污水處理中智能控制的應(yīng)用研究

1、分類號(hào)： 密級(jí)：U D C： 編號(hào)：污水處理中智能控制的翁應(yīng)用研究THE STUDIES OF SWAGE TREATMENT BASED ONINTELLIGENCE CONTROL學(xué)位授予單位及代碼：長(zhǎng)春理工大學(xué) （10186）學(xué)科專業(yè)名稱及代碼：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置（081102）研究方向：檢測(cè)技術(shù)與過(guò)程控制申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩 士 指導(dǎo)教師：許紅梅副教授答辯委員會(huì)主席：朱明研究員研 究 生：孫 曉 宇論文評(píng)閱人： 張麗英 教授論文起止時(shí)間：2005. 122006. 12孫靈芳副教授城市污水處理系統(tǒng)的社會(huì)效益巨大，但運(yùn)行成本高，經(jīng)濟(jì)效益差，為 了讓污水處理技術(shù)有效地丈現(xiàn)，使系統(tǒng)能夠連續(xù)穩(wěn)定

2、運(yùn)行，保證出水水質(zhì) 達(dá)標(biāo)，將自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于污水處理中，提高污水處理的自動(dòng)化水平已 成為污水處理中的關(guān)鍵問(wèn)題。本文結(jié)合工程實(shí)例，以大連市泉水污水處理廠的控制系統(tǒng)為研究背景, 結(jié)合污水處理工藝，探討PLC及其網(wǎng)絡(luò)在污水處理廠中的應(yīng)用，并充分考 慮在線檢測(cè)儀表在控制系統(tǒng)中的作用。本系統(tǒng)采用IPC+PLC的控制方案和 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線+光纖壞網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)方案。文中主要介紹了 PLC、 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線、光纖以太壞網(wǎng)、污水處理工藝、控制系統(tǒng)硬件、軟件 配置以及處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，針對(duì)污水曝氣過(guò)程控制的間歇性、非線性、大滯后、直接捽制變 量難以在線測(cè)量等控制難點(diǎn)，應(yīng)用智能控

3、制的方法，討論了模糊拎制策略 的運(yùn)用效果。本文選用簡(jiǎn)單易行的查控制表方法在PLC上實(shí)現(xiàn)模糊控制策 略，并應(yīng)用在大連市泉水污水處理廠中。關(guān)鍵詞：PLC+IPC, PROFIBUS,污水處理,智能控制，模糊控制ABSTRACTAlthough city swage treatment system has great social benefit, it s running cost is high, and the economic benefit is low In order to implement the swage treatment technique effectively, op

4、erate the treatment system steadily, guarantee the quantity of output water, the self-control technique applied in swage treatment to promote automatic level has become the key question in swage treatmentsTake Dalian Quanshui swage treatment plant as background, incorporation with swage treatment cr

5、aft, the application of PLC and it s network in swage treatment plant is discussed in this paper, and considered the action of onTine detection instrument in control system sufficiently The con trol scheme of I PC + PLC and communication network scheme of PROFIBIS Fieldbus + fibre ring net is adopte

6、d in this system. This paper mainly introduced PLC, PROFI BUS Fieldbus, fibre ring net, swage treatment craft, the hardware and software disposal of control system and the automatic control system7 s implementation of swage treatment plantMeanwhile, to the difficulties of intennittence, norrlinearit

7、y, delay, and the online measurement hardness of direct control variable in aeration tank control, using the way of intelligence control, the performing effectiveness of fuzzy control strategy is discussed. This paper implemented fuzzy control strategy on PLC by 1coking-up table, and applied in the

8、Dalian Quanshui swage treatment plant.Keyword: PLC+IPC, PROFIBU5, swage treatment intelligence control, fuzzy control3長(zhǎng)春理工大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的碩士學(xué)位論文，污水處理中智能控制的應(yīng)用研究是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集 體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。指導(dǎo)導(dǎo)師簽名:幷

9、仿槍年仏月1_日長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)年a月伽本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解“長(zhǎng)春理工大學(xué)碩士、博士學(xué) 位論文版權(quán)使用規(guī)定”，同意長(zhǎng)春理工大學(xué)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī) 構(gòu)送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 長(zhǎng)春理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn) 行檢索，也可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論文。作者簽名:第一章緒論隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和世界人口的持續(xù)增加，水需要量也在不斷 增大，但地球上的水資源卻在萎縮，可利用的水源特別是城市周圍水源 污染等因素使得水資源缺乏和水體污染已經(jīng)成為各國(guó)面臨的重要問(wèn)題 之一。為了讓污水處理技術(shù)有

10、效地實(shí)現(xiàn)，將自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于污水處 理中以提高污水處理的自動(dòng)化水平更成為污水處理中的關(guān)鍵問(wèn)題。自動(dòng)控制理論和應(yīng)用技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用大致經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展 階段：從上個(gè)世紀(jì)40年代到50年代是經(jīng)典控制理論階段；50年代后 期最具代表性的就是基于模型的現(xiàn)代控制理論；70年代以來(lái)，人們提 高了對(duì)被控對(duì)象數(shù)學(xué)建模的精確程度及考慮不確定因素的影響，加強(qiáng)了 對(duì)系統(tǒng)的辨識(shí).自適應(yīng)控制、魯棒控制等方面的研究；近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外 學(xué)者開(kāi)始突破傳統(tǒng)控制思想的約束，面對(duì)實(shí)際工業(yè)過(guò)程的特點(diǎn)，尋求各 種對(duì)模型要求低、控制綜合質(zhì)量好、在線計(jì)算方便的智能控制算法。智能控制是控制理論發(fā)展的新階段，主要用來(lái)解決那些用傳統(tǒng)方法 難以

11、解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題。常用的智能技術(shù)包括模糊邏輯控制、 圣經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(tǒng)、學(xué)習(xí)控制等。它為污水處理過(guò)程的控制提供 了一些應(yīng)付非線性和不確定過(guò)程的方法。1.1國(guó)外污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展概況由于發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展較早，水資源不足和污染的問(wèn)題較早得到了 重視，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的努力，許多發(fā)達(dá)國(guó)家城市污水處理率達(dá)到80%-90% 以上，城市水污染問(wèn)題大大緩解，水體水質(zhì)明顯改善。隨著城市污水處 理廠的大規(guī)模興建，污水處理工藝的不斷完善和復(fù)雜化，國(guó)外污水處理 廠自動(dòng)控制水平也迅速提高。在國(guó)外，污水處理控制技術(shù)廣泛的采用了 DCS或PLC及現(xiàn)場(chǎng)總線等 先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行控制，有較高的自動(dòng)化水平和科技含

12、量。在智能控 制領(lǐng)域，Galluzzo等于1991年描述了 PH過(guò)程的模糊控制器，通過(guò)利 用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為PH過(guò)程建立模型；Saint-Donat等于1991年發(fā)展了 一種通過(guò)優(yōu)化方法計(jì)算預(yù)測(cè)控制效果的預(yù)測(cè)控制方案；Tolle和Ersu 于1992年描述了對(duì)于PH控制的基于預(yù)測(cè)控制方案的另一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。1.2國(guó)內(nèi)污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展概況我國(guó)污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)起步較晚。近年來(lái)，一大批利用外國(guó)貸款建設(shè)的城市污水處理廠相繼投入運(yùn)行，他們?yōu)槲覈?guó)污水處理廠成功 的應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)提供了范例。自動(dòng)化系統(tǒng)在污水處理過(guò)程中所發(fā)揮的 重要作用也逐漸被認(rèn)知，并受到普遍重視。隨著自動(dòng)化控制技術(shù)這幾年在國(guó)內(nèi)的

13、飛速發(fā)展，我國(guó)許多污水處理 廠也開(kāi)始采用PLC或DCS方式進(jìn)行控制，并取得了較好的效果，現(xiàn)場(chǎng)總 線也逐漸在這一行業(yè)中得到應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)許多高校和研究機(jī)構(gòu)都在致 力于污水處理工藝和自動(dòng)控制方面的研究，并取得了顯著成果。1.3本課題的研究意義未來(lái)10年，中國(guó)污水處理項(xiàng)目工程建設(shè)投資將超過(guò)2500億元，其 中污水處理設(shè)備投入約300億元。采用先進(jìn)、實(shí)用的技術(shù)改造傳統(tǒng)工藝, 在環(huán)保工程中廣泛采用先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)，是推動(dòng)壞保產(chǎn)業(yè)升級(jí)，實(shí) 現(xiàn)環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)。在這種形勢(shì)下污水處理自動(dòng)化控制系統(tǒng)無(wú) 疑是一個(gè)具有巨大的社會(huì)效益、環(huán)境效益及經(jīng)濟(jì)效益的研究課題。下面 將從幾個(gè)方面闡述自動(dòng)控制技術(shù)研究的形勢(shì)

14、及意義。1、國(guó)家基本政策環(huán)境保護(hù)是我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策。隨著國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的推進(jìn) 和三峽工程的興建，三峽庫(kù)區(qū)的壞境保護(hù)，尤其是庫(kù)區(qū)沿江水污染的防 治己陸續(xù)啟動(dòng)。到2008年，50萬(wàn)以上人口的城市，污水處理率將達(dá)到 60%,工業(yè)廢水處理率達(dá)到90%,達(dá)標(biāo)排放率達(dá)到80%。廣泛采用先進(jìn)的 自動(dòng)控制技術(shù)是提高和保證環(huán)保工程各項(xiàng)指標(biāo)一個(gè)重要環(huán)節(jié)。2、當(dāng)前形勢(shì)目前，在全國(guó)684個(gè)城市中我國(guó)僅有200余座在建和建成的城市污 水處理廠，并且集中在七八十個(gè)城市中，全國(guó)大約還有600個(gè)城市沒(méi)有 城市污水處理廠。又因?yàn)槲覈?guó)的自動(dòng)化水平比較低，全國(guó)城市污水處理 率目詢僅達(dá)到20%左右，而發(fā)達(dá)國(guó)家由于采用先進(jìn)的自動(dòng)

15、化控制技術(shù)， 污水處理率已達(dá)到85%以上。這一狀況與國(guó)家提出“至2000年使水環(huán) 境污染不斷惡化的趨勢(shì)得到控制，至2010年使總體壞境質(zhì)量得到改善” 的發(fā)展目標(biāo)是不相稱的。3、國(guó)民經(jīng)濟(jì)根據(jù)已建、在建及擬建污水廠的情況，噸水造價(jià)在15002000元 之間，運(yùn)行費(fèi)用在084元/噸之間。根據(jù)這個(gè)比例測(cè)算我國(guó)尚未 投入建設(shè)的城市污水廠需要一次性投資1000億元以上。如果加上市政 管網(wǎng)建設(shè)，投資將超過(guò)2000億元，年運(yùn)行費(fèi)用250億元以上。而我國(guó) 的城市污水廠建設(shè)的資金90%來(lái)自于各種貸款。如果每年有200億元用 于城市污水廠建設(shè)，每個(gè)項(xiàng)目的平均還貸期為10年，數(shù)年后平均每年 償還的本息將在300億元以

16、上，僅運(yùn)行費(fèi)用及本息就將占我國(guó)GDP的l%0如此龐大的投資及運(yùn)行費(fèi)用，在經(jīng)濟(jì)尚不夠發(fā)達(dá)的我國(guó)是不堪重負(fù) 的。因此提高自動(dòng)化控制水平，采用高科技含量的自動(dòng)化控制系統(tǒng)是降 低運(yùn)行管理費(fèi)，減少操作管理人員數(shù)量，提高效率的有效措施。4、自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展El我國(guó)在污水處理自動(dòng)化控制方面控制水平低、品質(zhì)也較差，這也是 造成我國(guó)和發(fā)達(dá)國(guó)家污水處理各種指標(biāo)差距的一個(gè)重要因素。前幾年國(guó) 家環(huán)境保護(hù)總局曾對(duì)我國(guó)55個(gè)城市的5000多套工業(yè)廢水處理設(shè)施進(jìn)行 了大規(guī)模的調(diào)査。結(jié)果表明，運(yùn)行效果好和比較好的只占24%,而建成 后沒(méi)能運(yùn)行或處理能力達(dá)不到設(shè)計(jì)能力一半的設(shè)施競(jìng)占63.8% +2, +3, +4, +5,

17、 +6；Ec：-4,亠3 一2, T, 0t +L +2, +3, +4；U：卜6, -5, -4, 一3,T, 0, +L +2, +3, +4, +5, +6；(2) 模糊的劃分在模糊控制中，無(wú)論是輸入論域，或是輸出論域，都要取恰當(dāng)?shù)哪：?。?duì)于一個(gè)給定的有限論域，在這個(gè)論域中確定模糊量數(shù)量的過(guò)程 稱模糊劃分。所以模糊劃分的本質(zhì)就是在論域中劃分模糊子集。模糊劃分尚未有一種確定的方法，主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而進(jìn)行劃分的。 在進(jìn)行模糊劃分時(shí),主要考慮數(shù)量的選擇以及寬度劃分。在一個(gè)論域中, 模糊量數(shù)量的劃分一般取510條較為合適。在實(shí)際中，模糊劃分和量 化是有直接關(guān)系的，即論域中元素的個(gè)數(shù)應(yīng)是模糊量的1

18、. 52倍。對(duì) 于本控制系統(tǒng)，D0的偏差E論域的元素為13個(gè)，則模糊量的個(gè)數(shù)應(yīng)取7o劃分寬度是指在論域中一個(gè)模糊量所涉及的元素的多少。劃分寬度 的選擇是以量化之后論域的0元素為原點(diǎn)開(kāi)始考慮的。劃分寬度以0元 素處的“零”模糊量開(kāi)始，往正負(fù)方向?qū)ΨQ非線性。也即是對(duì)于零開(kāi)始, 負(fù)小、正小的寬度大一些；接著負(fù)中、正中的寬度大一些;負(fù)大、正大 更大一些。劃分的非線性和控制中人們的思想方式吻合，模糊量劃分的寬度是隨模糊量與0元素的距離而非線性增大的。=本控制系統(tǒng)中, E的模糊集為Ec的模糊集為 U的模糊集為定義他們的模糊子集分別為：MB, NM, NS, Z0, PS, PM, PB；NB, NS, Z

19、0, PS, PB；NB, NM, NS, Z0, PS, PM, PB.模糊語(yǔ)言變量的意義：NB = Negative Big （負(fù)大）PB = Positive Big （正大）NM = Negative Medium （負(fù)中）PM = Positive Medium （正中）NS = Negative Small （負(fù)?。㏄S = Positive Small （正?。㈱0 = Zero （零）(3) 模糊表達(dá)在論域中模糊量的隸屬函數(shù)形狀稱為該模糊量的模糊表達(dá)。模糊表達(dá)的目的在于取得最適合于控制目的的隸屬函數(shù)。模糊量可以是對(duì)稱的、非對(duì)稱的、三角的、梯形的或其它形狀的。目前.尚未能證明什么

20、 形狀的隸屬函數(shù)對(duì)某一控制目標(biāo)是最優(yōu)的因此，隸屬函數(shù)大多依賴經(jīng) 驗(yàn)或考慮處理方便而選取。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，確定隸屬函數(shù)的分辨率，從而確定了模糊隸 屬函數(shù)曲線的形狀。本文假定隸屬曲線寬度為1,頂點(diǎn)在各論域點(diǎn)，可 得DO的E、Ec. U的模糊狀態(tài)隸屬函數(shù)曲線分別如圖3& 3.9、330 所示。將確定的隸屬函數(shù)曲線離散化，就得到了有限個(gè)點(diǎn)上的隸屬度, 構(gòu)成相應(yīng)模糊變量的模糊子集。圖3.8 DO偏差E的隸屬函數(shù)圖3.9 D0偏差變化Ec的隸屬函數(shù)圖3.10輸岀量U隸屬函數(shù)1、建立模糊控制規(guī)則模糊控制是以模糊控制規(guī)則去實(shí)牖控制的。模糊控制規(guī)則表達(dá)了人對(duì)被控對(duì)象執(zhí)行控制時(shí)的模糊思維和判別過(guò)程。模糊控制規(guī)

21、則在本質(zhì)上 是人們的模糊推理規(guī)則，以模糊條件語(yǔ)句表達(dá)，條件語(yǔ)句的前后條件都 是模糊量。一個(gè)模糊控制系統(tǒng)，其控制規(guī)則可以以條件語(yǔ)句集來(lái)表示, 也可以以控制規(guī)則表來(lái)表示。模糊控制規(guī)則的格式為：if A and B then C=1模糊控制規(guī)則是根據(jù)人的思維方式對(duì)一個(gè)被控制系統(tǒng)治性控制而 總結(jié)出來(lái)的帶有模糊性的控制規(guī)則。取得模糊控制規(guī)則有各種不同的途 徑，但不外乎是兩種最基本的方法；一種是根據(jù)人對(duì)被控系統(tǒng)的實(shí)際操 作求取控制規(guī)則：另一種是根據(jù)對(duì)象的特點(diǎn)通過(guò)數(shù)學(xué)處理求取控制規(guī) 則。對(duì)于本控制系統(tǒng)，同時(shí)根據(jù)曝氣過(guò)程中可能遇見(jiàn)的情況和系統(tǒng)運(yùn)行 數(shù)據(jù)，考慮DO的偏差E取7個(gè)模糊量：NB、NM、NS、ZO、P

22、S、PM、PB； DO偏差變化率Ec取5個(gè)模糊量：NB、NS、ZO、PS、PB：輸出控制U取 7個(gè)模糊量：NB、膩NS Z0 PS、PM、PB,得到如下模糊控制規(guī)則表表3-1曝氣過(guò)程模糊控制規(guī)則EUEcNBNMNSZPPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONSPBPB 1PMPSzoNSNMzoPBPMPSzoNSNMNBPSPMPSzoNSNMNBNBPBZOZONSNMNMNBNB將上述模糊控制規(guī)則用模糊條件語(yǔ)句來(lái)描述，例如，當(dāng)E = NB時(shí), 有：IF E=NB AND EC二NBIF E二NB AND Ec=NMIF E二NB ANDIF E二NB ANDIF E二NB ANDE

23、c 二 NSEc 二 ZOEc 二 PSIF E-NB AND Ec二PBTHEN 1PBTHEN U=PBTHEN U二PBTHEN U二PBTHEN U二PMTHEN U=ZO第一條可以解釋為：如果“偏差”為“負(fù)大”且“偏差變化”為“負(fù) 大”，則“曝氣量U”為“正大意味著當(dāng)DO的誤差及誤差變化均為負(fù)大時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的DO濃度很低，而且有進(jìn)一步減低的趨勢(shì)，要盡快 提高DO濃度，必須增大曝氣量，所以U取正大。當(dāng)E取NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB時(shí)各有5條這樣的條件語(yǔ)句,共有35條，也就是這35條模糊控制規(guī)則共同構(gòu)成了曝氣系統(tǒng)得模糊控 制基。3、模糊判決方法通過(guò)模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè)模

24、糊集合或者隸屬函數(shù)，但在實(shí)際 使用中，特別是在模糊邏輯控制中，必須用一個(gè)確定的值才能去控制伺 服機(jī)構(gòu)。在推理得到的模糊集合中取一個(gè)相對(duì)最能代表這個(gè)模糊集合的 單值的過(guò)程就稱作反模糊或模糊判決(Defuzzification)。=1模糊判決可以釆用不同的方法，用不同的方法所得到的結(jié)果也是不 同的。理論上重心法比較合理，但是計(jì)算比較復(fù)雜，因而在實(shí)時(shí)性要求 較高的系統(tǒng)不宜采用這種方法。最簡(jiǎn)單的方法是最大隸屬度方法，這種 方法取所有模糊集合或者隸屬函數(shù)中隸屬度最大的那個(gè)值作為輸出，但 是這種方法未考慮其它隸屬度較小的值的影響，代表性不好，所以它往 往用于比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。介于這兩者之間的還有幾種平均法:

25、如加權(quán)平 均法、隸屬度限幅元素平均法等。4、模糊控制算法模糊控制算法和模糊推理有很大關(guān)系，一般采用Mamdani模糊推 理。模糊推理控制算法有很多，但基于Mamdani推理的控制算法有三種, 這就是關(guān)系矩陣法、查表法及解析式法。關(guān)系矩陣法在執(zhí)行中實(shí)時(shí)性較 差，查表法可以克服繁瑣的計(jì)算從而提高實(shí)時(shí)性，而解析式法可以節(jié)省 內(nèi)存空間。本控制系統(tǒng)釆用査表法。查表法依賴于控制表，控制表是根據(jù)控制 規(guī)則和推理方法所形成的輸入量值與輸出量化值的關(guān)系表格。在控制表 中，給岀的是輸入論域元素與輸出論域元素的關(guān)系。査表法關(guān)鍵在于建 立控制表。建立控制表的步驟如下：(1)求模糊關(guān)系R& 二ExEC/Uh(3. 5)

26、(2)求輸入偏差及偏差變化率量化后對(duì)應(yīng)的模糊量 El (y =1, 2,，7)EC心込,2,5)(3求輸出的控制精確量并形成控制表根擁模糊控制規(guī)則表取定的每一條模糊條件語(yǔ)句都可以計(jì)算出相 應(yīng)的模糊控制量U,運(yùn)用模糊推理合成規(guī)則，可求出輸出模糊量妁：UtJ = (EixECj) R(3.7)并采用最大隸屬度法進(jìn)行反模糊化，則可得精確控制量U：/=)(3.8)于是得到以偏差E論域元素為行，偏差變化率EC的論域元素為列, 兩者元素交點(diǎn)為輸出精確值的控制表3-2 o表3-2模糊控制表EUEc-6- 54-3-2-1012346666663331.5150000-36666333L5L50000-266

27、6633L500-1.5-33666633L500-1.5-1.5-3-3066331-51.507 5-L5_36-6133L51.500L5_3-3亠6_6_62331.5L5001.53-3-6_6_6_630000-L5-3_3-3_66-6-640000-L5-L5-3_3_3-6_6_6_64. 用MATLAB生成模糊控制器MATLAB仿真軟件自1984年由美國(guó)的Mathworks公司推出以來(lái)，已 越來(lái)越引人注目。MATLAB現(xiàn)已成為國(guó)際上公認(rèn)的最優(yōu)秀數(shù)值計(jì)算和仿 真分析軟件之一。MATLAB軟件中的模糊推理系統(tǒng)工具箱內(nèi)容豐富，基 本包括了模糊集合理論的各個(gè)方面，其功能強(qiáng)大和方便易

28、用的特點(diǎn)得到 了用戶的廣泛歡迎。創(chuàng)在模糊邏輯工具箱中有5個(gè)基本工具箱圖形用戶界面(GUI)工具用 于建立、編輯和觀察模糊推理系統(tǒng)(FIS),它們分別為模糊推理系統(tǒng)編 輯器、隸屬度函數(shù)編輯器、規(guī)則編輯器、規(guī)則觀察器和面觀察器。5. 動(dòng)態(tài)仿真對(duì)前面建立的模糊推理系統(tǒng)，首先單擊模糊邏輯工具箱5個(gè)GUI界 面中的一個(gè)File文件，將其保存到MATLAB工作區(qū)中。然后在打開(kāi)的 SIMULINK庫(kù)建立SIMULINK仿真模型。對(duì)采用的模糊控制方法，在 SIMULINK 庫(kù)的Fuzzy Logic Toolbox項(xiàng)中，選擇Fuzzy Logic Controller”作為我們的模糊控制模塊。在仿真模型中雙擊

29、Fuzzy Logic Control 1 erw的圖標(biāo)，在彈出的對(duì)話框中的FIS Matrix文本 框中輸入前面保存到MATLAB的工作區(qū)中的模糊推理系統(tǒng)的名稱，將工 作區(qū)的FIS結(jié)構(gòu)與該模糊控制器連接起來(lái)。選擇模糊控制器的類型為 mamdani型，然后建立輸入E、Ec和U的隸屬函數(shù)。然后添加模糊控制 規(guī)則,確定FIS編輯器中選項(xiàng)；與(AND)為min,或(OR)為max,推理方 法(implication)為min,合成方法(aggregation)為max,非模糊化方 法(defuzzification)為加權(quán)平均(centoid)。這樣就建立了一個(gè)模糊推 理系統(tǒng)。為了觀察該模糊控制系統(tǒng)

30、對(duì)輸入階躍響應(yīng)的反應(yīng)輸出，用 SIMULINK工具箱仿真,建立圖3.11所示的仿真框圖,仿真結(jié)果如圖5.12 所示。結(jié)論：模糊控制策略不需要得到系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，而控制輸出 的效果比較理想，滯后現(xiàn)象得到了改善，在響應(yīng)初期系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)，但 穩(wěn)定速度還比較快。矩陣增益2示玻器圖3.11SIMULINK環(huán)境中模糊推理系統(tǒng)的仿真2時(shí)闔(s)圖X 12模糊控制器仿真結(jié)果3,5控制策略比較在本文研究的三種策略中，PID調(diào)節(jié)器是過(guò)程控制系統(tǒng)中技術(shù)最成 熟，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易于調(diào)整，在長(zhǎng)期應(yīng)用中己積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。 許多控制器都提供PID控制功能，用戶只需建立指令的參數(shù)表，即可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)PID控制。許多智能

31、變頻器也都提供PID控制功能。但是，PID 控制需要依賴控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，且由于污水曝氣過(guò)程的滯后特性, 從仿真結(jié)果看，運(yùn)用PID控制效果較差。在SMITH預(yù)估方案中，由于把對(duì)象的數(shù)學(xué)模型引入控制回路，使反 饋信息更及時(shí)，以改善控制品質(zhì)。從仿真結(jié)果看，系統(tǒng)的穩(wěn)定性好多了, 但是，由于SMITH預(yù)估仍舊依賴對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，對(duì)模型的參數(shù)誤差較 敏感，若模型時(shí)滯估計(jì)有誤，則控制品質(zhì)會(huì)下降許多。模糊控制理論對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)或過(guò)程建立一種語(yǔ)言分析的數(shù)學(xué)模式, 將日常生活中的自然語(yǔ)言能夠直接轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所能接受的算法語(yǔ)言, 所以模糊控制器不需要過(guò)程控制的精確數(shù)學(xué)模型，而是吸收人工控制的 經(jīng)驗(yàn)，然后依據(jù)一些推

32、理規(guī)則，決定控制決策。將模糊控制策略應(yīng)用于污水曝氣過(guò)程，從仿真結(jié)果看，控制效果比較理想，滯后小，系統(tǒng)穩(wěn)定也快。綜合比較以上三種控制策略，確定大連市泉水污水處理工程自動(dòng)控制系統(tǒng)的曝氣過(guò)程采用智能控制方案模糊控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)。第四章污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)4.1污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“集中管理，分散控制，數(shù)的原則，設(shè)計(jì)選型不僅要使系統(tǒng)性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠、操作 簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，而且要求滿足易于擴(kuò)展、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、維護(hù)方便性價(jià)比 高等特點(diǎn)。而且自控系統(tǒng)應(yīng)滿足污水處理廠運(yùn)行管理和安全處理的要求，即生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)保護(hù)、自動(dòng)操作、自動(dòng)凋節(jié),提高運(yùn)行

33、效率、降低運(yùn)行成本、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)污水處理廠內(nèi)各系統(tǒng)工藝流程中的重要參數(shù)、重要設(shè)備進(jìn)行計(jì)算機(jī)在線集中實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而 確保污水處理廠的出水水質(zhì)達(dá)到設(shè)計(jì)排放標(biāo)準(zhǔn)。具體要求如下：1、有良好的適應(yīng)性；2、采用分布式結(jié)構(gòu)，具有良好的通訊能力；3、有友好的人機(jī)界面和良好的后備能力：4、有良好的開(kāi)放性；5、采用自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備對(duì)水質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行在線測(cè)量。4.2控制系統(tǒng)方案比較目前國(guó)內(nèi)污水廠的自控系統(tǒng)主要采用以下幾種形式：1、SCADA 系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)由一個(gè)主控單元MTU和若干個(gè)遠(yuǎn)程終端站RTU組成,MTU 與RTU之間用物理鏈路層或數(shù)據(jù)鏈路層聯(lián)系。系統(tǒng)最初用于通訊，聯(lián)網(wǎng) 通訊功能較強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)及順序控制，側(cè)重于檢測(cè)和少量控制，適用 于被測(cè)點(diǎn)地域分布較廣的場(chǎng)合。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是組網(wǎng)范圍大通訊方式靈活，與其它網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)功能 強(qiáng)。但是其遠(yuǎn)端站控制能力很少，使系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較差，并且在安全性方 面風(fēng)險(xiǎn)較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大