环境工程仿真与控制

目录
第 1 章 仿真 第 2 章 过程控制 第 3 章 动态分析 第 4 章 人工智能
第1章 仿真
第 一 节 模型的建立 一、模型分类 二、简单系统建模 三、复杂系统建模
第 二 节 模型的分析 一、四阶龙格－库塔法 二、有限差分法
第 三 节 MatLab/SimuLink 应用
第 一 节 模型的建立
将等量污泥分别置于一系列试瓶中，密封后经不同时间间隔依次测定各瓶中的 溶解氧浓度，将反应时间对溶解氧浓度作图，可得如图所示曲线。
dSo dt
rm
So axKo So
式中：rmax ——污泥最大耗氧速率； KO ——溶解氧半饱和常数。
0~17h内溶解氧浓度线性下降， 17h 后非线性下降
例1.6 污泥生长qo
j,o
VjR ,n
式中：V —— 反应器体积；
dρj /dt ——组分j 在V内的浓度 ρ随时间 t 的变化率； qi、qo —— 分别是流入或流出 V的液体流量；
ρji、ρjo —— 分别是组分j在进水和出水中的浓度； Rjn —— 第n个反应中组分j 生成或消失时浓度变化的速率。
Vd d X tbqin X bin ,qou X b to,u V t rb Vd d S tnqin Sni,nqoS un to, u tVrn
rn
Sn
Sn Kn
Xb
rn
1 Yb
Sn
Sn Kn
Xb
式中： Xb ——微生物浓度； V ——反应器体积；
qin、 qout ——进、出水水量 ； Xb,in 、Xb,,out ——进、出水微生物浓度；
So,s ——曝气池饱和溶解氧浓度； KLa ——溶解氧传质系数； (KLa)CW ——纯水中溶解氧传质系数； (So,s)CW ——纯水中溶解氧饱和浓度； 、 ——比例常数；
Ka——与曝气装置有关； qa ——空气流量。
空气流量阶跃上升 出水溶解氧浓度非同步阶跃上升
例1.5 污泥耗氧速率模型（反应改变浓度）
rb ——微生物反应速率； Sn ——氨氮浓度； Sn,in、 Sn,out ——进、出水氨氮浓度； rn ——氨氮反应速率。
二个组分浓度 相互关联
例1.7
异养菌好氧生长与有机碳消耗模型 （三耦合反应）
Vd d X thqin X hi,nqou X tho, u tVrh Vd d S tSqinSsi,nqou Ssto , u tVrS
“环境工程仿真与控制电子教案 ”覆盖 《环境工程仿真与控制》（第二版） 的主要内容，即仿真、过程控制、动态分析及人工智能。
使用说明
本电子教案利用 MS PowerPoint 编制，计有 ppt 473张，在内容章节编 排上基本与原教材同步。为简化起见，将第五章的“复杂系统控制”的内容并 入第二章“过程控制”中。
环境工程仿真与控制
前言
“环境工程仿真与控制” 是环境工程专业一门新的课程。开设该课程的目 的，是贯彻我国关于信息化带动工业化的方针，将信息技术引入环境工程专业 教学。
该课程的教材《环境工程仿真与控制》为教育部“九五”规划教材，也是 面向21世纪教材，于2001年由高等教育出版社出版发行；《环境工程仿真与控 制》（第二版）为教育部“十五”国家级规划教材，于2005年由高等教育出版 社出版发行。
本电子教案设置“超链接”及“返回”点击，便于用户在不同章节的 ppt 图片间进行检索，同时利用字体色彩的变化及动画效果使教案生动、易懂。
本电子教案可供为环境工程专业本科生及研究生开设“环境工程仿真与控 制”课程的教师使用，也可供环境工程专业的本科生及研究生或从事环境工程 仿真与控制的专业技术人员作为学习“环境工程仿真与控制”教材的参考资料。
例1.4 曝气池溶解氧浓度模型 （传质改变浓度）
V d d S to q iS n o in , q oS u o o t, uV tK L a (S o s ,S o ) 式中：So,in、 So,out ——进、出水溶解氧浓
度；
KLa(KLa)CW So,s (So,s)CW
V d d S to q iS n o in , q oS u o o t, uV tK a q a(S o s ,S o )
一、模型分类 二、简单系统建模 三、复杂系统建模
一、 模型分类
• 按原理分：机理、统计、人工智能 • 按数学形式分：代数、微分、偏微分 •按模型参数分：集总、分布 •按变量间关系分：线性、非线性 •按时间特性分：连续、离散 •按时变特征分：稳态、非稳态
二、简单系统建模
• 建模方法——守恒定律（一进一出一反应 ） • 包含：质量、动量、COD、电荷、能量等
简单系统建模举例
例1.1 液槽水量模型 例1.2 带溢流堰液槽液位模型 例1.3 调节池水质模型 例1.4 曝气池溶解氧浓度模型 例1.5 污泥耗氧速率模型 例1.6 污泥生长及氮的消耗模型 例1.7 异养菌好氧生长与有机碳消耗模型
例1.1 液槽水量模型（无反应）
m in
m out
dM dt
min
mout
储水量不变时 （稳态）
dM 0 dt
式中：m in ——进水流量，kg/s； m out ——出水流量，kg/s； M ——储水量，kg。
min＝mout
进水流量阶跃上升 出水流量同步阶跃上升
例1.2 带溢流堰液槽液位模型 （仅考虑水量）
从溢流堰流出的水量计算公式为（Francis 堰）：
mou＝ t1.015nL1.5h
h＝ M H A
d d M t m inm ou tm in1 .01 n5 L M AH 1 .5
式中： ——流体密度； n ——溢流堰数量； L ——溢流堰长度； 1.5——指数，与溢流堰形状有关； h ——溢流堰上方液面高度； A ——液槽面积； H ——溢流堰高度。
进水流量阶跃上升 出水流量非同步上升
例1.3
调节池水质模型（考虑浓度稀释）
q in , Ss,in
q out , Ss,out
V，Ss
VdSs dt
qinSsi,nqouStso, ut
式中：Ss,in ——进水基质浓度； Ss,out ——出水基质浓度。
进水基质浓度阶跃下降 出水基质浓度非同步阶跃下跌