UASB反应器处理石灰法草浆黑液过程辨识与参数估计杨玉杰

第12卷第2期1995年5月计算机与应用化学ComputersandApPlledChemistryV61.12No.2May1995uAsB反应器处理石灰法草浆黑液过程辨识与参数估计杨玉杰刘兴旺赵颖(河南师范大学化学系新乡453002)摘要UASB反应器处理石灰法草浆黑液过程中,出水基质浓度C。,沼气产生速率Q。和进水基质浓度以的关系。运用Box一Jeniksn方法和AIC准则,建立了eC,Q,序列对C序列的传递函数及噪声模型,传递函数较好地拟合了UASB反应器消化过程,且比噪声部分显得重要。运用建立的模型,对C,Q。序列进行预测,其平均预测误差分别为.467%和&oo%。关链词UASB反应器,模型辨识,参数估计升流厌氧污泥床反应器(UASB)自从被荷兰学者发明以后,其技术不断发展,已广泛应用于食品、发酵、医药、造纸工业等高浓度有机废水的处理,并建立了一些有益的模型!卜“I。在厌氧消化过程系统辨识和参数估计方面Adnerws建立了机理模型,但求解较为困难101。陈为宇研究了有机废水厌氧消化过程的辨识和参数估计vl],由于取样间隔等原因,预测误差较大。我们用UASB反应器处理石灰法草浆黑液,实验室容积负荷15一30kgCOD/m”·d,CODcr去除率75一85%,效果较为理想。本文利用UASB反应器运行时连续取得的数据,对UASB反应器进行系统辨识和参数估计,建立动态模型。该模型的优点是:(l)在运行时易于修改,使之更加完善;(2)可复杂,亦可简单;(3)加噪声分量修正;(4)传递函数模型适合建立前馈一反馈控制系统。1实验方法用UASB反应器中温消化处理石灰法草浆黑液,反应器容积30.5L,在流量3.00L/h的条件下,每隔1小时,测定进、出水基质浓度q,C。(以CODcr表示)及产气速率Q。,共测定130组数据,图1为C`序列。为提高辨识精度,把叹,eC,Q。序列进行对数转换,并令:矶(mg/L)1800016000140001200010000800060004000X,=19认一lgQ(1)长=19认一lgeC(2)1020304050607050如100110iZot(h)图1进水C、序列tZ=lgQ。一lgQ。(3)横线一表示均值这样对认,eC,Q。序列的辨识问题就转化为对序列X:,矶,及的辨识问题。本文于1994年3月1日收到稿件DOI:10.16866/j.com.app.chem1995.02.0062期杨玉杰等:UASB反应器处理石灰法草浆黑液过程辨识与参数估计Xt0.2单序列模型辨识本文根据Bxo一eJnkins方法计算X,序列自相关与偏相关函数。从图2和图3可以看出:序列的自相关及偏相关函数都具有拖尾的性质,故判定X`为ARMA(p,的序列s{]。标准误差}“,?l}弹”...一一一一l一一一U.1卜~_一____.___-.。__二_.~.__!__(/刁.3`一寸一一舒一节厂,忿一常下不片一读厂弓、一3--L一书一一一一决尸气份一长尸代片,01`iu`u`,`OJ`4艺1216ZU242吕dU图2Xt序列自相关函数图3Xt序列偏相关函数选择几个较小的p,q值,用矩法估计出参数初值,然后用Marquardt非线性最小二乘法对参数进行精估0[],表1列出了辨识结果。根据Alc信息最小准则,选定二2为最佳模型。表IX:模型辨识结果璧d1模型X亡二X亡二1一0名236B1一0.5573B3.608x10一23.273x10一2一438.541一0.9899B+0.1028B23258x10一2一437.121一0.6951B1一0.8756B了二万亏下厄诬西二万丽1厄万百卿1一0.7365B一0.1162B23.254x10一2一437.30,---吮,-,二吮气二尸一一气,一二二二二气二兀万Q亡3.252x10一2一435.362345--a--a于于注:表中*为最优模型。对模型a一2进行统计检验s[],由模型a一2计算出。:的样本值,样本自相关函数p:(。,a)Q、一n艺。矛(n,a)(4)其中k为自由度;n为序列个数。计算得到Q3。=咒.09,在自由度饥=k一p一q=28,水平a=0.05时,由XZ分布表查得X呈(28,0.05)=41.34。`显然:Q3。X足(28,0.05),故可以在水平。=.005下接受模型(--a2)。用以上单序列建模方法,建立经过检验后的姚,Z`单序列模型。表2矶与zt序列单序列模型辨识结果序号模型yt=yt=口t1了二一而亏丽百下一石万云i石云百。`5忍88x10一31.646x10一3一827.26冬`tZ5.493x10一33.661x10一3112月l卜卜--c护二二仪t=(i+0.6305刀+0.3116丑2)。t一723.32表中*为最优模型。计算机与应用化学12卷3传递函数模型以上讨论的X:,玖,tZ单序列模型只能用于预报,不能用于控制。为对UASB反应器进行动态描述和过程控制,需建立姚,zt序列对X:序列的传递函数模型。3.1姚,x:传递函数模型假定姚和x`满足以下关系式:田。+公iB+`2B2+…+公,B`,,I尤=-二-甲-花二`二-,,一二一二二;;一,一~一,一二一不万丁一人之_石+V进1十`1万十`2万`+…十`二万T-(5)其中山。+公iB+`2B2+…+公,BS1十CIB+仇BZ+…+奋Br为系统传递函数,b为滞后时间,从为系统残差。为辩识r,s,b值,首先应对输入序列凡进行“预白化”处理:1一0.5573Bl一0.8236BXt(6)同时对输出序列姚也进行“预自化”处理1一0.5573B1一0.8236B(7)o忍rh(忿)一0·1一-言一一玄一言一右一衣一壳图4然法110}精估心,脉冲响应函数h(t)。值,见表3,由AIC计算。:与风的样本互相关函数p艺(。,内及脉冲响应函数城t)。在t=1处,拭)t有一较强脉冲,故可判定b=1,另外h(t)为l~们,明显拖尾,又可判定:笋;0h(约在0t二3一时按负指数规律衰减,又判定`一艺。一卜28322。根据辩识出的:,,,b值采用极大似信息最小准则选定最佳模型:(1一0.72i8B)矶=(0.1577+0.1390刀、一o.o47BZ)x,一1+认式中从为系统残差。(8)用式(s)计算出从,然后用单序列建模方法得出:从=(1一0.1648B+o.9219B2)/(1一o.i613B+0.9513刀2)a`(9)将式(9)代入式(s)即可得到含有噪声项的传递函数模型:(1一0.7218B)姚=(0.1577+0.139oB+0.047oB2)X:1一0.1648B+O.9219B2_1十二-一一二二-=二二二一一二一=二二下=;1一U.IU13万十U.g匕13万`=。乙(10)由式(10)计算出。:的样本值及样本自相关函数,算出Q3。=26.02X呈(26,.005)二38.89,可以接受模型(10)。2期杨玉杰等:UASB反应器处理石灰法草浆黑液过程辨识与参数估计3.2出水基质浓度C。序列预测()l不考虑噪声项时的预测结果在式(10)中,令从=0,求出姚值,由式(2)计算C。值,结果如图所示。,名l`ce`g/L,2.61卜-一预测值一实验值4q白0…2q工Z86:11142:11102030405060708090100110120130图SC。预测结果eC预测平均误差4.86%。(2)考虑噪声项时的预测结果用式(10)计算矶一步预测值,eC预测平均误差4.67%。.33及一X,传递函数模型用同样的方法建立tZ一X,传递函数模型如下:(1一0.272oB)Z,=(0.2201+o.i974B+O.1171B2+o.0482B3)X,一1+(i一o.o266B)a,(11)Q。序列预测结果如下:(l)不考虑噪声项时,Q,预测平均误差8.00%。(2)考虑噪声项时,Q,预测平均误差8.23%。1211Q。(l/h)-一预测值一实验值5rl4-L,点,记尸,份气J又一六尸,长一胃只,二长气六:,只二,十甲烈沃,七于曰一t(h),102030405060708090100110120130一、一/图6Qg预测结果4结果与讨论(l)由于UASB反应器反应区非常接近于完全混合反应器,分离区为推流式反应器,纯滞后时间为1.2hlll}。矶一x`传递函数模型中,滞后时间lh,二者较为吻合。(2)及一X,传递函数模型中b=lh,这与实际情况不符。产生的沼气立即从废水中释放108计算机与应用化学12卷出来,应该没有滞后。(3)由于传递函数模型估计得好,噪声部分不太重要,这点从模型改进度尸可以看出。令尸一(var一。“)/var,var为序列方差,var=7.824x10一4,尹为拟合模型的残差。式(10)只考虑传递函数项,改进度lP一85.5%;考虑噪声项时,模型改进度几=86.6%,二者相差很小,噪声项作用不大。式(11)考虑噪声项与不考虑噪声项时,改进度分别为66.08%和66.06%,二者几乎相等,可以舍去噪声项。(4)传递函数模型较好地拟合了实际过程,对运行情况预测和控制具有指导意义。表3矶对X。传递函数模型参数估计表序号模型参数AIC02x104x一1二=1,,=1,b=1Ci=一0.7709,`o=0.1552,、i=0.1206一914.138滩36x一2,=2,s=1,b=2`i=一0.9166,心2=0.1981,、o=0.1552,、i=0.1206一915.1315.56x一3r=O,s=1,b=1国。=0.1552,国i=0.1206一715滩139石0x一4r=0,s=2,b=1国。=0.1539,`i=0.2396,留2=0.1552,公3=0几206一758召827.95x一5,=1,s=1,b二2`i=一07161,。o=0刀981,公i=0刀368一831乃215.91x一6r=0,s=0,b=1国。=0刀967书84滩250习1x一7r=0,s=0,b=2`o=0.1594一700.5244.98x一8*二=1,S=2,b=1心i=一0.7218,二o=0.1577,留i=0.1390,山2=0.0470一921.947.822x一gr=3,。=1,b=1Ci=一0名798,心2=0.1328,心3=一O刀244,二o=0.1512,、i=0.1057一913注08卫44x一10r=2,s=2,b=1心i=一0宁412,CZ=0刀187,。o=0.1564,公i=0.1338,。2=0.0432一920刀17.818x一11r=1,,=3,b=1〔i=一0.7252,沁。=0.1571,公i=0.1365,田2=0.0440,`3=一0.0215一919.867名27熟为最佳模型参考文献【1』VanderMeerRR.Bjo七ech.B万oeng.,1983,25:2531.【2』BuijsCandHeertjespM.B宜。亡e山.Bjoeng.,1982,24:1975.【31HeertjespMandKuijvenhvoenLJ.Bjo亡e山.Bjoeng.,1982,24:443.【4{陈坚.生物工程学报.1991,7(2):171·【5」杨玉杰.水处理技术.1991,17(4):251.!6』AndrewsJF.Advaneesjn助emist叮Ser.No.105.NewoYrk:【s.n」,1971【7』陈为宇·南京工学院学报,1986,1:n3·【s]安鸿志·时间序列分析与应用.北京:科学出版社,1983.【91杨立钦.时间序列分析与动态模型建模.北京:北京理工大学出版社.1988.【10]郑维敏.系统工程FOI七I,RAN程序集.北京:清华大学出版社,1988.【11」杨玉杰.水处理技术,1991,17(4):239.IDENTIFICATIONANDPARA入度ETERESTI入度ATIONOFANUASBREACTORINTREATINGLIMESTA凡VBLACKLIQUORYangYujie(D叩artnzen七of山emjs亡跳Li