水处理药剂投加模糊智能控制系统的制作方法

专利名称：水处理药剂投加模糊智能控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于 一种水处理领域，特别是一种水处理药剂投加模糊智能 控制系统。
背景技术：
随着人们对自来水水质要求的提高，对自来水厂的净化处理工艺提 出了更高的要求，加药的效果对于出厂水的水质有决定性^/影响，因此 加药过程的自动控制是非常重要的。它不但能保证自来水的水质，而且 可降低药耗，减少能耗，从而节约成本。
在国外，尤其是西方发达国家，环境保护较好，水源状况好，水质 变化小，因此实现混凝加药控制自动相对较易， 一些地方简单的比值控 制就能达到较好的效果。现在一般采用基于流动电流的加药自动控制系 统。
在我国，由于我国各地间原水水质普遍较差，且普遍受到较严重的 污染，水质因污染变化较大，使得对7jC质的精确检测和投药量的控制变 得较难。九十年代前后各间水厂陆续采用了多种加药控制系统。目前， 全国采用过的加药自动控制方法有数学模型法、模拟法、流动电流法、
透光脉动法、FCD图像识别法等。
流动电流检测仪是利用水厂原有的流动电流检测系统和在线原水电 导率检测仪，研究电导率与流动电流之间的相关关系，,人而使流动电流 参数能用来作模糊专家控制数据的快速完善的反馈参数。由于我国各地 间原水水质普遍较差，且普遍受到较严重的污染，水质因污染变化较大， 因此对流动电流检测仪的电极污染影响较大，造成难以准确检测流动电 流， 无法作出正确反应。矾花监控系统(FCD图像识别法)，通过图像采集和效果分析，充 分与专家讨论研究后建立一个矾花图象标准库系列，研究和开发一套图 像分析软件，对实时的矾花图像进行分析处理，得出一个判断混凝效果 好坏的综合指标，提供给PLC系统作为模糊专家控制系统的一个反馈信 号，改善其反馈系统和反馈时间。达到能对水质变化起到快速反应，迅 速达到最优化点，从而节约原材料，确保水质安全。另一方面可提供给 值班人员有个直观的判断，在远程手动控制时能方^f更的调控投药系统， 保证安全供水。但由于水下摄像受流速、浊度、镜头等因素影响，实际 应用效果并不理想。
考虑到净水加工的可靠性以及降低电耗、药井毛等问题，采用自动控 制系统已成为水厂提高管理水平的有效手段。混凝剂投加是净水工艺的 重要环节，传统的生产实践中采用人工投加方式，随着水暈、水质、气 候等因素的变化，投加的合理性、准确性无法保证，直接影响了水厂供 水的安全、优质和低耗。
长期以来，人们在从事工业过程控制中的理论研究和实践应用中发 现，实际控制对象存在着下列问题用传统的PID控制办法难以有效解决， 这些问题是
(1) 在被控制对象的时滞性、非线性、高阶次和时变性特征表现较 为突出的情况下，系统的控制品质难以提高。
(2) 在不同幅度的控制激励作用下，被控制系统对控制激励的响应 特征不同，并且随工况的变化而变化；加上系统的非线性影响，就使得 控制过程变得更为复杂了。
(3) 由于被控对象的工作是处在各种复杂的、明确的或不明确的物 理场、化学场的作用下，因而被控制对象的扰动因素复杂，且扰动原因 不明。(4)特别对于一些被控对象的过程机理、扰动机理、耦合机理关系 不完全明确，对一些过程的提取并青度不够高或者噪声污染严重、不够清 晰时，控制系统的可靠性会显著下降。
而水处理行业的药剂投加(加矾)控制过程，就表现出随机、模糊、 大滞后、非线性、强耦合的特性、检测条件较为粗糙、很难找到精确的 数量关系，难以建立精确的数学模型。因此， 一直以来，如何有效控制 药剂的投加，在提高水质的同时，准确投加药剂，节约投资， 一直是困 扰水处理行业的 一个问题。

发明内容
本发明的目的是提供一种确定最佳搡作增量的水处理药剂投加模糊 智能控制系统，以克服上述的不足。
为了实现上述目的，本发明所采用的方法是首先根据被控对象目 前的状态和操作量，在线建立被控对象的预测模型，以此模型对维持当 前操作量的控制结果进行预报，在控制目标评价中，再依据被控对象的 当前状态和预报结果，对系统的控制效果进行评价并产生调整模糊控制 权重的结果，模糊控制即可依此确定最佳操作增量。
本发明由中央处理单元(MCU)，人机交互系统和信号系统构成，其 特点是中央处理单元是整个系统的核心，完成模糊智能控制算法的运 行，数据存储和发出控制信号；人机交互系统是人机交互的界面，主要 功能是完成控制参数的设置和修改，参数的显示；信号系统是控制系统 与外界交换数据的接口，读如所需要的外部信号数据，将控制信号送到 执行机构。
本发明在解决水处理药剂投加控制过程中的非线性、时变性、大滞 后、强耦合、变结构、约束条件苛刻等复杂控制问题中采^预测模糊控 制算法具有重要的意义在于1. 突破了传统的控制理论提出的关于建立被控制对象数学模型的常 规思路，而是把实际的被控系统看成是具有新陈代谢过程、不断演化着 的、运动着的实体，采用对被控对象动态趋势或因果关系信息的独特方 式来处理，以达到把系统动态规律逐渐清晰、逐渐白化的目的，并通过 掌握的规律按某种预定的准则去改善系统的动态特性，使系统的调节品 质获得提高。显然，这些不仅是目前控制理论研究领域的高技术前沿， 而且也是对目前控制工程应用领域具有重大意义。
2. 探索了被控对象运动趋势及因果之间的相互关系和对其发展势进 行预测的途径，提出了运用预测模糊控制理论的建模原理，去直接建立 运动势态的因果关系的辨识预测模型的新思路，这完全不同于常规的"激 励-结果"模型控制的做法，也不同于常规的"事后控制"4莫式的全新控 制思想，这对于解决控制理论中不可回避的高阶次、大时滞等问题，是 一个新的有效的途径。而且，对于减少系统的调节过程的超调量，缩短 系统调节过程时间和提高系统调节过程稳定性是一种更为简便、更可靠 的新方法。
3. 由于预测模糊控制器采用了分区间建立被控对象动态低阶灰微分 方程和运用新息滚动以逼近对象整体的高阶复杂数学模型的做法，这是 一个具有很大意义的首创，它使得在工程上实现诸如最优控制等优秀控 制策略变得容易了，同时预测模糊控制器优势还在于立足于采用"多 变量去余动态预测控制方程"、"目标盈亏率决策^f莫型"来实现对被控 对象的动态趋势预测控制和各变量间的关联解耦预测控制，以解决被控 对象在过渡过程中难以跨越的时变性、非线性、高阶次、大时滞带来的 问题，以解决被控对象模型参数的时变飘移问题，以解决控制系统的鲁 棒特性问题，从而取得理想的调节品质，或更为简便的实现方法，或更 稳定的系统性能，或具有更高精度的参数指标等。因而，预测模糊控制器有着相当显然的应用方面的实用性和先进性。
由于加矾过程具有大滞后、大惯性的特征，同时还受到原水水质(主
要是浊度)、水量、水温和pH值等多种因素的影响，采用基于PID的控 制算法，无法有效地克服大滞后过程带来的控制难点，控制器参数的整 定十分困难，自动控制效果不够理想。如何克服上述不利因素，实现投 药工艺良好的动态调节，进而将制水自动化生产提高到一个的新水平， 是摆在水处理行业面前需要解决的课题。基于对水厂净水工艺的考察， 本发明对沉淀池实施浊度闭环控制。在已知原水浊度、进水流量、沉淀 出水浊度三个检测参数基础上，通过预测模糊控制在线寻优，输出信号 控制变频计量泵的加矾量，使沉淀池出水浊度稳定在一定的范围内，从 而达到自动投药，实现加矾系统无人操作。并且在保证沉淀出水达标的 情况下合理降低加药量，节约生产成本、降低工人劳动强度，提高经济 效益及自来水生产企业的全厂控制水平都有着重要的意义。由于我国幅 员辽阔，自来水和污水处理厂众多，水处理药剂添加模糊智能控制系统 具有非常广阔的应用前景和市场前景。


图1为本发明原理框图。
图2为本发明预测建模型流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
本发明预测模型利用线性建模方法，建立被控对象模型的历史比较 悠久，在这一方面已有很成熟的方法，但其核心均是基于对象的输入-输 出 一一对应的二元建模方法，在实际应用于工业过程控制时，则存在一些 弊端，本发明所提出的预测模则是建立起被控对象的行为动态模型，它 能克服二元建模方法存在的不足，具体而言1、 预测模型是基于系统发展变化的超前预测，并具有较高准确度；
2、 预测模型是采样瞬态建模，其工作过程是每采集一个新数据，便建 立一个新模型，更新一组模型参数，所以基于预测模型的控制过程也就是 不断采集数据、不断建模、不断更新参数、不断预测、不断提高新模型 下的预测值适用性的过程，这实际上是用模型参数的不断更新，来适应行 为的不断变化、环境的不断干扰、噪音的不断影响，所以预测模型有较强 的适应性；
3、 预测建模是少数据建模， 一般只需5个以内的数据，是数据的新陈 代谢模型，数据的新鲜性得以保证，当采用单片机进行建模时， 一般建模 所需时间在15ms以内，因此,是实时建^H
4、 预测模型是单变量、多变量兼容的，这就是说预测的结果应用于 控制时，可以用在单变量系统，也可用在多变量系统，这种兼容性是系统 行为的表征，因为引起系统行为变化的因素很多，可能由于"控制"或由 于"噪音".也可能是由于系统中别的变量耦合的影响，在基于模型实施控 制时，我们可只注意行为变量的变化而不去追究引起这种变化的前因， 所以将预测建^f莫方法51入模糊控制时，单变量和多变量是兼容的，或者说 具备很强的关联解耦能力。
总之，基于预测的模糊控制是后果控制，是针对被控系统行为表征的 超前控制，不需要追究引起行为变化的多种原因，不必将系统的控制行为 与噪音加以分离，不必处置复杂的随机过程，因此控制大为简化，这一点 对传统的模糊控制设计而言，则是相当复杂的多变量输入输出设计。预测 建模可用流程图表示(见图2)。
在控制目标评价中，采用了模糊技术的隶属度函数概念，通过"控制 目标评价，，，在观测时段内建立起对被控对象行为趋势预报结果和系统当 前行为的概念，其基本工作过程为① 在一定的观测时段内，基于预测模型对被控系统行为的高精度预 报，与给定的控制目标进行比较，获得被控系统未来将处于"单调变化"、
"振荡调节"和"稳定调节"等模糊概念的隶属度；
② 在相同的观测时段内，根据^皮控系统当前的行为状态，与给定的控 制目标进行比较，获得被控系统当前所处"单调变化"、"振荡调节" 和"稳定调节"等才莫糊概念的隶属度。
因此，上述控制目标评价的形成结果是基于预报和系统当前行为确 立的二维结果，在当前控制结构参数不作调整情形下，系统未来趋势发展
的预测特性，以及当前状态特性，所得结论是调节过程典型特征的抽象， 不直接针对系统当前状态进行逻辑规则推理而直接干预控制输出，其评 价过程即具备了对不同系统的普遍适应性，克服了传统模糊控制中隶属 度函数难以确定的因难。
模糊推理在模糊规则的基础上，根据控制目标评价的二维结果，决定 控制算法中权重的调整，为保证调整的收敛，其调整范围是有界调整，其 中模糊规则的建立，采用了 if-then结构，如
— 如果系统状态单调变化，预测状态也处于单调变化，则状态权重增加， 预测一又重减小；
如果系统状态单调变化，预测结果为振荡调节，则状态权重稍减小， 预测权重不变；依此类推。
按上述规则模式，可得到一个二维三变量输入、二变量输出的模糊控 制规则表,模糊推理即可依控制规则表自动依据系统当前状态和预测状 态进行控制权重的调整，并由此形成白化后权重输出，实际控制输出则是 根据系统状态和预测值与控制目标的偏差，以及上述形成的权重系数，产 生对当前操作量的修改增量，最终得到白化控制输出去操作被控对象。
综上所述，将预测模型、控制目标评价和模糊推理与控制三方面有机结合，即可形成预测模糊控制算法。通过引入预测技术建立被控系统 的模型后，在较高层次上，应用模糊技术手段实时调整控制权重，即可 避免对具体被控对象的经验规则的获取，也不需针对特定对象确定隶属 度函数和模糊控制规则的繁瑣工作，这样形成的预测模糊控制单元可具
备普遍的适用性。它最大的优势在于克服模糊控制器的三大难题其一 是从各种传感器得到的数据有时很难用Fuzzy规则加以描述。特别是当 输入输出量较多时，不易抽出经验规律，而且输入输出值之间虽有关系， 但却不容易定性来表达；其二是隶属函数和Fuzzy不具有自学习功能， 只能靠大量的数据测量及分析来得到；其三是Fuzzy控制系统不能正常 工作时，很难判断是Fuzzy推理规则的问题还是隶属度函数的问题。
权利要求
1、一种水处理药剂投加模糊智能控制系统，所采用的方法是首先根据被控对象目前的状态和操作量，在线建立被控对象的预测模型，以此模型对维持当前操作量的控制结果进行预报，在控制目标评价中，再依据被控对象的当前状态和预报结果，对系统的控制效果进行评价并产生调整模糊控制权重的结果，模糊控制即可依此确定最佳操作增量。
2、如权利要求l所述的水处理药剂投加模糊智能控制系统，其 特征在于由中央处理单元(MCU)，人机交互系统和信号系统构成，其 特点是中央处理单元是整个系统的核心，完成模糊智能控制算法的运 行，数据存储和发出控制信号；人机交互系统是人机交互的界面，主要 功能是完成控制参数的设置和修改，参数的显示；信号系统是控制系统 与外界交换数据的接口，读如所需要的外部信号数据，将控制信号送到 执行机构。
全文摘要
本发明涉及一种水处理药剂投加模糊智能控制系统，所采用的方法是首先根据被控对象目前的状态和操作量，在线建立被控对象的预测模型，以此模型对维持当前操作量的控制结果进行预报，在控制目标评价中，再依据被控对象的当前状态和预报结果，对系统的控制效果进行评价并产生调整模糊控制权重的结果，模糊控制即可依此确定最佳操作增量。由于我国幅员辽阔，自来水和污水处理厂众多，本发明具有非常广阔的应用前景和市场前景。
文档编号B01D21/32GK101301538SQ200710052138
公开日2008年11月12日 申请日期2007年5月10日 优先权日2007年5月10日
发明者军 宋, 李文华, 王昭松 申请人:武汉华凯科技有限公司