1活性污泥法污水處理過程的仿真實現分析案例 111Modelica建模語言與OpenModelica仿真平臺 11.1.1Modelica語言 1 51.2活性污泥法污水處理過程的Modelica模型 8 91.2.2生化池組件 9 9124活性污泥處理過程開環(huán)模型 12活性污泥法污水處理過程仿真模型驗證 1.1Modelica建模語言與OpenModelica仿真平臺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標準化的建模語言[571。早在1987年，Elmqvist?8就已提出了面向對象建模的物理語言進行編譯，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。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[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2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，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 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表錯誤!文檔中沒有指定樣式的文字。-1關鍵字名稱作用類模型基本模型連接接口數據結構類型類型別名包此外，由類構成的組件則是Modelica語言另一個最獨特的地方。Modelica1)非因果建模Modelica語言的開發(fā)者致力于將Modelica打成為3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[65。表3-2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，即使用非因果建模因果建模已知I,R已知U,I已知U,R2)陳述式物理建模為例)的差別。4■了圖錯誤!文檔中沒有指定樣式的文字。-1Mod++士+士1113)連續(xù)離散混合建模特性；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)在件”的形式來反應這一變化。這種“事件”的形式是通過在Mod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。5一物體的溫度/K。仿真時間為1秒鐘，當運行至0.5秒時，環(huán)境溫度Tinf驟降。模型的仿真結果如圖3-3所示。可以看出，當在0.5秒時插入事件后，Modelica依然能夠反映物T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10?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)，其最后一個開供了MATLAB的接口，能夠按照SIMULINK的S函數導出模型，可與MATLAB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6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。的第三方拓展包，能夠滿足眾多行業(yè)的需求。MWork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(OpenSourceModelicaCons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OpenModelica軟件主要由首頁、建模、繪圖、調試等頁面組成。圖3-4為軟件中加載的模型庫；建模窗□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、和仿真過程中的運行情況；文檔瀏覽器主要是用于展圖3-5是OpenModelica軟件的仿真結果窗□,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7GG圖錯誤!文檔中沒有指定樣式的文字。-5OpenModelica的仿真結果界面如圖3-6所示，OpenModelica仿真平臺主要包括以下間相互連接，為OpenModelica的整體運行提供不同的功能。器器器圖錯誤!文檔中沒有指定樣式的文字。-6OpenModelica仿真環(huán)境的體系結構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，MDTEclipse插件編輯器：Eclipse插件MDT(Modelica開發(fā)工具)提供了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8OMNotebook/DrModelica模型編譯器：與MathModelica中提供的更高級的功能基本上仍然允許處理整個DrMod的層次文本文檔，包括基本格式。單元格可以包含普通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，并解圖形模型編輯器：用于通過連接Modelica類的計，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ModeliOpenModelica并不是直接進行仿真，而優(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。12活性污泥法污水處理過程的Modelica模型庫中包含了三種活性污泥模型ASM1、ASM2d和ASM3,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9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1.2.1基本反應組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ASM1basASM1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1.2.2生化池組件對其輸送氧氣，此處主要由參數氧傳遞系數Kza來決定，當Kza為0時，無曝氣設備供氣，即為厭氧池；當Kza不為0時，即存在曝氣設備對其供氣，即為好氧1)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2)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過程和還定義了由曝氣設備所引起的氧傳遞系數Kza,Kza代表因曝氣過程引起的氧傳1.2.3二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1.2.4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)模二沉池曝氣設備泵出水池出泥池分流管分流管(一分二)混合管(二合一)混合管(三合一)O?傳感器總凱氏氮傳感器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Ka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KLa相應的數值，其物理意義則是代表通過曝氣設備輸入一定量的氧氣至池中，同樣也賦予其相應的體積參數。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·I-1,在OpenModelica中無法正確識別，因而改成g·m?3。orefwasteNastePum.圖錯誤!文檔中沒有指定樣式的文字。-8活性污泥基準仿真模型開環(huán)模型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偷姆抡娉踔怠⒊鏊當祿皡⒖贾等绫?-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。表錯誤!文檔中沒有指定樣式的文字。-4穩(wěn)態(tài)仿真出水數據75]0000組分生化池1生化池2生化池3生化池4生化池5單位987654321生化池1生化池4表3-7(續(xù)