都市型下水処理設備における微生物反応過程の非線形数学モデルに基づく高信頼水質制御

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13555120
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 大森 浩充 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (90203942)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 伊藤 博 九州工業大学, 情報工学部, 助教授 (70274561) ; 日高 浩一 東京電機大学, 工学部, 助教授 (10321407) ; 長岩 明弘 (株)東芝, 電力・産業システム技術開発センター, 主務 ; 山中 理 (株)東芝, 電力・産業システム技術開発センター, 研究員
• Keywords: 下水高度処理プロセス / NP除去(窒素リン除去) / 下水処理プロセスモデル / パラメータ同定 / 低次元化モデル / モデルベース制御 / オンライン水質計測 / 消散性

Research Abstract

窒素除去を目的とした下水高度処理プロセスの一つである循環式硝化脱窒プロセスを主な対象として,最適性,ロバスト性,信頼性,柔軟性,実現性,分散性の要請に応えた実用可能なプロセス制御系の設計法について,最終的な提案とパイロットプラントによる実施実験を行い,解決すべき問題について検討した.提案した構成法は,プロセス全体の最適化を行う上位系と,単一の目的に対して単一の操作量を発生する下位系からなる二層構造の制御系構成である.
上位系については,(1)制約付き非線形最適化問題として重み値を定式化し,これを解くことにより実用性を備えた制御系を設計することに成功した.(2)適応極値問題として定式化することにより,オンラインで極値にホールドする制御系の構成法に成功した.
一方,下位系については,(1)アンモニア計や硝酸計などの水質センサの信頼性評価およびフィードバックコントローラ(PI制御)の構成法と調整法を提案し,パイロットプラントによる実証実験を行った.具体的には,オンラインセンサの信頼性について手分析の水質データと比較検討を行い,測定精度の問題点を指摘し,センサ設置位置の検討を行った.(2)ポジティブシステム問題の解法に消散性を導入することで成功し,循環式硝化脱窒プロセスの制御限界について理論的な解明を行った.(3)活性汚泥プロセスモデルのあるクラスに対する非線形オブザーバアルゴリズムの設計法を提案し,有効性の検証を行った.具体的には,対象とする活性汚泥プロセスモデルの非線形モデルが線形の座標変換を行うことで不可観測の状態に関して線形モデルへ変形ができることに着目し、変換後のモデルに対して線形理論を応用する手法を確立した.さらに,モデルのパラメータが未知の場合に必要となる適応オブザーバ設計に関連し、内部モデル原理による未知パラメータ推定則の理論研究を行った.(4)ASM2を特異摂動論的手法により低次元化し,源モデルとほとんど変わらない応答を示す低次元化モデルを開発した.

Research Products

• [Publications] Hiroshi Ito: "Dissipativity and fundamental properties of biological wastewater treatment plants"第3回計測自動制御学会制御部門大会,平成16年5月. 681-686 (2003)
• [Publications] Hiroshi Ito: "Dissipative control design for biological wastewater treatment plants based on detailed process models"第3回計測自動制御学会制御部門大会,平成16年5月. 687-692 (2003)
• [Publications] 日高浩一: "下水処理プロセスにおける観測アルゴリズムの設計方法について"平成15年電気学会産業応用部門大会講演論文集,平成15年8月. 第2分冊. II-3-II-4 (2003)
• [Publications] 山中 理: "窒素除去型下水高度処理プロセスのプラントワイド制御-コスト評価関数の導入と物質量収支式制約を持つ最適目標値設定計画法-"平成15年電気学会産業応用部門大会講演論文集,平成15年8月. 第2分冊. II-5-II-10 (2003)
• [Publications] 小原卓巳: "窒素除去型下水高度処理プロセスのプラントワイド制御PartII-ローカル制御のためのセンサー評価と硝化・脱窒制御の実験的検討-"平成15年電気学会産業応用部門大会講演論文集,平成15年8月. 第2分冊. II-11-II-16 (2003)
• [Publications] 中島裕一郎: "下水処理脱窒・脱リンプロセスのモデルベース制御の実現に向けた設計用低次モデル"平成15年電気学会産業応用部門大会講演論文集,平成15年8月. 第2分冊. II-17-II-20 (2003)
• [Publications] 佐藤 丈: "Selection of Key Parameters by Sensitivity Analysis and Parameter Identification of Wastewater Treatment System Based on Activated Sludge Models"平成15年電気学会産業応用部門大会講演論文集,平成15年8月. 第2分冊. II-21-II-25 (2003)
• [Publications] Jo Sato: "Sensitivity analysis and parameter identification of wastewater treatment system based on activated sludge models"Proc.of the 13th IFAC Symposium on System Identification, 27-29 August 2003, Rotterdam, The Netherlands. (CD-ROM). 1258-1263 (2003)
• [Publications] Hiroshi Ito: "Dissipative control with estimation for biological wastewater treatment plants based on entire nonlinear process models"第32回計測自動制御学会制御理論シンポジウム,平成16年11月. 291-298 (2003)
• [Publications] Hiroshi Ito: "A dissipative approach to control of biological wastewater treatment plants based on entire nonlinear process models"2004 American Control Conference, June 2004. (2004)