污水处理传统上可分为物理、化学、和生物三种处理方法，就复杂程度及应用研究现状来看，污水生物处理方法反应机理更复杂，应用最广泛，是目前世界上处理生活污水及有机工业废水的主要途径。自上世纪八十年代以来，污水生物处理领域已经取得了很大的发展。所谓的生物法是指人工模拟自然水体自净过程，通过给污水提供充足的氧气来缩短水体自净所需要的时间。供氧单元是生物法污水处理的核心，也是包括污泥处理在内两大经济消耗因素之一。论文以污水生物处理整体为对象，进行了一系列包括污水生物处理工艺、反应机理及污水处理系统建模、控制、优化的研究，着重研究了污水处理过程中溶解氧浓度DO的控制和系统的整体优化，参考国内外提出的关于溶解氧浓度控制的方法与策略，结合国内当前的污水处理状况，提出了基于空气流量的溶解氧DO非线性PID控制方法，相对于其他智能控制方法，更易于设计与实现，具有更大的工程意义。我国水资源短缺，水污染情况恶劣，但国内污水处理工作开展并不尽人意，污水处理率低，究其原因很大程度上是投资力度不够、资金短缺。这也说明污水处理成本高，针对这种情况，论文着重研究了污水处理中生物处理单元的整体优化，以溶解氧浓度DO和污泥排放量为控制对象，进行了生物污水处理的多变量最优控制的研究，通过仿真建立系统的响应面，分别采用梯形和单纯形不同搜索方式进行了寻优及对比，仿真结果表明，起点不同影响寻优结果，建议优化之前尽量建立系统响应面；另外通过仿真可以看出，寻优路径来看曲线路线更快一些。