城市污水处理是降低环境污染、提高水资源循环利用效率、促进社会和谐发展的重要途径,已成为我国水资源综合利用的重要环节。城市污水处理主要利用活性污泥法促进微生物群体吸附、分解和氧化污水中的可降解有机污染物,实现污水净化。然而,随着我国城市污水处理规模的不断增加以及处理工艺的日渐复杂,城市污水处理厂的运行面临着极大的挑战,运行成本居高不下和出水水质超标严重的问题尤其严重。因此,如何设计城市污水处理优化运行策略,保证出水水质达标排放和降低运行成本是亟待解决的问题。城市污水处理过程入水水质、水量、运行环境等被动接受,同时包含多种相互影响的反应单元和多个相互耦合的运行指标,具有动态、非线性和强耦合等特点,其高效运行离不开有效的优化控制策略。优化控制策略主要通过设计合理的优化策略和控制策略,实现运行指标最优化。然而,城市污水处理过程实施优化控制面临巨大挑战:城市污水处理过程出水水质和操作能耗等综合运行指标机理复杂,难以通过机理模型准确地描述其动态特性;综合运行指标会随着反应过程、操作时间等动态变化,难以平衡综合运行指标间的关系。为了解决上述问题,本文在深入分析城市污水处理运行机理的基础上,构建基于自适应核函数的综合运行指标模型、设计多冲突运行目标动态优化方法、研究城市污水处理过程智能优化控制方法和多指标协同优化控制方法。论文主要创新工作和创新点如下:(1)城市污水处理过程综合运行指标模型设计针对城市污水处理过程运行机理复杂,出水水质和操作能耗等综合运行指标动态特性难以准确获取的问题,论文设计了一种基于自适应核函数的综合运行指标模型。首先,基于城市污水处理过程运行机理分析和主元分析法挖掘出水水质和操作能耗的关键特征变量,并将其作为综合运行指标模型的输入变量;其次,设计基于自适应核函数的综合运行指标模型,描述出水水质和操作能耗与输入变量间的非线性关系;最后,分析综合运行指标模型的收敛性,保证其适用性;实际应用结果表明所提出的综合运行指标模型具有较高的模型精度,实现对城市污水处理过程出水水质和操作能耗动态特性的准确描述。(2)多冲突运行目标动态优化算法研究围绕多冲突运行目标难以动态平衡的问题,论文研究了一种自学习动态多目标粒子群优化算法。首先,设计一组基于切比雪夫距离的性能指标,获取进化过程中非支配解的状态,完成种群进化状态的检测;其次,基于性能指标研究基于自学习的种群规模调整机制和外部档案库更新机制,实现进化过程中种群规模和档案库中非支配解的自适应更新,保证粒子性能与进化状态的匹配;最后,分析种群规模固定阶段和自适应调整阶段优化解的可行性,保证自学习动态多目标粒子群优化算法的有效性。基准测试函数和实际应用的实验结果表明,所提出的自学习动态多目标粒子群优化算法能够获取可行的优化解,实现多冲突目标的有效平衡。(3)城市污水处理过程智能优化控制设计针对城市污水处理过程出水水质不达标且操作能耗较高的问题,论文提出了一种城市污水处理过程智能优化控制策略。首先,分析城市污水处理过程运行特点,构建优化目标函数,完成对运行过程动态特性的准确描述;其次,设计一种动态多目标粒子群优化算法,完成优化目标函数的实时优化,获取控制变量溶解氧和硝态氮优化设定值;最后,设计一种自适应模糊神经网络控制器,实现溶解氧和硝态氮优化设定值的实时跟踪控制。将设计的城市污水处理过程智能优化控制策略应用于基准仿真平台,结果显示所提出的智能优化控制策略能够改善运行效果,实现出水水质和操作能耗的平衡。(4)城市污水处理过程多指标协同优化控制研究围绕城市污水处理过程多时间尺度运行指标难以协同优化的问题,论文提出了一种城市污水处理过程分层优化控制策略。首先,分析城市污水处理过程多时间尺度运行指标特点,基于不同的操作时间尺度建立分层的优化目标函数,实现不同时间尺度运行指标动态特性的准确获取;其次,设计一种基于动态多目标粒子群的协同优化算法,对分层优化目标函数进行优化,获取不同控制变量的优化设定值;然后,研究一种模型预测控制策略,实现不同控制变量优化设定值的快速跟踪控制;最后,分析城市污水处理过程分层优化控制策略的稳定性和收敛性,保证分层优化控制策略的有效性。城市污水处理过程分层优化控制策略的应用效果表明,所提出的分层优化控制策略能够提高污水处理运行效率,实现多运行指标间的协同运行。(5)城市污水处理过程多目标优化控制系统开发为了验证城市污水处理过程多目标优化控制策略的有效性和适用性,论文开发了一套城市污水处理过程多目标优化控制系统。首先,研制城市污水处理过程多目标优化控制系统不同功能模块,包括数据采集与处理模块、运行指标构建模块、动态优化模块、优化控制模块等;其次,设计城市污水处理过程多目标优化控制系统组态软件,利用组态系统实时监测系统运行状态;最后,将城市污水处理过程多目标优化控制系统应用于小试平台,验证多目标优化控制测试系统的有效性。结果表明,所设计的城市污水处理过程多目标优化控制系统能够明显改善其运行性能,实现优化运行。