
    4.4 仿真实验及结果分析
        4.4.1 仿真实验参数设置
        4.4.2 仿真结果及分析
    4.5 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 本文研究内容
    5.2 未来研究展望
参考文献
致谢
附录
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文专利



本文编号：3947001