（计算机科学与技术专业论文）智能控制在水厂自动加药系统中应用研究.pdf

摘要 江并人学r 柞埘! f 学位论文 摘要 随着经济的发展和人民生活水平的提高，需水量大幅度上升，而且对水质提出了更高 的要求。饮用水水质规范中，浊度是一项重要的指标，直接关系到水质的好坏，而混凝投 药过程中混凝剂的投加量对浊度控制来讲是一个决定性的因素。结合我国当前实际情况， 要合理降低水的浊度，如果要求普遍采取深度水处理是不现实的，应该通过技术改造和完 善管理措施，强化现有水处理工艺和控制，充分发挥已有资源、设备的潜力，节能降耗， 保证并提高水质。 混凝投药过程具有明显的非线性、大滞后、多变量等特点。本文结合镇江自来水公司 金西水厂混凝投药过程的实际情况，提出用模糊控制来实现混凝剂的最佳投加，并用神经 网络来对模糊控制器计算出来的加药量进行了验证。 本文首先针对源水温度和p h 值变化不大的情况，提出了用前馈型模糊控制器来实现对 加矾流量的控制，取得了良好的结果。 在比较长的时间罩，源水温度变化比较大，但源水p h 值变化依然不大。针对这种情况， 提出了应用分层模糊控制器来实现混凝剂的最佳投加。仿真结果表明该方法是一种简单有 效的改进方法，能对加药量进行很好的控制。 由于混凝投药的最终目的是使沉淀水浊度控制在规定范围内，因此，本文采用神经网 络模型来对模糊控制系统所得到的加药量进行仿真验证。并考察仿真得到的沉淀水浊度， 建立了反馈型模糊控制器。通过神经网络模型对模糊控制器得到的加药量进行仿真，结果 显示模糊控制器所得到的加药量能使沉淀水浊度满足水厂规定要求，进一步证明了模糊控 制器对水厂混凝投药过程的适用性。 关键词：浊度；混凝投药：模糊控制；神经网络；多变量 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h ei n c r e a s eo fs t a n d a r do fp e o p l e sl i f e ，t h e r e q u i r e m e n to fw a t e ri n c r e a s e si nal a r g er a n g e ，a n dt h eh j l g h e rq u a l i t yo fw a t e ri sb r o u g h tu p i n d r i n k i n gw a t e rq u a l i t yc r i t e r i o n s ，t h et u r b i d i t yi sa l li m p o r t a n to n e i td i r e c t l yc o n n e c t sw i t hw a t e r q u a l i t y t h eq u a n t i t yo fc o a g u l a n ti sac r u c i a lf a c t o rt ot u r b i d i t yc o n t r o li nc o a g u l a n td o s i n g p r o c e s s a c c o r d i n gt ot h ef a c to fo u rc o u n t r y , i ti su n p r a c t i c a lt ot a k ed e e pt r e a t m e n ti no r d e rt o r e d u c et h et u r b i d i t yr e a s o n a b l y s ow es h o u l di n n o v a t ei nt e c h n o l o g y , i m p r o v em a n a g e m e n t ， s t r e n g t h e nw a t e rt r e a t i n gp r o c e s sa n dc o n t r o li ne x i s t e n c e ，e x e r tf u l l yp o t e n t i a lo fe x i s t i n gs o u r c e s a n de q u i p m e n t ，s a v ee n e r g ya n dr e d u c ec o n s u m p t i o n ，a n ds oo n t h e r e b yp l e d g ea n di m p r o v e w a t e rq u a l i t y t h ec o a g u l a n td o s i n gp r o c e s sh a st h ef e a t u r e so fn o n l i n e a r , l o n gl a g ，m u l t i v a r i a b l e ，e t c t h i st h e s i sp r e s e n t sf u z z yc o n t r o lt or e a l i z et h eo p t i m u md o s i n go f c o a g u l a n tb a s e do nt h ef a c to f z h e n j i a n gw a t e rw o r k s n e u r a ln e t w o r ki su s e dt o v a l i d a t et h ef u z z yc o n t r o l l e r ss i m u l a t i o n r e s u l t s w h e nt h ev a r i e t yo ft h et e m p e r a t u r ea n dp ho fr a ww a t e ri sn o tt o ob i g ，f e e d f o r w a r df u z z y c o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt or e a l i z et h eo p t i m u md o s i n go fc o a g u l a n ta n dt h eg o o ds i m u l a t i o nr e s u l t i so b t a i n e d i nal o n g e rt i m et h ev a r i e t yo ft e m p e r a t u r eo fr a ww a t e ri sv e r yb i gb u tt h ev a r i e t yo fp hi s n o tt o ob i g i nt h i sc a s e ，l a y e r e df u z z yc o n t r o l l e r , a l lo p t i m u md o s i n go fc o a g u l a n t ，i sp r e s e n t e di n t h i st h e s i s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sa p p r o a c hi ss i m p l ea n de f f i c i e n t i tc a nc o n t r o l t h ed o s i n go f c o a g u l a n tv e r yw e l l t h ep u r p o s eo fc o a g u l a n td o s i n gi st om a k et h et u r b i d i t yo fs e d i m e n tw a t e rw i t h i nt h e p r e s c r i p t i v er a n g e s on e u r a ln e t w o r km o d e li s u s e dt o t e s tt h ef u z z yc o n t r o l l e r s i m u l a t i o n r e s u l t s b ys e e i n ga b o u tt h es e d i m e n tw a t e r st u r b i d i t yt h a tc a m ef r o mn e u r a ln e t w o r km o d e l ， f e e d b a c kf u z z yc o n t r o l l e ri se s t a b l i s h e d a n dt h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h ed o s i n go fc o a g u l a n t f r o mf u z z yc o n t r o l l e r s i m u l a t i o nc a nm a k et h es e d i m e n tw a t e r st u r b i d i t ys a t i s f i e dt h en e e d s oi t p r o v e sf u r t h e rt h a tf u z z yc o n t r o l l e rh a sg o o da p p l i c a b i l i t yt oc o a g u l a n td o s i n gp r o c e s so fw a t e r w o r k s k e yw o r d s ：t u r b i d i t y ；c o a g u l a n td o s i n g ；f u z z yc o n t r o l ；n e u r a ln e t w o r k ；m u l t i - v a r i a b l e 第一章绪论 江苏人学t 程坝l 学位论史 1 1 研究背景 第一章绪论 自来水在当今经济和生活中起着非常重要的作用，是经济的命脉，是人类生存和发展 的基础，是保障人民生活和发展生产建设不可缺少的物质条件。随着经济的发展和人民生 活水平的提高，需水量大幅度上升，并且对水质提出了更高的要求。而水资源是有限的， 地球上水资源总储量为1 3 6 亿亿立方米，这些水分别以固态、液态、气态形式分布在地球 表面和大气圈、岩石圈、生物圈中。而其中9 7 4 为咸水( 海水) ，与我们平常生活关系最 为密切的淡水( 即每升水中氯元素含量少于l 克的水) 只占2 6 ，约3 5 亿亿立方米。而 淡水中又有7 8 为冰川淡水，目前还很难利用。因此，人类所能利用的淡水仅为水总储量 的0 7 左右。不仅如此，人类还不断地受到环境污染及生态系统被破坏的严重威胁，水 源所遭受的污染同益严重，这给水厂常规工艺处理带来了一定的困难，水质情况不容乐观。 与国外相比，我国供水水质还有一定的差距。欧共体、美国等国和世界卫生组织规定 的检测项目比我国多，水质指标比我国严，而且他们执行的是比指标规定更严格的指导值 或推荐值”1 。并且随着工农业的发展和人民生活水平的提高，对水质的要求也越来越高。 2 0 0 1 年6 月卫生部颁布的生活饮用水卫生规范和2 0 0 5 年2 月建设部颁布的城市供 水水质标准都规定，出厂水浊度指标小于1 n t u ( 原来指标为3 n t u ) ”“”。为适应新要求 新形势，必须采取相应有效的措施。 根据现阶段供水企业的特点，为实现水质目标，使净水过程都处于受控状态，应将净 水过程全面质量控制，在保证安全供水，提供优质水的前提下，合理地降低药耗和电耗， 提高控制和管理水平。因而，很多现有水处理工艺和控制需加强和完善，以适应源水水质 的变化和新政策的要求。 饮用水水质规范中，浊度是一项重要的指标，直接关系到水质的好坏”1 。在自来水生 产工艺过程中，浊度控制主要的一环是混凝投药，混凝投药过程对沉淀、过滤以至消毒的 影响都很大，直接关系到出水的水质。3 。而在这一过程中混凝剂的投加量又是一个决定性 因素。在工艺条件一定的情况下，若混凝剂投量偏少，胶体杂质达不到应有的脱稳程度， 混凝效果不好，相反，若投加量过多，胶体表面吸附过量的反电荷，胶体发生再稳定而不 能凝结，反应同样不理想。要求其能够根据源水水质参数的变化而不断改变加药量以满足 出水水质的要求。 结合当前我国实际情况，要合理降低水的浊度，如果要求普遍采取深度水处理是不现 实的，应该通过技术改造和完善管理措施，强化现有水处理工艺和控制，充分发挥已有资 源、设备的潜力，节能降耗，保证并提高水质。 第一章绪论江苏人学t 程硕i 学位论文 1 2 有关水处理生产工艺过程的描述 1 2 1 源水杂质分类 水是一种极易与其他物质混杂，溶解能力又比较强的溶剂。因此，水在自然界循环过 程中会混入各种各样的杂质。 源水( 天然水) 中的各种杂质按其存在状态通常为悬浮物、胶体杂质和溶解物三类。 它们之间的区别主要在于杂质的分散程度，即杂质颗粒的大小。“”1 。 ( 1 ) 悬浮物和胶体杂质 悬浮物尺寸比较大，易于在水中下沉或上浮。如果密度小于水，则可上浮到水面。江 河水中易于下沉的一般是大颗粒泥沙及矿物质废渣等；能够上浮的一般是体积较大而密度 小的某些有机物。 胶体颗粒尺寸很小，在水中长期静置也难下沉。水中所存在的胶体通常有粘土、某些 细菌及病毒、腐殖质及蛋白质等。有机高分子物质通常也属于胶体一类。工业废水排入水 体，会引入各种各样的胶体或有机高分子物质，例如人工合成的高聚物通常来自生产这类 产品的工厂所排放的废水中。源水中的胶体一般带负电荷，有时也含有少量带正电荷的金 属氢氧化物胶体。 悬浮物和胶体是使水产生浑浊现象的根源。其中有机物，如腐殖质及藻类等，往往会 造成水的色、臭、味。悬浮物和胶体是饮用水处理的主要去除对象。粒径大于0 t m m 的泥 沙等去除比较容易，通常在水中可自行下沉。而粒径较小的悬浮物和胶体杂质，须投加混 凝剂方可去除。 ( 2 ) 溶解物 溶解物包括有机物和无机物两类。无机溶解物是指水中所含的无机低分子和离子。有 机溶解物主要来源于水源污染，也有天然存在的，如腐殖质等。当前。在饮用水处理中， 溶解的有机物已经成为重点去除对象之一，也是目前水处理专家们重点研究对象之一。 溶解物中以分子状态存在于水中的主要是氧( 0 2 ) 、氮( n ：) 和二氧化碳( c o z ) ，有时也 含有少量硫化氢( h ：s ) 。以离子状态存在于水中的基本上都是无机盐类溶解于水中的结果。 天然水中所含的主要阳离子有c a 2 + 、m g ”、n a + ，主要的阴离子有t t c o ，、s o , 2 。、c 1 一。此外还 含有少量k + 、f e ”、m n ”、c u ”等阳离子及h s i o , 1 、c 0 7 一、n o ( 等阴离子。溶解物不可能用任何 机械方法或凝聚方法去除，它们稳定地、均匀地分散在水中。 由于源水是不适合直接使用的，特别是不能直接作为饮用水，所以我们必须通过适当 的水质净化技术，运用可行的科学的水处理和控制方法，使原来含有多种杂质的源水变为 能满足生活或生产要求的水。 第一章绪论 江苏人学t 程硕l 学位论文 1 2 2 水厂混凝投药沉淀工艺流程简介 这里简单介绍一下镇江金西水厂给水处理工艺流程。 以地表水为城市供水水源的饮用水净化处理工艺中，水处理流程一般包括混凝、沉淀、 过滤、消毒四个重要环节，整个工艺过程澄清处理对象主要是源水中悬浮物及胶体杂质， 目的是为了降低源水中这些物质形成的浑浊度o m 。通过在源水中加入混凝剂( 该水厂所用 混凝剂为聚合硫酸铁，俗称绿矾) ，经过反应沉淀后，低浊度水进入下一处理流程。沉淀池 出水浊度要求在3 n t u ( 内部指标) 以下。混凝投药沉淀工艺流程图如图1 1 所示。 图1 1混凝投药沉淀工艺流程图 ( 1 ) 泵水 通过源水泵站水泵，将长江水( 源水) 输送到厂区，以便进行下一步的处理。源水浊 度一年四季变化很大，从几十n t u 到几百n t u ( 浊度单位) 。 ( 2 ) 投药 在抽取上来的源水中投加适量的混凝剂，投药设备为隔膜式计量泵，通过调计量泵的 冲程和频率束改变加药量的多少。 ( 3 ) 管道混合 通过管道静态混合器，使药剂与源水充分混合。混合是源水与混凝剂进行充分混合的 工艺过程，是进行混凝反应和沉淀的重要前提。混合过程要求加药后在很短的时间( 约1 0 2 0 s ) 内迅速完成。经过与药剂充分混合后的源水，进入反应池进行反应。 ( 4 ) 混凝 水流进入双通道竖流折板反应池进行絮凝反应，使水中胶体颗粒失去稳定性( 通常称 为脱稳) 凝聚，药剂与源水经过充分的混合与反应，并在一定的水力条件下，使之相互碰 撞，通过混凝剂水解产物压缩胶体颗粒的扩散层，达到胶体脱稳而相互凝结，或者通过混 凝剂的水解和缩聚反应而形成高聚物的强烈吸附架桥作用，使胶体颗粒被吸附粘结。这样 水中的悬浮物和胶体杂质形成一定体积大小而且易于沉淀的大颗粒絮凝体，俗称“矾花”。 混凝处理过程包括了凝聚和絮凝两个阶段，凝聚阶段包括使胶体脱稳，并聚集成较小的颗 粒( 微絮粒) ，再通过絮凝以形成较大的、具有良好沉淀性能的絮粒。在絮粒形成过程中， 不仅能降低天然水的浊度和色度，而且可以去除些细菌微生物及某些不带电的悬浮杂质。 4 第一章绪论江苏大学t 程硕卜学位论文 絮粒可在一定的沉淀条件下从水中分离，沉淀出来”“”。 ( 5 ) 沉淀 悬浮的固体颗粒依靠本身的重力作用从水中分离出来的过程称为沉淀”1 。沉淀的主要 目的是使水中的絮粒能快速并较彻底地沉淀。通过混凝过程的源水夹带大颗粒絮凝体以一 定的速度流入平流沉淀池，通过沉淀池进行重力分离，使水中比重大的杂质颗粒下沉至沉 淀池底部，由排泥机排出。 ( 6 ) 过滤 源水经过混凝、沉淀工艺后，水的浊度大为下降，但通过集水槽流出的沉淀水仍然残 留一些细小的杂质。为了进一步降低沉淀池出水的浊度，必须进行过滤处理。所谓过滤， 就是让待滤水流经具有一定孔隙率的颗粒材料( 石英砂等) 组成的滤床从而去除水中悬浮 物的过程。过滤工艺处理过程是在普通快滤池中进行的。过滤的作用不仅在于迸一步降低 水的浊度，而且为后续的消毒工艺创造良好的条件川“。 上述的混凝、沉淀、过滤等过程除了能降低源水的浊度，同时对色度、细菌、微生物 以及病菌病毒等的去除也相当有效”1 。 1 3 混凝投药控制状况及发展 在水处理单元环节的自动控制方面，混凝投药是最困难的环节。因为混凝过程是一个 复杂的物理、化学过程，目前还很难通过对其化学反应机理的研究，准确地建立反应过程 的数学模型9 “”。并且影响投药以后混凝效果的因素很多，如源水浊度、流量、水温、p h 值等。同时，从混凝剂的投加，到絮凝、沉淀、过滤，大约要经过两个小时友右的时间， 对于这样的非线形、大滞后系统，采用传统的控制方式很难对源水水质参数的变化做出快 速反应，也就限制了其控制效果，使得目i i 水厂广泛采用的固定程序化自动控制系统，很 难在水厂运行过程中实现混凝剂投加量优化控制。但同时由于混凝在水处理工艺中的重要 地位，混凝投药也是人们最为关注的环节“”。 长期以来，工艺和控制方面的工程技术人员、专家以及研究人员在混凝投药控制技术 方面，做了大量的努力，取得了很大的进展。 为实现混凝投药量的在线实时控制，达到混凝剂的最佳投加，目i j 主要采用三种控制 方法： 1 3 1 数学模型法( 经验法) 混凝剂投加量与源水水质和水量相关，对于某一特定水源，可根据水质、水量建立数 学模型，写出程序交计算机执行调控。1 9 6 4 年，苏州胥江水厂就建立了我国最早的投药量 模型，其中包括源水浊度、温度、耗氧量等几个参数。后来，重庆高家花园水厂( 1 9 8 1 年) 第一章绪论江苏人学t 程坝i j 学位论文 等也陆续建立了投药量模型，但是都一直未能实用。其中一个重要原因是受当时的自动化 仪表水平限制，很少有几个水质参数能实现可靠的在线连续检测，更何况还涉及耗氧量等 参数，至今未能解决在线检测问题。 进入2 0 世纪8 0 年代，在线检测仪表与控制技术发展较快，特别是计算机技术的进步 为自动控制提供了关键性手段，数学模型法混凝控制也有了实现的可能。兰州第一水厂于 1 9 8 3 年在高浊度水的投药控制上首先建立了数学模型，主要根据高浊度水的泥沙浓度，用 计算机控制混凝剂的自动投加，取得了成效。此后，有研究者对高浊度水投药控制数学模 型进行了更深入的研究，提出了精度较高的比表面积模型，但未见应用报导。 早期的数学模型是前馈模型，难以实用。2 0 世纪8 0 年代后期，哈尔滨市第三水厂和 上海石化水厂分别建立了前馈一反馈投药量数学模型，利用前馈水质模型粗调、以沉淀水浊 度反馈微调修证的方式，用计算机自动控制投药，取得了一定的效果。 数学模型法至今在生产上一直难以推广应用，其原因包括：混凝的影响因素众多，准 确建模困难；建立数学模型，需要长期大量的准确数据统计；涉及仪器仪表多，投资大， 维护要求高：所得数学模型往往只适用于特定源水条件，模型灵活性差，难以适应混凝剂 品种改变、控制目标调整等变化，不具普遍性“”“7 “”】。 1 3 2 模拟滤池( 沉淀池) 法 这是研究较多的另一种方法。利用一个小的模型滤池或沉淀池，使水处理生产系统中 得到初步絮凝的水流过该模型，计算机控制系统以该模型的出水浊度束评价投药量是否合 理，并作为调节投药量的依据。1 9 8 4 年，无锡中桥水厂报导了这种技术的试验研究，有一 些水厂将之作为控制投药量的辅助手段。 这种方法的控制过程有l o - 2 0 m i n 的时间滞后( 水样流经模型的时l 日j ) ，在源水水质变 化急剧的水厂不能适用。方法的准确性也较差，因为其依据是模型与原型( 生产系统) 的 相似性，然而模拟装置与生产设备毕竟存在着一定的差别，保证其相似是困难的。例如在 源水浊度较高时，仅以一个小滤池模拟水处理全系统工况是不全面的。这些不足也限制了 该方法的普遍应用n ”n ”。 1 3 3 特性参数法 虽然影响混凝效果的因素复杂，但在某种情况下，某一特定参数是影响混凝效果的主 要因素，其它影响因素居次要地位，则这一特性参数的变化就反映了混凝程度的变化。流 动电流检测器( s o d ) 法和透光率脉动法即属特性参数法。这两种方法均是2 0 世纪8 0 年代 国际上出现的最新技术m 。m 1 。 基于加药后水质参数的流动电流法，此项技术是由美国的6 e r d e s 于1 9 6 6 年发明的， 6 第一章绪论江苏大学t 程硕l ：学位论文 并开始了对流动电流控制混凝投药的研究。直至1 9 8 2 年在美国将超声波技术应用于流动电 流检测器，成功地解决了传感器表面的清洗和微粒“膜”及时更换问题，使陔技术趋丁二完 善与实用化。目| j i 美国、英国等已有数百家水厂应用流动电流技术控制混凝收到良好效果。 比较成功的应用如1 9 8 9 年d e r e l k i n g e r y 利用流动电流检测器( s c d ) 实现对投加量的有 效控制而降低了生产费用；1 9 9 3 年，b e r n a r d e & s c h e l l 利用s c d 实现了当源水水质发生变 化时的最优投药控制“”。1 9 8 9 年，流动电流投药自动控制技术被首次介绍到了国内；1 9 9 1 年，国内首套引进流动电流检测设备建立的投药控制系统投入使用；1 9 9 2 年，首套国产流 动电流混凝控制系统在牡丹江应用成功。目前，国内水厂采用的混凝投药自动控制系统大 都基于这种方式“”“”。但该方法有以下不足“”“圳：s c d 控制系统所依据的水处理混凝机 理存在尚未解决的理论问题；s c d 随时间变化将有不同值，取样时间也影响s c d 控制；s c d 在取样系统的可靠性上存在一定问题，主要是由于取样管堵塞造成的；此外需要定期检查 与调整s c d 控制给定值，使之始终处于最佳状态，并且该方法对于采用有机阴离子高分子 絮凝剂时是不适用的。 透光率脉动法是利用光电原理检测絮凝颗粒变化( 包括颗粒尺寸和数量) ，从而达到混 凝在线连续控制的一种新技术。优点是因子单一( 仅一个相对脉动值) ，不受混凝作用机理 或混凝剂品种限制。缺点是对于不同的水质参数，欲达到要求的混凝效果，作为控制系统 设定值的透光率脉动检测值需随水质的变化做相应的修正。在常规浊度水范围，修正值变 化幅度很大“”。 于是越来越多的学者提出将智能控制方法与先进的混凝控制技术结合起来，从而有效 提高混凝投药控制系统的智能化程度。文献“”提出了一种新的混凝投药控制方法：人工神 经网络控制方法，论述了该方法有着较传统控制方法更明显的优势，并讨论了理论上的可 行性。文献“提出了基于神经网络的混凝投药系统预测模型，利用该模型可实现混凝剂投 加量的在线预测控制，为实现混凝剂的最优投加提供了一条有效途径。文献“”介绍了两种 人工智能方法：对基于多项水质参数的混凝投药系统，提出利用人工神经网络方法实现混 凝剂的优化投加控制，对于基于透光率脉动检测值的单因子混凝控制系统，提出利用模糊 逻辑推理实现不同水质条件下的透光率脉动混凝投药系统设定值的在线自修正。 近几年来混凝剂投加的智能化控制一直是水工作者的关注重点，并且越来越倾向于各 种智能方法的综合应用，以便实现混凝剂投加的最优控制。 1 4 本文主要内容 由于混凝过程是一个复杂的物理、化学过程，目前还很难通过对其化学反应机理的研 究，准确地建立反应过程的数学模型，并且影响投药以后混凝效果的因素很多，如源水浊 度、流量、水温、p h 值等。同时，从混凝剂的投加，到絮凝、沉淀、过滤，大约要经过两 第一章绪论 江苏大学t 程硕l 学位论文 个小时以上的时间，对于这样的非线形、大滞后系统，采用传统的控制方式很难对源水水 质参数的变化做出快速反应，也就限制了其控制效果。 模糊控制是以控制人员的经验为基础的，实质上是用计算机去执行操作人员的控制策 略，它并不需要用精确的数学模型来描述系统的动念过程，可以避开复杂的数学模型。而 且它能方便地加入人的控制经验，极为近似地反映人的控制行为。 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k - - a n n ) ，简称为“神经网络”，是对人脑 最简单的一种抽象和模拟，是探索人类智能奥秘的有力工具。神经网络控制是一种基本上 不依赖于模型的控制方法，它比较适用于那些具有不确定性或高度非线性的控制对象，并 具有较强的适应和学习功能。 本文针对水厂混凝投药过程的特点，结合金西水厂的大量实际数据对这一具有非线性、 大滞后、多变量等特点的过程进行了分析研究。 论文共分为七章，前两章是论文的研究背景和一些基础知识的介绍。其中第一章绪论 主要阐述了自来水在人们同常生活中的重要性，而混凝投药是水处理中至关重要的一环， 直接关系到出水水质。结合有关文献，对有关水处理工艺过程进行了描述，主要对源水杂 质的分类和水厂混凝投药沉淀工艺流程进行了简单介绍，然后对混凝投药控制状况和发展 作了归纳总结，其中重点阐述了数学模型法、模拟滤池法和特性参数法。第二章主要叙述 了智能控制的基础理论，包括智能控制的定义、智能控制的研究对象、智能控制的特点及 智能控制系统的类型。 第三章到第六章是本论文所做的主要工作。其中第三章主要考察在比较短的时间内， 源水温度和p h 值变化不大的情况，以源水流量和源水浊度作为输入变量，加矾流量作为输 出变量，用前馈型模糊控制器来实现对加矾流量的控制。第四章考虑源水温度变化比较大 而p h 值变化不大的情况，将输入变量中源水温度作为全局变量，源水流量和源水浊度作为 局部变量，加矾流量作为输出变量，提出了应用分层模糊控制器来实现混凝剂的最佳投加。 第五章主要考虑实际情况，由于各方面条件的限制，无法将模糊控制得到的加药量用于实 际的混凝投药这一过程。因此，采用神经网络建立的模型来对模糊控制系统所得到的加药 量进行仿真验证。第六章在阿馈型模糊控制器的仿真基础上，以沉淀水浊度偏差和浊度偏 差变化率为输入、加矾流量变化为输出，设计了反馈型模糊控制器，并用神经网络模型对 其仿真结果加以验证。 本文的主要研究内容有： ( 1 ) 在比较短的时问内，源水温度和p h 值变化不大，这对以绿矾作为混凝剂的水处 理工艺来说影响是很小的。因此可以以源水流量和源水浊度作为输入变量，加矾流量作为 输出变量，用前馈型模糊控制器来实现对加矾流量的控制。利用所建立的混凝投药模糊控 制器对该水厂的实测数据进行了仿真，取得了较为满意的结果。 ( 2 ) 在比较长的时间里，源水温度变化比较大，但源水p h 值变化依然不大。针对这 8 第一章绪论 江苏人学t 程硕 。学位论文 种情况，本文将输入变量中源水温度作为全局变量，源水流量和源水浊度作为局部变量， 加矾流量作为输出变量，提出了应用分层模糊控制器来实现混凝剂的最佳投加。仿真结果 表明该方法是一种简单有效的改进方法，能很好的适用于混凝投药这一复杂过程，能对加 药量进行很好的控制。 ( 3 ) 由于混凝投药的最终目的是使沉淀水浊度在规定范围内，但是由于各方面条件的 限制，无法将模糊控制得到的加药量用于实际的混凝投药这一过程。因此，本文采用神经 网络建立的模型来对模糊控制系统所得到的加药量进行仿真验证。仿真结果显示模糊控制 所得到的加药量能使沉淀水浊度满足水厂规定要求。 ( 4 ) 考察通过神经网络模型仿真得到的沉淀水浊度，在前馈型模糊控制器的基础上， 以浊度偏差和浊度偏差变化率作为输入、加矾流量变化作为输出，建立了反馈型模糊控制 器，用神经网络建立的模型对反馈型模糊控制器的仿真结果进行了验证，结果表明反馈型 模糊控制器能将沉淀水浊度控制在一个比较小的允许范围内，进一步证明了模糊控制器对 水厂混凝投药过程的适用性与有效性。 第二章智能拧制理论简介江苏人学t 程硕i 学位论文 2 1 智能控制的定义 第二章智能控制理论简介 自从美国数学家维纳于2 0 世纪4 0 年代创立控制论以来，随着科学技术突飞猛进的发展， 自动控制理论虽然经历了从经典控制理论到现代控制理论两个重要发展阶段，但是，对于 现代被控对系统的高度复杂性，测量的不确定性，系统动力学特性的不确定性，以及人们 对控制性能指标的要求越束越高，基于精确模型的传统控制理论受得了严峻的挑战。“。 在处理复杂系统控制问题时，传统的控制理论对于复杂性所带来的问题，总是力图突 破旧的模式，以适应社会对自动化提出的新要求。但是，传统控制理论，包括经典反馈控 制、近代控制和大系统理论等，在应用中遇到不少难题。这些难题包括”小”1 ：( 1 ) 传统控制 系统的设计与分析是建立在己知系统精确数学模型的基础上，而实际系统由于存在复杂性、 非线性、时变性、不确定性和不完全性，一般无法获得精确的数学模型：( 2 ) 研究这类系统 时，必须提出并遵循一些比较苛刻的假设，而这些假设在应用中往往与实际不相吻合：( 3 ) 对于某些复杂的和包含不确定性的对象，根本无法以传统数学模型来表示，即无法解决建 模问题：( 4 ) 为了提高性能，传统控制系统可能变得很复杂，从而增加了设备的初始投资和 维修费用，降低系统的可靠性。 事实上，在科学技术如此发达的今天，人类大脑的高超作用仍是不可忽视的重要因素。 迄今为止，世界上最高级、最有成效的控制器还是人类本身。因为人类具有比任何其他动 物都发达的大脑，人具有处理模糊信息和直觉推理等多种智能。因此，深入研究大脑神经 系统的机制，模拟人脑思维功能，通过多种方式实现对传统控制难以控制的复杂不确定性 系统进行卓有成效的智能控制，是控制理论发展的趋势”“。 因此，世界各国控制理论界也都在探索建立新一代的控制理论，以解决复杂系统的控 制问题。近年来，把传统控制理论与模糊逻辑、专家系统、神经网络、遗传算法等人工智 能技术相结合，充分利用人类的控制知识对复杂系统进行控制，逐渐形成了智能控制理论 的雏形。以1 9 8 7 年召开的第一届智能控制国际会议为标志，智能控制已经丌始成为一门新 的学科恤“。 智能控制( i n t e l l i g e n tc o n t r o l i c ) 是一门新兴的理论和技术。1 9 6 7 年l e o n d e s s d m e n d e l 在他们的“人工智能控制”技术报告中正式使用“智能控制”一词”“。它是传统 控制发展的高级阶段，是人工智能和自动控制的重要部分和研究领域，并被认为是通向自 主机器递阶道路上自动控制的顶层。“1 。它主要用来解决那些传统方法难以解决的复杂系 统的控制问题，并且能够达到所期望的目标。 智能控制按照付京孙和s a r i d i s 提出的观点，即把智能控制看成自动控制、运筹学和人 1 0 第一章智能张制理论简介 江苏人学t 程硕卜学位论文 工智能三个主要学科的结合物”“。这种观点给出了智能控制的含义，智能控制就是应用人 工智能的理论和技术及运筹学的优化方法同控制理论方法和技术相结合，在未知环境下， 效仿人类的智能，实现对系统的控制。 智能与控制的概念具有紧密的联系，控制是智能系统必不可少的一部分，在工程领域 有时就以“智能控制系统”代替“智能系统”或“智能机”。 智能控制是一有效的计算机程序，这个程序指引一个未充分表示的复杂系统，在没有 充分说明怎样作的情况下达到目标。即在一不确定的情况中做出适当的行为。关于智能控 制可以给出下述定义u “： 一种控制方式或一个控制系统，如果它能够有效地克服被控对象( 过程) 和环境所具 有的高度复杂性和不确定性，并且能够达到所期望的目标，那么这种控制方式为智能控制， 称这样的控制系统为智能控制系统。 ， 2 2 智能控制的研究对象 智能控制应该称为智能信息反馈控制，按照这样的观点，智能控制中的基本要素为： 智能信息、智能反馈、智能决策“。 智能控制主要应用于以下情况”： ( 1 ) 实际系统由于存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性等，一般无法 获得精确的数学模型。 ( 2 ) 应用传统控制进行控制必须提出并遵循一些比较苛刻的线性化假设，而这些假设 在应用中往往与实际情况不相吻合。 ( 3 ) 对于某些复杂的和包含不确定性的控制过程，根本无法用传统的数学模型来表示， 也就是说无法解决建模问题。 ( 4 ) 为了提高控制性能，传统控制系统可能变得很复杂，从而增加了设备的投资，降 低了系统的可靠性。 智能控制的应用有两方面的含义o ”： 1 采用人工智能的理论方法和技术 广义人工智能包括启发程序模糊控制、专家系统、知识工程、模式识别、自然语言理 解、人工神经网络、遗传算法等有关的理论、方法和技术，是智能自动化的技术基础。 2 具有拟人智能的特性和功能 人是至今所知的智能水平最高的生物，因此智能控制系统应当具有某些拟人的智能特 性或功能，象自适应、自学习、自校正、自组织、自诊断、自修复、自繁殖等。这可作为 衡量是不是智能化装置、设备、系统的性能标准。 第一二章智能栉制理论简介 江筇人学t 狂硕f 一学位论义 2 3 智能控制的特点 传统的控制理论( 包括古典的和近代的) 主要涉及对与伺服机构有关的系统或装置进行 操作与数学运算，而人工智能所关心的则主要与符号运算及逻辑推理有关。因此，智能控 制具有自己的特点，其特点归纳如下”“o ”3 ： ( 1 ) 同时具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制过程。也往 往是那些含有复杂性、不完全性、模糊性或不确定性以及不存在已知算法的非数字过程， 并以知识进行推理，以启发来引导求解过程。因此，智能控制系统的设计重点不在常规控 制器上，而在智能机模型上。也就是说，重点放在对任务和世界模型的描述、符号和环境 的识别以及知识库和推理机的设计丌发上。 ( 2 ) 智能控制的核心在高层控制，即组织级。高层控制的任务在于对实际环境或过程 进行组织，即决策和规划，实现广义问题求解。为了实现这些任务，需要采用符号信息处 理、启发式程序设计、知识表示以及自动推理和决策等相关技术。这些问题的求解过程与 人脑的思维过程具有一定相似性，即具有不同程度的“智能”。 ( 3 ) 智能控制是一门边缘交叉学科。智能控制的发展需要各相关学科的配合与支援， 同时也要求智能控制师是个知识工程师。 ( 4 ) 智能控制是一个新兴的研究领域。无论在理论上或实践上它都还很不成熟、很不 完善，需要进一步探索与开发。 2 4 智能控制系统的类型 智能控制的类型比较多，但一般可归纳为以下十种类型“： ( 1 ) 多级递阶智能控制 ( 2 ) 基于知识的专家控制 ( 3 ) 基于模糊逻辑的智能控制模糊控制 ( 4 ) 基于神经网络的智能控制神经控制 ( 5 ) 基于规则的仿人智能控制 ( 6 ) 基于模式识别的智能控制 ( 7 ) 多模变结构智能控制 ( 8 ) 学习控制和自学习控制 ( 9 ) 基于可拓逻辑的智能控制可拓控制 ( 1 0 ) 基于混沌理论的智能控制混沌控制 上述许多智能控制方法可以与传统的控制，! h p i d 控制、s m i t h 控制等相结合，或者两 种多种不同的智能控制方法互相结合，形成多种新的控制方式。 第二章智能拧制理论简介 江苏大学t 程硕卜学位论文 随着社会的发展，控制学科所面l 临的控制对象的复杂性、环境的复杂性、控制目标的 复杂性日益突出，智能控制的研究正提供了解决这类问题的有效手段。近年来，智能控制 技术在国内外已经有了较大的发展，已进入工程化、使用化的阶段。但作为一门新兴的理 论技术，它还处在一个发展时期。然而，随着人工智能技术、计算机技术的迅速发展，智 能控制必将迎来它的发展新时期。 第三章模糊拧制器稿：混凝投药优化过程中的心用江苏人学丁程硕i ：论文 第三章模糊控制器在混凝投药优化过程中的应用 3 1 模糊控制理论简介 3 1 1 模糊控制的发展历史 模糊逻辑控制器( f u z z yl o g i cc o n t r o l l e r ) 简称为模糊控制器。 美国加利福尼亚大学扎德( l a z a d e h ) 教授于2 0 世纪6 0 年代引入了模糊逻辑，以表示 并利用模糊的和不确定的知识。在他的不相容原理一书中，有如下的论述1 ： “随着系统的复杂程度不断提高，人们对其精确而有意义地描述的能力不断的降低， 以至在达到某一个阂值之后，系统的精确性和复杂性之间呈现出几乎是相互完全排斥的性 质。”“一个人看事物越近，所得的结论越模糊。” 因此他认为，应当引入一种新的方法，使新开发的同趋复杂的系统能够具有“人情味”。 1 9 6 5 年，他在( f u z z ys e t s ) ) 一书中首次提出了“模糊集合”的概念；1 9 7 3 年，他又进一 步研究了模糊语言处理，提出了用模糊语言进行系统描述的方法，给出了模糊推理的理论 基础，为描述和处理事物的模糊性和系统中的不确定性，为模拟人的模糊逻辑思维功能， 提供了强有力的工具；1 9 7 4 年，英国学者马丹尼( e h m a m d a n i ) 和他的学生在q u e e n m a r r y 学院首次把模糊语言逻辑应用于过程控制，实现了蒸汽发动机的模糊控制实验。自此模糊 逻辑在控制工程中的应用得到了迅速发展”“”汹1 。 同许多人工智能算法一样( 模糊逻辑也可被视为一种人工智能技术) ，模糊逻辑最初应 用到那些由人束执行显然毫不费力但对基于传统算法的方法而占却很困难的课题上，例如 语音识别、部分模式匹配、视觉数据分析等等。模糊逻辑的发展是由于人们需要一种不完 全、不确定信息做出决定的方法而被激发的，但模糊产品应用最多的领域则是工程系统啪1 。 2 0 世纪7 0 年代，大量的静态模糊控制器被开发出来，并生产出第一个能够改变其规 则以提高性能的自组织模糊控制器。1 9 8 0 年丌始了模糊控制在应用领域的研究。2 0 世纪 8 0 年代后，日本和东亚许多电子和自动化公司丌始对模糊控制感兴趣，在此后及2 0 世纪 9 0 年代早期，大量的基于模糊控制的消费产品问世，例如洗衣机、空调器、驾驶操作系统 等。这些家电产品在节约资源、方便使用以及使用效果方面更富有“人情昧”，也更符合人 的实际生活。与此同时，各种各样的工业模糊控制系统也被研制成功，例如各种熔炉、电 气炉以及水泥生产炉的控制系统、核能发电供水系统，金属板成形控制系统、汽车的控制 系统、机器人控制系统，以及航空、通讯领域的专家系统等。这些系统中的大部分是静态 的，而且这些模糊系统的成功主要来源于模糊逻辑在表示和操作上的模糊性。在这当中， 专家知识被用以生成复杂的非线性控制界面“”啪h 删。 模糊理论于2 0 世纪7 0 年代后期才引入我国。1 9 8 1 年，我国创办了当时世界上第二个 专门刊物模糊数学，即后来的模糊系统与数学。1 9 8 2 年，我国成立了全国模糊系统 第 二章模糊拧制 | “混凝投药优化过程中的心用江苏人学t 程坝i 论文 与数学学会。目i i i 许多高等院校已开设了模糊数学课程，相继建立了硕士点、博士点。z a d e h 不止一次地评价中国的模糊理论与应用研究队伍属于国际四支劲旅之一1 。 3 1 2 模糊控制系统的基本结构 模糊控制属于计算机数字控制的一种形式，因此，模糊控制系统的组成类同于一般的 数字控制系统”“，其方框图如同3 1 所示。 图3 1 模糊控制系统框图 模糊控制系统一般可以分为四个组成部分m 2 引1 ： ( 1 ) 模糊控制器 它是整个系统的核心，实际上是一台微处理机，根据控制系统的需要，既可以选用系 统机，也可以选用单板机或单片机。模糊控制器主要完成输入量的模糊化、模糊关系运算、 模糊决策以及决策结果的非模糊化等重要过程。 ( 2 ) 输入输出接口装置 主要包括a d 、d a 以及开关量等接口装置。用于将从被控对象获取的模拟量转化为计 算机能够接受的数字量，并将控制器输出的数字量转化为模拟量送给执行机构去控制被控 对象。 ( 3 ) 广义对象 包括被控对象及执行机构，执行机构本身就是一个对象，具有自身的特性。被控对象 即实际的生产过程对象，可以是线性或非线性的、定常或时变的，也可以是单变量或多变 量的、有时滞或无时滞的以及有强干扰的多种情况。 ( 4 ) 传感器 传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号( 模拟的或数字的) 的一种 装置，因为被控量往往是非电量，如温度、压力、流量、浓度、湿度、浊度等。传感器在 模糊控制系统中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影响整个控制系统的精度