环境工程仿真与控制
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本电子教案可供为环境工程专业本科生及研究生开设“环境工程仿真与控 制”课程的教师使用，也可供环境工程专业的本科生及研究生或从事环境工程 仿真与控制的专业技术人员作为学习“环境工程仿真与控制”教材的参考资料。
目录
第 1 章 仿真 第 2 章 过程控制 第 3 章 动态分析 第 4 章 人工智能
第1章 仿真
环境工程仿真与控制电子教案
姚重华 研制
高等教育出版社 高等教育电子音像出版社
前言
“环境工程仿真与控制” 是环境工程专业一门新的课程。开设该课程的 目的，是贯彻我国关于信息化带动工业化的方针，将信息技术引入环境工程专 业教学。
该课程的教材《环境工程仿真与控制》为教育部“九五”规划教材，也是 面向21世纪教材，于2001年由高等教育出版社出版发行；《环境工程仿真与控 制》（第二版）为教育部“十五”国家级规划教材，于2005年由高等教育出版 社出版发行。
min＝mout
进水流量阶跃上升 出水流量同步阶跃上升
例1.2 带溢流堰液槽液位模型 （仅考虑水量）
从溢流堰流出的水量计算公式为（ 堰）：
mou＝ t1.015nL1.5h
h＝ M H A
Hale Waihona Puke Baidu
d d M t m inm ou tm in1 .01 n5 L M AH 1 .5
式中： ——流体密度； n ——溢流堰数量； L ——溢流堰长度；
Vd d X tbqin X bin ,qou X b to,u V t rb Vd d S tnqin Sni,nqoS un to, u tVrn
rn
Sn
Sn Kn
Xb
rn
1 Yb
Sn
Sn Kn
Xb
式中： ——微生物浓度； V ——反应器体积；
、 ——进、出水水量 ； 、 ——进、出水微生物浓度；
1.5——指数，与溢流堰形状有关； h ——溢流堰上方液面高度； A ——液槽面积； H ——溢流堰高度。
进水流量阶跃上升 出水流量非同步上升
例1.3
调节池水质模型（考虑浓度稀释）
q,
q,
V，
VdSs dt
qinSsi,nqouStso, ut
式中： ——进水基质浓度； ——出水基质浓度。
进水基质浓度阶跃下降 出水基质浓度非同步阶跃下跌
V d d S to q iS n o in , q oS u o o t, uV tK a q a(S o s ,S o )
() ——纯水中溶解氧饱和浓度； 、 ——比例常数； ——与曝气装置有关；
——空气流量。
空气流量阶跃上升 出水溶解氧浓度非同步阶跃上升
例1.5 污泥耗氧速率模型（反应改变浓度）
简单系统建模举例
例1.1 液槽水量模型 例1.2 带溢流堰液槽液位模
型 例1.3 调节池水质模型 例1.4 曝气池溶解氧浓度模
型 例1.5 污泥耗氧速率模型 例1.6 污泥生长及氮的消耗
模型
例1.1 液槽水量模型（无反应）
m
m
dM dt
min
mout
储水量不变时 （稳态）
dM 0 dt
式中：m ——进水流量，； m ——出水流量，； M ——储水量，。
第 一 节 模型的建立 一、模型分类 二、简单系统建模 三、复杂系统建模
第 二 节 模型的分析 一、四阶龙格－库塔
法 二、有限差分法
第 三 节 应用
第 一 节 模型的建立
一、模型分类 二、简单系统建模 三、复杂系统建模
一、 模型分类
• 按原理分：机理、统计、人工智能 • 按数学形式分：代数、微分、偏微分 •按模型参数分：集总、分布 •按变量间关系分：线性、非线性 •按时间特性分：连续、离散 •按时变特征分：稳态、非稳态
例1.4 曝气池溶解氧浓度模型 （传质改变浓度）
V d d S to q iS n o in , q oS u o o t, uV tK L a (S o s ,S o ) 式中：、 ——进、出水溶解氧浓度；
——曝气池饱和溶解氧浓度；
KLa(KLa)CW So,s (So,s)CW
——溶解氧传质系数； () ——纯水中溶解氧传质系数；
——微生物反应速率； ——氨氮浓度； 、 ——进、出水氨氮浓度； ——氨氮反应速率。
二个组分浓度 相互关联
例1.7
异养菌好氧生长与有机碳消耗模型 （三耦合反应）
Vd d X thqin X hi,nqou X tho, u tVrh Vd d S tSqinSsi,nqou Ssto , u tVrS
“环境工程仿真与控制电子教案 ”覆盖 《环境工程仿真与控制》（第二 版）的主要内容，即仿真、过程控制、动态分析及人工智能。
使用说明
本电子教案利用 编制，计有 473张，在内容章节编排上基本与原教材 同步。为简化起见，将第五章的“复杂系统控制”的内容并入第二章“过程控 制”中。
本电子教案设置“超链接”及“返回”点击，便于用户在不同章节的 图片 间进行检索，同时利用字体色彩的变化及动画效果使教案生动、易懂。
V d d S to q iS n o in ,q oS u o ot , u V tr o V K L a ( S o s ,S o )
式中： ——微生物浓度（）； V ——体积；
、 ——进、出水水量 ； 、 X ——进、出水微生物浓度（）；
——微生物反应速率； ——可溶基质浓度； 、 ——进、出水可溶基质浓度； ——可溶基质反应速率； ——溶解氧浓度； 、 ——进、出水溶解氧浓度；
二、简单系统建模
• 建模方法——守恒定律（一进一出一反应 ） • 包含：质量、动量、、电荷、能量等
Vdj dt
qi
j,iqo
j,o
VjR ,n
式中：V —— 反应器体积； dρj ——组分j 在V内的浓度 ρ随时间 t 的变化率； 、 —— 分别是流入或流出 V的液体流量；
ρ、ρ —— 分别是组分j在进水和出水中的浓度； —— 第n个反应中组分j 生成或消失时浓度变化的速率。
将等量污泥分别置于一系列试瓶中，密封后经不同时间间隔依次测定各瓶中的 溶解氧浓度，将反应时间对溶解氧浓度作图，可得如图所示曲线。
dSo dt
rm
So axKo So
式中： ——污泥最大耗氧速率； ——溶解氧半饱和常数。
0~17h内溶解氧浓度线性下降， 17h 后非线性下降
例1.6 污泥生长及氮的消耗模型（双耦合反应）
目录
第 1 章 仿真 第 2 章 过程控制 第 3 章 动态分析 第 4 章 人工智能
第1章 仿真
环境工程仿真与控制电子教案
姚重华 研制
高等教育出版社 高等教育电子音像出版社
前言
“环境工程仿真与控制” 是环境工程专业一门新的课程。开设该课程的 目的，是贯彻我国关于信息化带动工业化的方针，将信息技术引入环境工程专 业教学。
该课程的教材《环境工程仿真与控制》为教育部“九五”规划教材，也是 面向21世纪教材，于2001年由高等教育出版社出版发行；《环境工程仿真与控 制》（第二版）为教育部“十五”国家级规划教材，于2005年由高等教育出版 社出版发行。
min＝mout
进水流量阶跃上升 出水流量同步阶跃上升
例1.2 带溢流堰液槽液位模型 （仅考虑水量）
从溢流堰流出的水量计算公式为（ 堰）：
mou＝ t1.015nL1.5h
h＝ M H A
Hale Waihona Puke Baidu
d d M t m inm ou tm in1 .01 n5 L M AH 1 .5
式中： ——流体密度； n ——溢流堰数量； L ——溢流堰长度；
Vd d X tbqin X bin ,qou X b to,u V t rb Vd d S tnqin Sni,nqoS un to, u tVrn
rn
Sn
Sn Kn
Xb
rn
1 Yb
Sn
Sn Kn
Xb
式中： ——微生物浓度； V ——反应器体积；
、 ——进、出水水量 ； 、 ——进、出水微生物浓度；
1.5——指数，与溢流堰形状有关； h ——溢流堰上方液面高度； A ——液槽面积； H ——溢流堰高度。
进水流量阶跃上升 出水流量非同步上升
例1.3
调节池水质模型（考虑浓度稀释）
q,
q,
V，
VdSs dt
qinSsi,nqouStso, ut
式中： ——进水基质浓度； ——出水基质浓度。
进水基质浓度阶跃下降 出水基质浓度非同步阶跃下跌
V d d S to q iS n o in , q oS u o o t, uV tK a q a(S o s ,S o )
() ——纯水中溶解氧饱和浓度； 、 ——比例常数； ——与曝气装置有关；
——空气流量。
空气流量阶跃上升 出水溶解氧浓度非同步阶跃上升
例1.5 污泥耗氧速率模型（反应改变浓度）
简单系统建模举例
例1.1 液槽水量模型 例1.2 带溢流堰液槽液位模
型 例1.3 调节池水质模型 例1.4 曝气池溶解氧浓度模
型 例1.5 污泥耗氧速率模型 例1.6 污泥生长及氮的消耗
模型
例1.1 液槽水量模型（无反应）
m
m
dM dt
min
mout
储水量不变时 （稳态）
dM 0 dt
式中：m ——进水流量，； m ——出水流量，； M ——储水量，。
第 一 节 模型的建立 一、模型分类 二、简单系统建模 三、复杂系统建模
第 二 节 模型的分析 一、四阶龙格－库塔
法 二、有限差分法
第 三 节 应用
第 一 节 模型的建立
一、模型分类 二、简单系统建模 三、复杂系统建模
一、 模型分类
• 按原理分：机理、统计、人工智能 • 按数学形式分：代数、微分、偏微分 •按模型参数分：集总、分布 •按变量间关系分：线性、非线性 •按时间特性分：连续、离散 •按时变特征分：稳态、非稳态
例1.4 曝气池溶解氧浓度模型 （传质改变浓度）
V d d S to q iS n o in , q oS u o o t, uV tK L a (S o s ,S o ) 式中：、 ——进、出水溶解氧浓度；
——曝气池饱和溶解氧浓度；
KLa(KLa)CW So,s (So,s)CW
——溶解氧传质系数； () ——纯水中溶解氧传质系数；
——微生物反应速率； ——氨氮浓度； 、 ——进、出水氨氮浓度； ——氨氮反应速率。
二个组分浓度 相互关联
例1.7
异养菌好氧生长与有机碳消耗模型 （三耦合反应）
Vd d X thqin X hi,nqou X tho, u tVrh Vd d S tSqinSsi,nqou Ssto , u tVrS
“环境工程仿真与控制电子教案 ”覆盖 《环境工程仿真与控制》（第二 版）的主要内容，即仿真、过程控制、动态分析及人工智能。
使用说明
本电子教案利用 编制，计有 473张，在内容章节编排上基本与原教材 同步。为简化起见，将第五章的“复杂系统控制”的内容并入第二章“过程控 制”中。
本电子教案设置“超链接”及“返回”点击，便于用户在不同章节的 图片 间进行检索，同时利用字体色彩的变化及动画效果使教案生动、易懂。
V d d S to q iS n o in ,q oS u o ot , u V tr o V K L a ( S o s ,S o )
式中： ——微生物浓度（）； V ——体积；
、 ——进、出水水量 ； 、 X ——进、出水微生物浓度（）；
——微生物反应速率； ——可溶基质浓度； 、 ——进、出水可溶基质浓度； ——可溶基质反应速率； ——溶解氧浓度； 、 ——进、出水溶解氧浓度；
二、简单系统建模
• 建模方法——守恒定律（一进一出一反应 ） • 包含：质量、动量、、电荷、能量等
Vdj dt
qi
j,iqo
j,o
VjR ,n
式中：V —— 反应器体积； dρj ——组分j 在V内的浓度 ρ随时间 t 的变化率； 、 —— 分别是流入或流出 V的液体流量；
ρ、ρ —— 分别是组分j在进水和出水中的浓度； —— 第n个反应中组分j 生成或消失时浓度变化的速率。
将等量污泥分别置于一系列试瓶中，密封后经不同时间间隔依次测定各瓶中的 溶解氧浓度，将反应时间对溶解氧浓度作图，可得如图所示曲线。
dSo dt
rm
So axKo So
式中： ——污泥最大耗氧速率； ——溶解氧半饱和常数。
0~17h内溶解氧浓度线性下降， 17h 后非线性下降
例1.6 污泥生长及氮的消耗模型（双耦合反应）