專利名稱：水處理藥劑投加模糊智能控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于 一種水處理領(lǐng)域，特別是一種水處理藥劑投加模糊智能 控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著人們對自來水水質(zhì)要求的提高，對自來水廠的凈化處理工藝提 出了更高的要求，加藥的效果對于出廠水的水質(zhì)有決定性^/影響，因此 加藥過程的自動控制是非常重要的。它不但能保證自來水的水質(zhì)，而且 可降低藥耗，減少能耗，從而節(jié)約成本。
在國外，尤其是西方發(fā)達(dá)國家，環(huán)境保護(hù)較好，水源狀況好，水質(zhì) 變化小，因此實現(xiàn)混凝加藥控制自動相對較易， 一些地方簡單的比值控 制就能達(dá)到較好的效果?，F(xiàn)在一般采用基于流動電流的加藥自動控制系 統(tǒng)。
在我國，由于我國各地間原水水質(zhì)普遍較差，且普遍受到較嚴(yán)重的 污染，水質(zhì)因污染變化較大，使得對7jC質(zhì)的精確檢測和投藥量的控制變 得較難。九十年代前后各間水廠陸續(xù)采用了多種加藥控制系統(tǒng)。目前， 全國采用過的加藥自動控制方法有數(shù)學(xué)模型法、模擬法、流動電流法、
透光脈動法、FCD圖像識別法等。
流動電流檢測儀是利用水廠原有的流動電流檢測系統(tǒng)和在線原水電 導(dǎo)率檢測儀，研究電導(dǎo)率與流動電流之間的相關(guān)關(guān)系，,人而使流動電流 參數(shù)能用來作模糊專家控制數(shù)據(jù)的快速完善的反饋參數(shù)。由于我國各地 間原水水質(zhì)普遍較差，且普遍受到較嚴(yán)重的污染，水質(zhì)因污染變化較大， 因此對流動電流檢測儀的電極污染影響較大，造成難以準(zhǔn)確檢測流動電 流， 無法作出正確反應(yīng)。礬花監(jiān)控系統(tǒng)(FCD圖像識別法)，通過圖像采集和效果分析，充 分與專家討論研究后建立一個礬花圖象標(biāo)準(zhǔn)庫系列，研究和開發(fā)一套圖 像分析軟件，對實時的礬花圖像進(jìn)行分析處理，得出一個判斷混凝效果 好壞的綜合指標(biāo)，提供給PLC系統(tǒng)作為模糊專家控制系統(tǒng)的一個反饋信 號，改善其反饋系統(tǒng)和反饋時間。達(dá)到能對水質(zhì)變化起到快速反應(yīng)，迅 速達(dá)到最優(yōu)化點，從而節(jié)約原材料，確保水質(zhì)安全。另一方面可提供給 值班人員有個直觀的判斷，在遠(yuǎn)程手動控制時能方^f更的調(diào)控投藥系統(tǒng)， 保證安全供水。但由于水下攝像受流速、濁度、鏡頭等因素影響，實際 應(yīng)用效果并不理想。
考慮到凈水加工的可靠性以及降低電耗、藥井毛等問題，采用自動控 制系統(tǒng)已成為水廠提高管理水平的有效手段?；炷齽┩都邮莾羲に嚨?重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的生產(chǎn)實踐中采用人工投加方式，隨著水暈、水質(zhì)、氣 候等因素的變化，投加的合理性、準(zhǔn)確性無法保證，直接影響了水廠供 水的安全、優(yōu)質(zhì)和低耗。
長期以來，人們在從事工業(yè)過程控制中的理論研究和實踐應(yīng)用中發(fā) 現(xiàn)，實際控制對象存在著下列問題用傳統(tǒng)的PID控制辦法難以有效解決， 這些問題是
(1) 在被控制對象的時滯性、非線性、高階次和時變性特征表現(xiàn)較 為突出的情況下，系統(tǒng)的控制品質(zhì)難以提高。
(2) 在不同幅度的控制激勵作用下，被控制系統(tǒng)對控制激勵的響應(yīng) 特征不同，并且隨工況的變化而變化；加上系統(tǒng)的非線性影響，就使得 控制過程變得更為復(fù)雜了。
(3) 由于被控對象的工作是處在各種復(fù)雜的、明確的或不明確的物 理場、化學(xué)場的作用下，因而被控制對象的擾動因素復(fù)雜，且擾動原因 不明。(4)特別對于一些被控對象的過程機(jī)理、擾動機(jī)理、耦合機(jī)理關(guān)系 不完全明確，對一些過程的提取并青度不夠高或者噪聲污染嚴(yán)重、不夠清 晰時，控制系統(tǒng)的可靠性會顯著下降。
而水處理行業(yè)的藥劑投加(加礬)控制過程，就表現(xiàn)出隨機(jī)、模糊、 大滯后、非線性、強(qiáng)耦合的特性、檢測條件較為粗糙、很難找到精確的 數(shù)量關(guān)系，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。因此， 一直以來，如何有效控制 藥劑的投加，在提高水質(zhì)的同時，準(zhǔn)確投加藥劑，節(jié)約投資， 一直是困 擾水處理行業(yè)的 一個問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種確定最佳搡作增量的水處理藥劑投加模糊 智能控制系統(tǒng)，以克服上述的不足。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的方法是首先根據(jù)被控對象目 前的狀態(tài)和操作量，在線建立被控對象的預(yù)測模型，以此模型對維持當(dāng) 前操作量的控制結(jié)果進(jìn)行預(yù)報，在控制目標(biāo)評價中，再依據(jù)被控對象的 當(dāng)前狀態(tài)和預(yù)報結(jié)果，對系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行評價并產(chǎn)生調(diào)整模糊控制 權(quán)重的結(jié)果，模糊控制即可依此確定最佳操作增量。
本發(fā)明由中央處理單元(MCU)，人機(jī)交互系統(tǒng)和信號系統(tǒng)構(gòu)成，其 特點是中央處理單元是整個系統(tǒng)的核心，完成模糊智能控制算法的運 行，數(shù)據(jù)存儲和發(fā)出控制信號；人機(jī)交互系統(tǒng)是人機(jī)交互的界面，主要 功能是完成控制參數(shù)的設(shè)置和修改，參數(shù)的顯示；信號系統(tǒng)是控制系統(tǒng) 與外界交換數(shù)據(jù)的接口，讀如所需要的外部信號數(shù)據(jù)，將控制信號送到 執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明在解決水處理藥劑投加控制過程中的非線性、時變性、大滯 后、強(qiáng)耦合、變結(jié)構(gòu)、約束條件苛刻等復(fù)雜控制問題中采^預(yù)測模糊控 制算法具有重要的意義在于1. 突破了傳統(tǒng)的控制理論提出的關(guān)于建立被控制對象數(shù)學(xué)模型的常 規(guī)思路，而是把實際的被控系統(tǒng)看成是具有新陳代謝過程、不斷演化著 的、運動著的實體，采用對被控對象動態(tài)趨勢或因果關(guān)系信息的獨特方 式來處理，以達(dá)到把系統(tǒng)動態(tài)規(guī)律逐漸清晰、逐漸白化的目的，并通過 掌握的規(guī)律按某種預(yù)定的準(zhǔn)則去改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品 質(zhì)獲得提高。顯然，這些不僅是目前控制理論研究領(lǐng)域的高技術(shù)前沿， 而且也是對目前控制工程應(yīng)用領(lǐng)域具有重大意義。
2. 探索了被控對象運動趨勢及因果之間的相互關(guān)系和對其發(fā)展勢進(jìn) 行預(yù)測的途徑，提出了運用預(yù)測模糊控制理論的建模原理，去直接建立 運動勢態(tài)的因果關(guān)系的辨識預(yù)測模型的新思路，這完全不同于常規(guī)的"激 勵-結(jié)果"模型控制的做法，也不同于常規(guī)的"事后控制"4莫式的全新控 制思想，這對于解決控制理論中不可回避的高階次、大時滯等問題，是 一個新的有效的途徑。而且，對于減少系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程的超調(diào)量，縮短 系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程時間和提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定性是一種更為簡便、更可靠 的新方法。
3. 由于預(yù)測模糊控制器采用了分區(qū)間建立被控對象動態(tài)低階灰微分 方程和運用新息滾動以逼近對象整體的高階復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的做法，這是 一個具有很大意義的首創(chuàng)，它使得在工程上實現(xiàn)諸如最優(yōu)控制等優(yōu)秀控 制策略變得容易了，同時預(yù)測模糊控制器優(yōu)勢還在于立足于采用"多 變量去余動態(tài)預(yù)測控制方程"、"目標(biāo)盈虧率決策^f莫型"來實現(xiàn)對被控 對象的動態(tài)趨勢預(yù)測控制和各變量間的關(guān)聯(lián)解耦預(yù)測控制，以解決被控 對象在過渡過程中難以跨越的時變性、非線性、高階次、大時滯帶來的 問題，以解決被控對象模型參數(shù)的時變飄移問題，以解決控制系統(tǒng)的魯 棒特性問題，從而取得理想的調(diào)節(jié)品質(zhì)，或更為簡便的實現(xiàn)方法，或更 穩(wěn)定的系統(tǒng)性能，或具有更高精度的參數(shù)指標(biāo)等。因而，預(yù)測模糊控制器有著相當(dāng)顯然的應(yīng)用方面的實用性和先進(jìn)性。
由于加礬過程具有大滯后、大慣性的特征，同時還受到原水水質(zhì)(主
要是濁度)、水量、水溫和pH值等多種因素的影響，采用基于PID的控 制算法，無法有效地克服大滯后過程帶來的控制難點，控制器參數(shù)的整 定十分困難，自動控制效果不夠理想。如何克服上述不利因素，實現(xiàn)投 藥工藝良好的動態(tài)調(diào)節(jié)，進(jìn)而將制水自動化生產(chǎn)提高到一個的新水平， 是擺在水處理行業(yè)面前需要解決的課題。基于對水廠凈水工藝的考察， 本發(fā)明對沉淀池實施濁度閉環(huán)控制。在已知原水濁度、進(jìn)水流量、沉淀 出水濁度三個檢測參數(shù)基礎(chǔ)上，通過預(yù)測模糊控制在線尋優(yōu)，輸出信號 控制變頻計量泵的加礬量，使沉淀池出水濁度穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，從 而達(dá)到自動投藥，實現(xiàn)加礬系統(tǒng)無人操作。并且在保證沉淀出水達(dá)標(biāo)的 情況下合理降低加藥量，節(jié)約生產(chǎn)成本、降低工人勞動強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì) 效益及自來水生產(chǎn)企業(yè)的全廠控制水平都有著重要的意義。由于我國幅 員遼闊，自來水和污水處理廠眾多，水處理藥劑添加模糊智能控制系統(tǒng) 具有非常廣闊的應(yīng)用前景和市場前景。


圖1為本發(fā)明原理框圖。
圖2為本發(fā)明預(yù)測建模型流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
本發(fā)明預(yù)測模型利用線性建模方法，建立被控對象模型的歷史比較 悠久，在這一方面已有很成熟的方法，但其核心均是基于對象的輸入-輸 出 一一對應(yīng)的二元建模方法，在實際應(yīng)用于工業(yè)過程控制時，則存在一些 弊端，本發(fā)明所提出的預(yù)測模則是建立起被控對象的行為動態(tài)模型，它 能克服二元建模方法存在的不足，具體而言1、 預(yù)測模型是基于系統(tǒng)發(fā)展變化的超前預(yù)測，并具有較高準(zhǔn)確度；
2、 預(yù)測模型是采樣瞬態(tài)建模，其工作過程是每采集一個新數(shù)據(jù)，便建 立一個新模型，更新一組模型參數(shù)，所以基于預(yù)測模型的控制過程也就是 不斷采集數(shù)據(jù)、不斷建模、不斷更新參數(shù)、不斷預(yù)測、不斷提高新模型 下的預(yù)測值適用性的過程，這實際上是用模型參數(shù)的不斷更新，來適應(yīng)行 為的不斷變化、環(huán)境的不斷干擾、噪音的不斷影響，所以預(yù)測模型有較強(qiáng) 的適應(yīng)性；
3、 預(yù)測建模是少數(shù)據(jù)建模， 一般只需5個以內(nèi)的數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)的新陳 代謝模型，數(shù)據(jù)的新鮮性得以保證，當(dāng)采用單片機(jī)進(jìn)行建模時， 一般建模 所需時間在15ms以內(nèi)，因此,是實時建^H
4、 預(yù)測模型是單變量、多變量兼容的，這就是說預(yù)測的結(jié)果應(yīng)用于 控制時，可以用在單變量系統(tǒng)，也可用在多變量系統(tǒng)，這種兼容性是系統(tǒng) 行為的表征，因為引起系統(tǒng)行為變化的因素很多，可能由于"控制"或由 于"噪音".也可能是由于系統(tǒng)中別的變量耦合的影響，在基于模型實施控 制時，我們可只注意行為變量的變化而不去追究引起這種變化的前因， 所以將預(yù)測建^f莫方法51入模糊控制時，單變量和多變量是兼容的，或者說 具備很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)解耦能力。
總之，基于預(yù)測的模糊控制是后果控制，是針對被控系統(tǒng)行為表征的 超前控制，不需要追究引起行為變化的多種原因，不必將系統(tǒng)的控制行為 與噪音加以分離，不必處置復(fù)雜的隨機(jī)過程，因此控制大為簡化，這一點 對傳統(tǒng)的模糊控制設(shè)計而言，則是相當(dāng)復(fù)雜的多變量輸入輸出設(shè)計。預(yù)測 建?？捎昧鞒虉D表示(見圖2)。
在控制目標(biāo)評價中，采用了模糊技術(shù)的隸屬度函數(shù)概念，通過"控制 目標(biāo)評價，，，在觀測時段內(nèi)建立起對被控對象行為趨勢預(yù)報結(jié)果和系統(tǒng)當(dāng) 前行為的概念，其基本工作過程為① 在一定的觀測時段內(nèi)，基于預(yù)測模型對被控系統(tǒng)行為的高精度預(yù) 報，與給定的控制目標(biāo)進(jìn)行比較，獲得被控系統(tǒng)未來將處于"單調(diào)變化"、
"振蕩調(diào)節(jié)"和"穩(wěn)定調(diào)節(jié)"等模糊概念的隸屬度；
② 在相同的觀測時段內(nèi)，根據(jù)^皮控系統(tǒng)當(dāng)前的行為狀態(tài)，與給定的控 制目標(biāo)進(jìn)行比較，獲得被控系統(tǒng)當(dāng)前所處"單調(diào)變化"、"振蕩調(diào)節(jié)" 和"穩(wěn)定調(diào)節(jié)"等才莫糊概念的隸屬度。
因此，上述控制目標(biāo)評價的形成結(jié)果是基于預(yù)報和系統(tǒng)當(dāng)前行為確 立的二維結(jié)果，在當(dāng)前控制結(jié)構(gòu)參數(shù)不作調(diào)整情形下，系統(tǒng)未來趨勢發(fā)展
的預(yù)測特性，以及當(dāng)前狀態(tài)特性，所得結(jié)論是調(diào)節(jié)過程典型特征的抽象， 不直接針對系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行邏輯規(guī)則推理而直接干預(yù)控制輸出，其評 價過程即具備了對不同系統(tǒng)的普遍適應(yīng)性，克服了傳統(tǒng)模糊控制中隸屬 度函數(shù)難以確定的因難。
模糊推理在模糊規(guī)則的基礎(chǔ)上，根據(jù)控制目標(biāo)評價的二維結(jié)果，決定 控制算法中權(quán)重的調(diào)整，為保證調(diào)整的收斂，其調(diào)整范圍是有界調(diào)整，其 中模糊規(guī)則的建立，采用了 if-then結(jié)構(gòu)，如
— 如果系統(tǒng)狀態(tài)單調(diào)變化，預(yù)測狀態(tài)也處于單調(diào)變化，則狀態(tài)權(quán)重增加， 預(yù)測一又重減??；
如果系統(tǒng)狀態(tài)單調(diào)變化，預(yù)測結(jié)果為振蕩調(diào)節(jié)，則狀態(tài)權(quán)重稍減小， 預(yù)測權(quán)重不變；依此類推。
按上述規(guī)則模式，可得到一個二維三變量輸入、二變量輸出的模糊控 制規(guī)則表,模糊推理即可依控制規(guī)則表自動依據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和預(yù)測狀 態(tài)進(jìn)行控制權(quán)重的調(diào)整，并由此形成白化后權(quán)重輸出，實際控制輸出則是 根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和預(yù)測值與控制目標(biāo)的偏差，以及上述形成的權(quán)重系數(shù)，產(chǎn) 生對當(dāng)前操作量的修改增量，最終得到白化控制輸出去操作被控對象。
綜上所述，將預(yù)測模型、控制目標(biāo)評價和模糊推理與控制三方面有機(jī)結(jié)合，即可形成預(yù)測模糊控制算法。通過引入預(yù)測技術(shù)建立被控系統(tǒng) 的模型后，在較高層次上，應(yīng)用模糊技術(shù)手段實時調(diào)整控制權(quán)重，即可 避免對具體被控對象的經(jīng)驗規(guī)則的獲取，也不需針對特定對象確定隸屬 度函數(shù)和模糊控制規(guī)則的繁瑣工作，這樣形成的預(yù)測模糊控制單元可具
備普遍的適用性。它最大的優(yōu)勢在于克服模糊控制器的三大難題其一 是從各種傳感器得到的數(shù)據(jù)有時很難用Fuzzy規(guī)則加以描述。特別是當(dāng) 輸入輸出量較多時，不易抽出經(jīng)驗規(guī)律，而且輸入輸出值之間雖有關(guān)系， 但卻不容易定性來表達(dá)；其二是隸屬函數(shù)和Fuzzy不具有自學(xué)習(xí)功能， 只能靠大量的數(shù)據(jù)測量及分析來得到；其三是Fuzzy控制系統(tǒng)不能正常 工作時，很難判斷是Fuzzy推理規(guī)則的問題還是隸屬度函數(shù)的問題。
權(quán)利要求
1、一種水處理藥劑投加模糊智能控制系統(tǒng)，所采用的方法是首先根據(jù)被控對象目前的狀態(tài)和操作量，在線建立被控對象的預(yù)測模型，以此模型對維持當(dāng)前操作量的控制結(jié)果進(jìn)行預(yù)報，在控制目標(biāo)評價中，再依據(jù)被控對象的當(dāng)前狀態(tài)和預(yù)報結(jié)果，對系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行評價并產(chǎn)生調(diào)整模糊控制權(quán)重的結(jié)果，模糊控制即可依此確定最佳操作增量。
2、如權(quán)利要求l所述的水處理藥劑投加模糊智能控制系統(tǒng)，其 特征在于由中央處理單元(MCU)，人機(jī)交互系統(tǒng)和信號系統(tǒng)構(gòu)成，其 特點是中央處理單元是整個系統(tǒng)的核心，完成模糊智能控制算法的運 行，數(shù)據(jù)存儲和發(fā)出控制信號；人機(jī)交互系統(tǒng)是人機(jī)交互的界面，主要 功能是完成控制參數(shù)的設(shè)置和修改，參數(shù)的顯示；信號系統(tǒng)是控制系統(tǒng) 與外界交換數(shù)據(jù)的接口，讀如所需要的外部信號數(shù)據(jù)，將控制信號送到 執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水處理藥劑投加模糊智能控制系統(tǒng)，所采用的方法是首先根據(jù)被控對象目前的狀態(tài)和操作量，在線建立被控對象的預(yù)測模型，以此模型對維持當(dāng)前操作量的控制結(jié)果進(jìn)行預(yù)報，在控制目標(biāo)評價中，再依據(jù)被控對象的當(dāng)前狀態(tài)和預(yù)報結(jié)果，對系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行評價并產(chǎn)生調(diào)整模糊控制權(quán)重的結(jié)果，模糊控制即可依此確定最佳操作增量。由于我國幅員遼闊，自來水和污水處理廠眾多，本發(fā)明具有非常廣闊的應(yīng)用前景和市場前景。
文檔編號B01D21/32GK101301538SQ200710052138
公開日2008年11月12日 申請日期2007年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月10日
發(fā)明者軍 宋, 李文華, 王昭松 申請人:武漢華凱科技有限公司