PAGEPAGE38活性污泥法污水處理過程的仿真實現分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u6722活性污泥法污水處理過程的仿真實現分析案例 1280411.1Modelica建模語言與OpenModelica仿真平臺 1315071.1.1Modelica語言 1691.1.2OpenModelica仿真平臺 5234081.2活性污泥法污水處理過程的Modelica模型 8279281.2.1基本反應組件 9256851.2.2生化池組件 9309631.2.3二沉池組件 1039081.2.4活性污泥處理過程開環(huán)模型 10179851.3活性污泥法污水處理過程仿真模型驗證 11Modelica建模語言與OpenModelica仿真平臺Modelica語言Modelica語言是1997年由歐洲的學者和工業(yè)界的研究人員在歸納和總結多種建模語言的基礎上，為解決面向對象建模和方程語言的兼容性問題而提出的一種標準化的建模語言ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Fritzson</Author><Year>2010</Year><RecNum>161</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[57]</style></DisplayText><record><rec-number>161</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tepw2tsr39arwdesssvppaxhzsptaftvz0zr"timestamp="1620288252">161</key></foreign-keys><ref-typename="ConferenceProceedings">10</ref-type><contributors><authors><author>Fritzson,P.</author></authors></contributors><titles><title>TheModelicaObject-OrientedEquation-BasedLanguageandItsOpenModelicaEnvironmentwithMetaModeling,Interoperability,andParallelExecution</title><secondary-title>InternationalConference</secondary-title></titles><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[57]。早在1987年，ElmqvistADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Elmqvist</Author><Year>1989</Year><RecNum>162</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[58]</style></DisplayText><record><rec-number>162</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tepw2tsr39arwdesssvppaxhzsptaftvz0zr"timestamp="1620288284">162</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Elmqvist,H.</author><author>Mattsson,S.E.</author></authors></contributors><titles><title>Simulatorfordynamicalsystemsusinggraphicsandequationsformodeling</title><secondary-title>IEEEControlSystemsMagazine</secondary-title></titles><periodical><full-title>IEEEControlSystemsMagazine</full-title></periodical><pages>53-58</pages><volume>9</volume><number>1</number><dates><year>1989</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[58]就已提出了面向對象建模的建模語言，首先使用最基本的物理語言描述所要建立的模型，隨后通過計算機將物理語言進行編譯，成為對應的微分代數方程（Different-AlgebraicEquations，DAE），最后推送給計算機求解微分代數方程，進而實現了物理實體的模型化。此后數十年，由于計算機和微分代數求解方法的快速發(fā)展，通過這種途徑建模的計算機程序也得到了快速發(fā)展。在1987至1996年間，基于Elmqvist的建模思想，一大批面向對象的建模語言和仿真方法涌現出來，包括DymolaADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Petzold</Author><Year>1982</Year><RecNum>170</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[59]</style></DisplayText><record><rec-number>170</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tepw2tsr39arwdesssvppaxhzsptaftvz0zr"timestamp="1620474469">170</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Petzold,L.R.</author></authors></contributors><titles><title>AdescriptionofDASSL:ADifferential/AlgebraicSystemSolver"SAND82-8637</title><secondary-title>imacstransactionsonscientificcomputing</secondary-title></titles><periodical><full-title>imacstransactionsonscientificcomputing</full-title></periodical><dates><year>1982</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[59]、ObjectMathADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Viklund</Author><Year>1992</Year><RecNum>171</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[60]</style></DisplayText><record><rec-number>171</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tepw2tsr39arwdesssvppaxhzsptaftvz0zr"timestamp="1620474506">171</key></foreign-keys><ref-typename="ConferenceProceedings">10</ref-type><contributors><authors><author>Viklund,L.</author><author>Herber,J.</author><author>Fritzson,P.</author></authors></contributors><titles><title>TheImplementationofObjectMath-aHigh-LevelProgrammingEnvironmentforScientificComputing</title><secondary-title>InternationalConferenceonCompilerConstruction</secondary-title></titles><dates><year>1992</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[60]、gPROMSADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Eddy</Author><Year>2008</Year><RecNum>172</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[61]</style></DisplayText><record><rec-number>172</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tepw2tsr39arwdesssvppaxhzsptaftvz0zr"timestamp="1620474604">172</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Eddy,S.R.</author></authors></contributors><titles><title>AProbabilisticModelofLocalSequenceAlignmentThatSimplifiesStatisticalSignificanceEstimation</title><secondary-title>PLoSComputationalBiology</secondary-title></titles><periodical><full-title>PLoSComputationalBiology</full-title></periodical><pages>2046–2052</pages><volume>4</volume><number>5</number><dates><year>2008</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[61]和OmolaADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Mattsson</Author><Year>1992</Year><RecNum>173</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[62]</style></DisplayText><record><rec-number>173</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tepw2tsr39arwdesssvppaxhzsptaftvz0zr"timestamp="1620474640">173</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Mattsson,SvenErik</author><author>Andersson,Mats</author></authors></contributors><titles><title>Omola-AnObject-OrientedModelingLanguage</title><secondary-title>RecentAdvancesinComputer-AidedControlSystemsEngineering</secondary-title></titles><periodical><full-title>RecentAdvancesinComputer-AidedControlSystemsEngineering</full-title></periodical><dates><year>1992</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[62]等。雖然大部分建模語言仍流傳至今，但是每種建模語言或仿真方法都存在著相應的局限性，只有在自身適用范圍內的領域內才能發(fā)揮比較好的效果。隨著工業(yè)界的發(fā)展，各個領域的物理系統(tǒng)呈現出的復雜程度越來越強，變量之間的耦合性逐漸增強，單一領域的建模軟件已不能滿足用戶最基本的需求ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Fritzson</Author><Year>2011</Year><RecNum>176</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[63]</style></DisplayText><record><rec-number>176</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tepw2tsr39arwdesssvppaxhzsptaftvz0zr"timestamp="1620474926">176</key></foreign-keys><ref-typename="ConferenceProceedings">10</ref-type><contributors><authors><author>Fritzson,P.</author></authors></contributors><titles><title>Modelica—Acyber-physicalmodelinglanguageandtheOpenModelicaenvironment</title><secondary-title>Proceedingsofthe7thInternationalWirelessCommunicationsandMobileComputingConference,IWCMC2011,Istanbul,Turkey,4-8July,2011</secondary-title></titles><dates><year>2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[63]。工業(yè)界亟需一種面向多領域、適應性更強的建模語言。因而在1996年，學術界和工業(yè)界的相關研究人員就此類問題成立了研究組，著手進行針對基于面向對象的建模語言的標準化的研究和討論，意圖建立起一種能夠廣泛應用的標準化建模語言，ModelicaADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Fritzson</Author><Year>2004</Year><RecNum>178</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[64]</style></DisplayText><record><rec-number>178</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tepw2tsr39arwdesssvppaxhzsptaftvz0zr"timestamp="1620475040">178</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Fritzson,P.</author></authors></contributors><titles><title>PrinciplesofObject-OrientedModelingandSimulationwithModelica2.1</title></titles><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[64]語言由此誕生。由于Modelica語言是在C語言的基礎上開發(fā)而成的，其最大特點之一就是使用類作為其基本單元，因而使用Modelica搭建起來的模型具備重用性高、無須符號處理等優(yōu)點。為了使工業(yè)界的研究者更方便的使用Modelica語言進行建模仿真，Modelica的開發(fā)者針對Modelica語言開發(fā)出了相應的集成開發(fā)環(huán)境（IntegratedDevelopmentEnvironment,IDE），用戶除了直接使用基本語法以代碼的形式進行模型的搭建外，還可以通過托拉拽的方式更直觀的完成模型的搭建過程。前述已經提到過，類是Modelica語言的最大的特點之一，是Modelica組件的最基本單元，其由變量、方程、成員類等部分組成。變量即為模型中的某個物理量，是組成類的最基本單元；方程用來描述變量之間的數學關系，用來描述類的行為；成員類可以直接被定義，也能通過繼承來獲得。表3-1所示為Modelica中常見的類的關鍵字及其作用，除通用類關鍵字class外，其他關鍵字均為class的特殊形式，因而他們可以被通用類關鍵字替代，且不會改變其作用。表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s11Modelica中常見的類及其作用關鍵字名稱作用class類通用類model模型基本模型connector連接器連接接口record記錄數據結構type類型類型別名package包組織模型層次此外，由類構成的組件則是Modelica語言另一個最獨特的地方。Modelica通過給類添加相應的接口，使之具備數值輸入和輸出的功能，此時的類則轉變成了組件，這也是典型的Modelica仿真模型中最基本的組成部分。組件的接口稱為連接器，用于連接不同的組件，將不同組件中獲得的輸出值傳遞給下一個組件，作為輸入值輸入，進行下一部分的仿真。通過將同一領域中不同物理實體逐個抽象出成Modelica組件，即可得到特定領域的組件包，也被稱為組件庫，使用組件庫即可快速搭建特定領域的物理模型。除了面向對象建模以外，Modelica建模語言還具有如下特點：非因果建模Modelica語言的開發(fā)者致力于將Modelica打成為以方程為基礎的建模語言，這意味著Modelica的使用者可以直接基于方程的形式對物理過程進行建模。這與基于賦值語句的建模語言不同，基于方程的建模能夠很直觀的表述某個物理現象，不需要過分關注物理現象中存在的各個變量之間的因果關系。這也與研究者們在日常的研究中所關注的重點一致：即只需要關注物理過程中的變量存在哪些關系（方程），保證方程數與未知變量的個數一致時，求解器即可將未知變量求解出來。非因果建模的含義也于此體現出現：無需指出等號哪邊是輸入變量（已知變量），哪邊是輸出變量（求解變量），且不用考慮方程的計算順序、求解方向，極大的提升了建模過程的靈活性，也提高了Modelica模型的重用性ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>張二青</Author><Year>2015</Year><RecNum>179</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[65]</style></DisplayText><record><rec-number>179</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tepw2tsr39arwdesssvppaxhzsptaftvz0zr"timestamp="1620475080">179</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>張二青</author></authors></contributors><titles><title>基于Modelica語言的交通信息物理系統(tǒng)建模分析與仿真實現</title></titles><dates><year>2015</year></dates><publisher>北京工業(yè)大學</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[65]。表3-2所示為一個簡單的非因果建模和因果建模的語句的示例，對于非因果建模而言，無論是已知的物理量是什么，均可以用一個方程來表述模型；而對于因果建模而言，必須保持左側為未知量，右側為已知量，即使用賦值語句來完成模型搭建。表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s12因果建模與非因果建模非因果建模因果建模已知I，RU=R?IU=R?I已知U，IR=已知U，RI=陳述式物理建模前述已知，Modelica語言的使用者可以根據“拖、拉、拽”的方式建立物理系統(tǒng)的Modelica模型，這種建模方式實際上也反應出了Modelica的另一個特性，即陳述式的物理建模方式。在定義好相關組件以后，Modelica的使用者就能夠根據實際物理系統(tǒng)的拓撲結構去構建模型，模型中的組件對應著實際物理系統(tǒng)的物理元件或設備，模型中組件的連接則對應著實際物理系統(tǒng)中物理原件或設備的連接ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>趙建軍</Author><Year>2006</Year><RecNum>131</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[66,67]</style></DisplayText><record><rec-number>131</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tepw2tsr39arwdesssvppaxhzsptaftvz0zr"timestamp="1619578930">131</key></foreign-keys><ref-typename="ConferenceProceedings">10</ref-type><contributors><authors><author>趙建軍</author><author>陳立平</author><author>華中科技大學國家CAD支撐軟件工程技術研究中心,武漢</author></authors></contributors><titles><title>Modelica語言及其多領域統(tǒng)一建模與仿真機理</title><secondary-title>中國系統(tǒng)仿真學會全國會員代表大會暨全國學術年會</secondary-title></titles><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Alex</Author><Year>2015</Year><RecNum>105</RecNum><record><rec-number>105</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tepw2tsr39arwdesssvppaxhzsptaftvz0zr"timestamp="1619317773">105</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Alex,J.</author><author>BetEaU,J.F.</author><author>Copp,J.B.</author><author>Hellinga,C.</author><author>Jeppsson,U.</author><author>Marsililibelli,S.</author><author>Pons,M.N.</author><author>Spanjers,H.</author><author>Vanhooren,H.</author></authors></contributors><titles><title>Benchmarkforevaluatingcontrolstrategiesinwastewatertreatmentplants</title><secondary-title>IEEE</secondary-title></titles><periodical><full-title>IEEE</full-title></periodical><dates><year>2015</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[66,67]。圖3-1所示為使用Modelica搭建簡單電路的模型示意圖，采用這種方式構建的模型符合用戶的思維習慣，能夠保持實際系統(tǒng)的層次結構，對于構建復雜的物理系統(tǒng)而言具有很大的優(yōu)勢。而圖3-2則是由Simulink搭建的簡單電路的模型示意圖，可以直觀的看出陳述式物理建模（Modelica）和過程式建模（Simulink為例）的差別。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s11Modelica的簡單電路建模示例ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>孫鑫南</Author><Year>2019</Year><RecNum>222</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[68]</style></DisplayText><record><rec-number>222</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tepw2tsr39arwdesssvppaxhzsptaftvz0zr"timestamp="1620524131">222</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">孫鑫南</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">基于</style><styleface="normal"font="default"size="100%">Modelica</style><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">的蒸汽管網系統(tǒng)熱工水力動態(tài)特性分析</style></title></titles><dates><year>2019</year></dates><publisher><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">浙江大學</style></publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[68]圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s12Simulink的簡單電路建模示例ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>孫鑫南</Author><Year>2019</Year><RecNum>222</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[68]</style></DisplayText><record><rec-number>222</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tepw2tsr39arwdesssvppaxhzsptaftvz0zr"timestamp="1620524131">222</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">孫鑫南</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">基于</style><styleface="normal"font="default"size="100%">Modelica</style><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">的蒸汽管網系統(tǒng)熱工水力動態(tài)特性分析</style></title></titles><dates><year>2019</year></dates><publisher><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">浙江大學</style></publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[68]連續(xù)離散混合建模對于隨時間連續(xù)變化的物理系統(tǒng)，Modelica使用微分代數方程來描述其變化特性；而對于某一時刻的物理系統(tǒng)而言，其采用基本物理方程和規(guī)律（如質量守恒、能量守恒、動量守恒等）來描述當前時刻物理系統(tǒng)的行為。同時，當系統(tǒng)在某一時刻因外界條件改變時，Modelica也能準確模擬出系統(tǒng)后續(xù)的變化，以“事件”的形式來反應這一變化。這種“事件”的形式是通過在Modelica模型代碼中插入if語句或when語句來描述的，以默認系統(tǒng)變量time記錄著模型運行的時間，只需要將time變量賦值并作為if語句或when語句中的條件量，即可在某一時刻將事件插入到仿真過程中。下面以經典自然對流過程——牛頓冷卻過程為例，展示Modelica在插入事件時的仿真表現。其基本方程如公式（3-1）所示。m式中：m——物體質量/kg，取0.1；cp——定壓熱容/J?K?kg-1，取1.2；T——物體溫度對時間的導數；h——對流傳熱系數/W?m2?K-1，取0.7；A——傳熱面積/m2仿真時間為1秒鐘，當運行至0.5秒時，環(huán)境溫度Tinf圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s13加入擾動的牛頓冷卻過程溫度變化OpenModelica仿真平臺自Modelica語言誕生以來，經過20多年的發(fā)展，國內外基于Modelica的所開發(fā)仿真軟件較為成熟，目前市場上主流的Modelica仿真軟件包括：DymolaADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>梁俊翠</Author><Year>2019</Year><RecNum>256</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[69]</style></DisplayText><record><rec-number>256</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tepw2tsr39arwdesssvppaxhzsptaftvz0zr"timestamp="1621776374">256</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>梁俊翠</author><author>劉方</author></authors></contributors><titles><title>基于Dymola仿真平臺的CO2熱泵儲能系統(tǒng)優(yōu)化研究</title><secondary-title>上海電力學院學報</secondary-title></titles><periodical><full-title>上海電力學院學報</full-title></periodical><pages>57-62+67</pages><volume>35</volume><number>02</number><dates><year>2019</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[69]、JModelicaADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Qin</Author><Year>2019</Year><RecNum>257</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[70]</style></DisplayText><record><rec-number>257</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tepw2tsr39arwdesssvppaxhzsptaftvz0zr"timestamp="1621776448">257</key></foreign-keys><ref-typename="ConferenceProceedings">10</ref-type><contributors><authors><author>Qin,Y.</author><author>Korkali,M.</author><author>Top,P.</author><author>Min,L.</author></authors></contributors><titles><title>AJMLibraryforPowerGridDynamicSimulationwithWindTurbineControl</title><secondary-title>2019IEEEPower&EnergySocietyGeneralMeeting(PESGM)</secondary-title></titles><dates><year>2019</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[70]、SimulationXADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>韓雙蔓、倪向東、鮑明喜、趙新、李申、王光明</Author><Year>2020</Year><RecNum>258</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[71]</style></DisplayText><record><rec-number>258</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tepw2tsr39arwdesssvppaxhzsptaftvz0zr"timestamp="1621776733">258</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>韓雙蔓、倪向東、鮑明喜、趙新、李申、王光明</author></authors></contributors><titles><title>基于SimulationX的液壓功率分流無級變速箱建模與仿真</title><secondary-title>液壓與氣動</secondary-title></titles><periodical><full-title>液壓與氣動</full-title></periodical><pages>74-79</pages><volume>No.352</volume><number>12</number><dates><year>2020</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[71]、MapleSim、MWorksADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>王凱</Author><Year>2019</Year><RecNum>255</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[72]</style></DisplayText><record><rec-number>255</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tepw2tsr39arwdesssvppaxhzsptaftvz0zr"timestamp="1621776335">255</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>王凱</author></authors></contributors><titles><title>最優(yōu)控制的直接打靶法實現與改進研究</title></titles><dates><year>2019</year></dates><publisher>華中科技大學</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[72]、OpenModelicaADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Akesson</Author><Year>2010</Year><RecNum>122</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[73]</style></DisplayText><record><rec-number>122</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tepw2tsr39arwdesssvppaxhzsptaftvz0zr"timestamp="1619340228">122</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Akesson,J.</author><author>Arzen,K.E.</author><author>Gaefvert,M.</author><author>Bergdahl,T.</author><author>Tummescheit,H.</author></authors></contributors><titles><title>ModelingandoptimizationwithOptimicaandJM—Languagesandtoolsforsolvinglarge-scaledynamicoptimizationproblems</title><secondary-title>Computers&ChemicalEngineering</secondary-title></titles><periodical><full-title>Computers&ChemicalEngineering</full-title></periodical><pages>1737-1749</pages><volume>34</volume><number>11</number><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[73]等。Dymola是由DassaultSystems所開發(fā)的商業(yè)軟件，是當前市場上對Modelica語言支持最好的一款軟件，支持超過105數量級的表達式的復雜模型的仿真，此外Dymola也為其他軟件提供豐富的接口，其中包括MATLAB軟件的專用接口，能夠將Modelica模型直接轉換為SIMULINK模型進行仿真；JModelica是由瑞典隆德大學開發(fā)的Modelica仿真平臺，主要用于對復雜動力學系統(tǒng)的優(yōu)化、仿真和分析，與其他仿真平臺不同，JModelica仿真平臺的最大優(yōu)勢在于能夠與當前主流程序語言（例如Python和C語言）聯(lián)合仿真，通過在其他語言平臺調用腳本語言，再通過腳本語言與Modelica進行交互，因此利用JModelica可以輕松調用豐富的優(yōu)化算法對模型進行優(yōu)化控制，目前JModelica已處于閉源狀態(tài)，其最后一個開源版本仍支持開放下載；SimulationX是由ITIGmbH公司開發(fā)的一款商用圖形化建模工具，支持從一維到三維的復雜多領域系統(tǒng)的仿真與分析，SimulationX提供了MATLAB的接口，能夠按照SIMULINK的S函數導出模型，可與MATLAB進行聯(lián)合仿真；MapleSim是由Maplesoft開發(fā)的圖形化建模工具，通過圖形模塊的方式搭建復雜物理系統(tǒng)的模型，自動生成并簡化模型方程，得到較為簡潔的模型，但其最大缺點就是僅支持Modelica標準庫，無法訪問第三方Modelica模型庫ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>H?ebí?ek</Author><Year>2008</Year><RecNum>182</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[74]</style></DisplayText><record><rec-number>182</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tepw2tsr39arwdesssvppaxhzsptaftvz0zr"timestamp="1620480773">182</key></foreign-keys><ref-typename="ConferenceProceedings">10</ref-type><contributors><authors><author>JH?ebí?ek</author><author>?ezá?,Martin</author></authors></contributors><titles><title>ModellingWithMapleAndMapleSim</title><secondary-title>ConferenceonModelling&Simulation</secondary-title></titles><dates><year>2008</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[74]。相比于國外的Modelica仿真軟件，國內基于Modelica所開發(fā)的軟件較少，最突出的是由蘇州同源軟件公司聯(lián)合華中科技大學所開發(fā)的MWorks仿真平臺。MWorks是基于Modelica的多領域物理系統(tǒng)可視化建模仿真平臺，擁有比較成熟的第三方拓展包，能夠滿足眾多行業(yè)的需求。MWorks的最大特色之一在于其提供了三維動畫處理器，能夠對直觀的展現出系統(tǒng)的運行過程。此外MWorks還支持C++、Python編寫腳本進行聯(lián)合仿真。但是并不支持Python等語言的外部調用，只能在MWorks內部進行聯(lián)合仿真。以上是基于Modelica的主流商業(yè)軟件，在開源軟件方面，OpenModelica作為一款完全開源的圖形化建模仿真平臺，由開源Modelica聯(lián)盟(OpenSourceModelicaConsortium,OSMC)所支持，其最大優(yōu)點在于其對Modelica語言是兼容性極強，支持所有的Modelica語法，其內核緊跟著Modelica版本不斷升級，幾乎占據了當前所有Modelica的開源市場?；诖?，本文選擇OpenModelica作為仿真平臺，開展面向活性污泥法污水處理過程的建模研究。OpenModelica軟件主要由首頁、建模、繪圖、調試等頁面組成。圖3-4為OpenModelica軟件的建模工作界面。主要由庫瀏覽器（圖中A區(qū)）、建模窗口（B區(qū)）、消息瀏覽器（C區(qū)）和文檔瀏覽器（D區(qū)）組成。庫瀏覽器中顯示OpenModelica軟件中加載的模型庫；建模窗口主要用于搭建模型，包括圖標視圖、組件視圖、文本視圖和文檔視圖；消息瀏覽器主要顯示OpenModelica在加載模型庫、建模和仿真過程中的運行情況；文檔瀏覽器主要是用于展示模型的解釋說明內容。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s14OpenModelica的建模界面圖3-5是OpenModelica軟件的仿真結果窗口，主要由圖表顯示區(qū)域(E區(qū))、模型參數區(qū)域（G區(qū)）和消息瀏覽區(qū)（F區(qū)）組成。通過選取模型參數區(qū)中的變量，可以在圖表顯示區(qū)域中顯示變量的變化圖。同樣地，在消息瀏覽器中可以察看仿真過程出現的報錯信息和報警信息。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s15OpenModelica的仿真結果界面如圖3-6所示，OpenModelica仿真平臺主要包括以下幾個子系統(tǒng)，各系統(tǒng)之間相互連接，為OpenModelica的整體運行提供不同的功能。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s16OpenModelica仿真環(huán)境的體系結構圖中各部分之間使用箭頭表示數據和控制流。各部分的主要功能如下：交互式會話處理程序：用于解析和解釋命令和Modelica表達式，以進行求值、模擬、繪圖等，包含簡單的歷史記錄工具，以及命令中文件名和某些標識符的完成。Modelica編譯器：使用預定義的、用戶定義的或從庫中獲取的包含類、函數和變量定義的符號表將Modelica轉換為C代碼。編譯器包括Modelica解釋器，用于交互使用和常量表達式求值。執(zhí)行器：執(zhí)行已編譯的二進制代碼以及與數值解算器相連的基于方程的模型的模擬代碼。MDTEclipse插件編輯器：Eclipse插件MDT（Modelica開發(fā)工具）提供了文件和類層次結構瀏覽和文本編輯功能，與Emacs編輯器/瀏覽器相當類似。還包括一些語法突出顯示工具。Eclipse框架的優(yōu)點是更容易添加將來的擴展，比如重構和交叉引用支持。OMOptim優(yōu)化子系統(tǒng)：使用配置方法的動態(tài)優(yōu)化作用于Modelica模型，拓展帶有目標函數和附加約束的優(yōu)化規(guī)范。OMNotebook/DrModelica模型編譯器：與MathModelica中提供的更高級的Mathematica筆記本相比，該子系統(tǒng)提供了一個輕量級筆記本編輯器。這個基本功能基本上仍然允許處理整個DrModelica教程?？梢员硎竞途庉嫀в姓鹿?jié)和節(jié)的層次文本文檔，包括基本格式。單元格可以包含普通文本或Modelica模型和表達式，這些模型和表達式可以進行計算和模擬。Modelica調試器：Modelica模型調試器顯示模型公式源代碼中錯誤的位置。它跟蹤編譯器在從表達式到底層生成的C代碼的過程中所做的符號轉換，并解釋已經完成的轉換。圖形模型編輯器：用于通過連接Modelica類的實例進行基于組件的模型設計，并瀏覽Modelica模型庫以讀取和拾取組件模型。圖形模型編輯器還包括一個用于編輯模型類定義的文本編輯器和一個用于交互式Modelica命令評估的窗口。圖3-7所示為OpenModelica軟件的仿真流程。用戶編輯完Modelica源碼后，OpenModelica并不是直接進行仿真，而是先生成Modelica模型，再將Modelica模型翻譯成扁平化模型，而后分析器將其中的方程進行排序并生成相應的矩陣，優(yōu)化器將生成的矩陣進行優(yōu)化，經過代碼生成器生成C語言代碼推送到C語言編譯器，最后執(zhí)行C語言程序，完成仿真過程。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s17OpenModelica仿真過程活性污泥法污水處理過程的Modelica模型GeraldReichl根據污水處理廠（WasteWaterTreatmentPlant,WWTP）的物理規(guī)律和數學規(guī)律，開發(fā)了Modelica的污水處理過程庫WasteWater。WasteWater庫中包含了三種活性污泥模型ASM1、ASM2d和ASM3，每種ASM模型中還包含了對應的五種二沉池模型和基本組件。Icons包含了字庫ASM1、ASM2d及ASM3中各組件的圖形布局的定義，用于圖形化建模和組件圖標顯示。Misc則提供了復雜廢水處理廠示例中的控制器。WasteWaterUnits中定義了污水處理過程中使用的基本物理量及其單位。在每個ASM系列的模型中，還包含了各自的接口模型包Interfaces，Interfaces中包含了污水處理模型的連接器、ASM1化學計量參數和ASM1基本反應組件?；痉磻M件活性污泥基準組件ASM1base是活性污泥模型的基類，定義了活性污泥1號模型ASM1基本反應過程，是生化反應過程的基礎。組件ASM1base中定義了ASM1過程的13個組分，14個動力學參數以及8個子反應過程。其中組分直接按照變量類型Real定義，為基本的變量類型；動力學參數則按照類型Parameter給定，可根據具體的生化反應過程賦予數值；而8個子反應過程則與ASM1反應機理相關，由式(2-1)~(2~8)確定；由8個子反應過程帶來的各組分變化率可以通過式(2-9)~(2-21)確定。各組分的實際變化速率除了與生化反應的速率有關外，還與由上一組件傳入的各組分的量相關以及流出組件的各組分的量相關。因此ASM1base只能表述基本的反應類型，各組分具體的變化值需要在通過具體組件來進一步定義。ASM1base部分代碼見附錄。生化池組件生化池部分主要有厭氧池和好氧池所組成，主要區(qū)別在于是否存在曝氣設備對其輸送氧氣，此處主要由參數氧傳遞系數KLa來決定，當KLa為0時，無曝氣設備供氣，即為厭氧池；當KLa不為0時，即存在曝氣設備對其供氣，即為好氧池。厭氧池和好氧池部分代碼見附錄。厭氧池組件厭氧池組件模擬了在污水處理廠的非曝氣（反硝化）池中發(fā)生的ASM1過程和反應。其ASM1反應表達式通過繼承基本反應組件ASM1base所獲得，此外定義了厭氧池的體積等參數。好氧池組件好氧池組件模擬了在污水處理廠的曝氣（硝化）池中發(fā)生的ASM1過程和反應，各組分的生化反應過程也是由繼承ASM1base的方式獲得，但與厭氧池不同的是，好氧池中除了定義了輸入反應池體積、各組分因輸入導致的變化率外，還定義了由曝氣設備所引起的氧傳遞系數KLa，KLa代表因曝氣過程引起的氧傳遞系數的變化。此外還定義了由曝氣設備通過公式即可算出曝氣量的大小，進而計算出曝氣設備的能耗值。曝氣量的大小影響著硝化反應的進行，進而影響溶解氧濃度的變化。二沉池組件二沉池組件主要是基于Takacs的理論二次沉降池進行建模，該模型中由于不進行生化反應，因而只需考慮物理變化即可。由第二章可知，二沉池總共分為10層，生化池的出水通過第六層（即注水層）進入二沉池組件，隨后液體依次通過七至九層進入頂層，隨后排入江河，污泥一次通過五至二層進入底層，一部分進入外循環(huán)返回1號反應單元，另一部分進入污泥處理系統(tǒng)。二沉池部分代碼見附錄。模型通過定義bottom_layer、lower_layer、feed_layer、upper_layer、top_layer依次抽象二沉池的底層、二至五層、六層、七至九層和頂層。對于每一層又定義了上層與下層的連接器來分別對進入上下層流動的污水進行模擬。此外還有關于固體組分的比例、沉降速率函數等，至此即可模擬二層池污水的固液分離過程。活性污泥處理過程開環(huán)模型表3-3為模型搭建主要使用的組件名稱與實際實驗設備對應表，通過搭建活性污泥處理過程的各部分組件，即可進一步搭建出活性污泥處理過程開環(huán)模型。表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s13ASM1包中各組件與實際組件對應表ASM1中Modelica組件ASM1過程實際設備deni厭氧池nitri好氧池SecClarModTakacs二沉池blower曝氣設備Pump泵EffluentSink出水池SludgeSink出泥池ControlledDivider2分流管divider2分流管（一分二）mixer2混合管（二合一）mixer3混合管（三合一）sensor_CODCOD傳感器sensor_NHNH傳感器sensor_NONO傳感器sensor_OOsensor_Q流量傳感器sensor_TKN總凱氏氮傳感器sensor_TSS總固體懸浮量傳感器基于WasteWater包在OpenModelica上搭建的活性污泥基準仿真模型開環(huán)模型如圖3-8所示。圖中生化池部分（即tank1~5）模型是繼承組件ASM1base后二次開發(fā)而成，能夠保證生化反應的一致性，其主要區(qū)別在于缺氧池（即tank1~2）的氧氣傳遞系數KLa取值為零，其物理意義是代表沒有氧氣傳入組件，此外還賦予相應的體積參數；好氧池（即tank3~5）賦予其氧氣傳遞系數在搭建BSM1模型時，由于原WasteWater包是基于Dymola進行開發(fā)的，其所有的時間都是以天（d）為單位，而OpenModelica其仿真的基準單位為s，因而在模型構建的過程中，將對原有的包進行二次開發(fā)，即將包括物理量的單位和模型中的相關參數均調整為以秒為單位。此外，對于質量濃度變量，原WasteWater包中的單位為mg?l-1，在OpenModelica中無法正確識別，因而改成圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s18活性污泥基準仿真模型開環(huán)模型活性污泥法污水處理過程仿真模型驗證由于實際因素的限制，本文未能收集到污水處理廠實際運行數據，故此處使用歐盟科學技術與合作組織官方網站提供的100天測試數據用作污水處理仿真平臺的入水數據，進行校準實驗。在無任何控制操作的情況下，運行仿真平臺，當平臺出口水質流量穩(wěn)定時，記錄此時的出水數據，不斷調整Modelica模型的程序參數，直到穩(wěn)定狀態(tài)下模型中二沉池出水數據與網站提供的參考出水數據結果一致為止，即可說明所搭建的模型具備一定的可靠性?；钚晕勰嗷鶞史抡婺Ｐ偷姆抡娉踔?、出水數據及參考值如表3-4所示，生化池及二沉池仿真出水數據及參考值見表3-5、3-6、3-7、3-8所示。表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s14穩(wěn)態(tài)仿真出水數據ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>王俊祿</Author><Year>2018</Year><RecNum>87</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[75]</style></DisplayText><record><rec-number>87</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tepw2tsr39arwdesssvppaxhzsptaftvz0zr"timestamp="1619140342">87</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>王俊祿</author></authors><tertiary-authors><author>杜先君,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>活性污泥過程關鍵性問題及控制策略研究</title></titles><keywords><keyword>污水處理</keyword><keyword>活性污泥過程</keyword><keyword>參數估計</keyword><keyword>溶解氧控制</keyword><keyword>BOD_5軟測量</keyword><keyword>布谷鳥搜索算法</keyword><keyword>極限學習機</keyword></keywords><dates><year>2018</year></dates><publisher>蘭州理工大學</publisher><work-type>碩士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[75]組分單位初始值仿真值參考值Sg?30.00030.00030.000Sg?69.5000.889490.88900Xg?51.2004.39184.3900Xg?202.320.188440.18800Xg?28.1709.78159.7800Xg?00.572510.57300Xg?01.72831.7300Sg?00.490950.49100Sg?010.41510.400Sg?31.5601.73331.7300Sg?6.95000.688450.66800Xg?10.5900.0134800.013500Smol?7.00004.12564.1300表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s15生化池穩(wěn)態(tài)仿真結果組分生化池1生化池2生化池3生化池4生化池5單位S30.00030.00030.00030.00030.000g?S2.80821.45881.14950.995330.889493g?X1149.11149.11149.11149.11149.1g?X82.13576.38664.85555.69449.306g?X2551.82553.42557.12559.22559.3g?X148.39148.31148.94149.53149.80g?X448.85449.52450.42451.31452.21g?S0.00429856.31328e1.71842.42890.49095g?S5.36993.66196.54109.298910.415g?S7.91788.34435.54792.96741.7333g?S1.21690.882280.829090.766970.68845g?X5.28495.02914.39243.87903.5272g?S4.92775.08024.67484.29354.1256mol?Q1.06751.06751.06751.06751.0675m?表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s16二沉池穩(wěn)態(tài)仿真結果層數SSSSSSSXg?g?g?g?g?g?mol?g?1030.0000.889490.4909510.4151.73330.688504.125612.495930.0000.889490.4909510.4151.73330.688504.125618.113830.0000.889490.4909510.4151.73330.688504.125629.505730.0000.889490.4909510.4151.73330