專利名稱：嵌入式智能加藥控制器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水處理技術(shù)，具體地說(shuō)涉及到一種嵌入式智能加藥控制器及其控制方法，該 方法運(yùn)用于飲用水水處理混凝投藥工藝的監(jiān)視、控制與數(shù)據(jù)采集，屬于飲用水安全保障技術(shù)。
背景技術(shù)：
混凝是水處理工藝的一個(gè)重要過(guò)程，混凝劑投加控制方法的目的是追求混凝劑最佳投加 量來(lái)提高供水質(zhì)量?；炷磻?yīng)過(guò)程是一個(gè)時(shí)滯、非線性、時(shí)變、干擾因素眾多的復(fù)雜過(guò)程， 其中，源水的濁度、溫度、流量、PH值、溶解氧、氧化還原值、導(dǎo)電率、"礬液"的流量和濃 度等對(duì)它都有影響?；炷齽┳罴淹都恿恐高_(dá)到既定水質(zhì)目標(biāo)的最小混凝劑投量，即"最佳劑 量"，混凝劑最佳投加量控制是自來(lái)水廠控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。混凝機(jī)理至今還未有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)， 尚沒(méi)有定量描述的數(shù)學(xué)模型，因此，如何達(dá)到"最佳劑量"控制和提高供水質(zhì)量一直是水處理 技術(shù)人員研究的難題。
專利號(hào)為ZL200510009831.6的專利公布了一種基于多源信息融合技術(shù)的混凝過(guò)程智能 監(jiān)測(cè)與控制方法，其控制結(jié)構(gòu)是通過(guò)單因子檢測(cè)儀把當(dāng)甜混凝反應(yīng)程度反饋值與期望的混凝 程度設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)相應(yīng)運(yùn)算(如模糊控制，PID控制)輸出混凝劑投加量至混凝劑投 加泵，從而實(shí)現(xiàn)混凝劑投加控制。該發(fā)明專利的特點(diǎn)是通過(guò)測(cè)量源水的多種水質(zhì)參數(shù)從而實(shí) 現(xiàn)變化水質(zhì)條件下單因子混凝控制系統(tǒng)設(shè)定值適時(shí)、適宜的自修正，單因子檢測(cè)儀是安裝于 混凝沉淀池前的管道上，而真正的混凝是在混凝沉淀池中完成。該專利所提供的控制方法設(shè) 定值是混凝沉淀池的混凝程度，被控量是混凝劑投加量，而對(duì)混凝有重要影響的混凝沉淀池 卻在反饋環(huán)外，其控制系統(tǒng)僅由一個(gè)單閉環(huán)反饋組成，沒(méi)有涵蓋主要的控制對(duì)象混凝沉淀池， 在應(yīng)用中受到了一定限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述智能加藥控制方法的缺陷，提供一種優(yōu)化的智能加藥控制 方法，并構(gòu)建與之相適應(yīng)的嵌入式智能加藥控制器。該方法設(shè)定值是由水處理工藝設(shè)計(jì)所決 定的濾前濁度值，被控量是實(shí)測(cè)的濾前濁度值，控制的主要對(duì)象是混凝沉淀池和加藥計(jì)量投 加泵。由于具有時(shí)滯、非線性、時(shí)變、干擾因素眾多的被控主要對(duì)象是在反饋環(huán)內(nèi)，針對(duì)這
一問(wèn)題，本發(fā)明尋求一種優(yōu)化的控制方法，并能實(shí)現(xiàn)混凝投加量的最佳優(yōu)化控制。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是嵌入式智能加藥控制器，其特征在于 具有包括數(shù)據(jù)采集、通訊、顯示、外存貯器CF卡等外部接口。嵌入式智能加藥控制器
通過(guò)Ether NET接口與以太網(wǎng)(1)相連接，通過(guò)JTAG接口與仿真器(2)相連接，通過(guò)LCD 接口與TFT觸摸屏(3)相連接，通過(guò)PCI接口與數(shù)據(jù)釆集卡(4)相連接；通過(guò)KEY接口與面板鍵盤(5)相連接；通過(guò)三個(gè)USB接口、 一個(gè)RJ45接口、 一個(gè)RS232/RS485接口與 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(6)相連接。本控制器具有單機(jī)控制功能，可用于沒(méi)有實(shí)現(xiàn)DCS自動(dòng)化的飲用水 廠對(duì)計(jì)量泵的獨(dú)立控制， 一臺(tái)嵌入式智能加藥控制器可控制二臺(tái)加藥計(jì)量泵；本控制器具有 i&J-rr:r工巾u"j目匕，tb "j用j l^大"ljJL5 u ^yjruLrj La用/jv a'j h — 里.7icU'jT二巾'j 。
所述的數(shù)據(jù)采集接口包括16路單端或8路雙端AI、 4路AO、 8路帶隔離DI、 8路不帶 隔離DI、 8路繼電器輸出DO、 8路不帶隔離DO。
嵌入式智能加藥控制方法，其特征在于由混合智能控制器、混凝劑投加泵、混凝沉淀 池前向通道和混凝劑流量計(jì)、濾前濁度儀(沉淀后的濁度一濁度傳感器)反向通道組成， 是一個(gè)雙閉環(huán)反饋一前饋控制系統(tǒng)。
所述的混合智能控制器由專家系統(tǒng)與自學(xué)習(xí)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩大部分組成。其中專家系統(tǒng) 又由知識(shí)庫(kù)、規(guī)則模型庫(kù)和推理機(jī)組成，具體特征為
專家系統(tǒng)的輸入量為變化較快的源水流量和源水濁度值、濾前濁度給定值與實(shí)測(cè)值。 專家系統(tǒng)的輸出量為
(1) 當(dāng)實(shí)測(cè)源水流量和濁度發(fā)生突變時(shí)，根據(jù)其變化的大小和變化率，計(jì)算輸出前饋補(bǔ)
償投藥量；
(2) 根據(jù)實(shí)測(cè)沉淀后濁度的大小和變化率與設(shè)值其偏離的大小，推理輸出正/負(fù)增量值， 作為控制模式二的輸出；
.(3)根據(jù)實(shí)測(cè)沉淀后濁度與其設(shè)定值的偏差大小，推理輸出控制模式選擇； (4)根據(jù)沉淀后濁度變化率，推理、預(yù)測(cè)出沉淀后濁度。 所述的自學(xué)習(xí)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括
(1) 滾動(dòng)學(xué)習(xí)過(guò)程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行滾動(dòng)學(xué)習(xí)，按誤差修正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)。
(2) 反饋學(xué)習(xí)過(guò)程根據(jù)設(shè)定值和濾前濁度的偏差，自學(xué)習(xí)再一次修正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)。
(3) 重新計(jì)算輸出過(guò)程根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和下一個(gè)時(shí)刻的濾前濁度的預(yù)測(cè)值，作為神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)的輸入，計(jì)算出現(xiàn)在時(shí)刻的混凝劑投加量，作為計(jì)量泵的給定值。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
1 、本發(fā)明的g制方法設(shè)定值是由水處理工藝設(shè)計(jì)所決定的濾前濁度，被控量是實(shí)測(cè)的濾 前濁度值，控制的主要對(duì)象混凝沉淀池及計(jì)量泵都包括在反饋環(huán)內(nèi)。是--個(gè)雙閉環(huán)反饋—— 前饋控制系統(tǒng)，時(shí)滯、非線性、時(shí)變、干擾因素眾多的復(fù)雜過(guò)程都包括在反饋環(huán)內(nèi)。
2、把專家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融入了控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了混凝投加的優(yōu)化控制。本控制器通過(guò)構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入輸出數(shù)據(jù)對(duì)來(lái)逼近對(duì)象的時(shí)滯特性；利用近期的數(shù)據(jù)，通過(guò)每一個(gè)控制 周期在線訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)來(lái)克服對(duì)象的時(shí)變性；利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線映射能力來(lái)逼近 對(duì)象的非線性特性；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)定值與濾前濁度的偏差再一次調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系 數(shù)實(shí)現(xiàn)在線反饋學(xué)習(xí)。而對(duì)于諸于PH值，電導(dǎo)率以及溫度等慢時(shí)變干擾因素對(duì)濾能濁度的 影響，則靠反饋環(huán)，通過(guò)自動(dòng)改變混凝劑投加量而能得到有效抑制，最終實(shí)現(xiàn)混凝投加劑優(yōu) 化控制。
3、 本發(fā)明的控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)巾.，易于擴(kuò)充，它不受水處理工藝及應(yīng)用環(huán)境的影響，僅需流 量傳感器、源水濁度和濾前濁度傳感器共3個(gè)傳感器就可，節(jié)約了系統(tǒng)成本。
4、 本控制器不僅能實(shí)現(xiàn)混凝劑投加自動(dòng)化，而且能最大限度的節(jié)約混凝劑的消耗，節(jié)約 了混凝劑的用量。


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圖1是嵌入式智能加藥控制器外形結(jié)構(gòu)圖
圖2是嵌入式智能加藥控制器模塊框架圖
圖3是嵌入式智能加藥控制系統(tǒng)框圖
圖4是專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖5是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖
圖6是嵌入式智能加藥控制系統(tǒng)詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施方式通過(guò)如下步驟完成
步驟 一、通過(guò)模擬量I/0輸入通道(AI)或以太網(wǎng)通訊接口讀源水濁度，源水流量，沉
淀后濁度并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；
步驟二、計(jì)算沉淀后濁度設(shè)定值與濁度實(shí)際值的偏差，若偏差較小由專家系統(tǒng)按控制方式 一繼續(xù)，否則轉(zhuǎn)至步驟七；
步驟三、將沉淀后濁度和混凝投加量近期歷史數(shù)據(jù)送入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)正反向傳播滾動(dòng)
學(xué)習(xí)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)；
步驟四、根據(jù)沉淀后濁度設(shè)定值與濁度實(shí)際值的偏差反傳學(xué)習(xí)再次修正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系
數(shù)；
步驟五、用沉淀后濁度預(yù)測(cè)值及歷史數(shù)據(jù)代入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)反歸--化處理，輸出并保存混 凝劑投加量；
步驟六、通過(guò)對(duì)源水流量和濁度的檢測(cè)，由專家系統(tǒng)給出投礬量的改變值與歩驟五的混凝投加量做代數(shù)加作為混凝投加泵的投加量的設(shè)定值，通過(guò)模擬量I/0輸出(AO)通道輸出， 控制計(jì)量泵投加，之后返回至歩驟一；
歩驟七、按控制方式二以增量方式控制，屮專家系統(tǒng)直接輸出投加量的設(shè)定值至混凝投 加泵后，返回至歩驟一。
權(quán)利要求
1、一種嵌入式智能加藥控制器及其控制方法，該控制器的特征在于具有包括數(shù)據(jù)采集、通訊、顯示、外存貯器CF卡在內(nèi)的多種外部接口。嵌入式智能加藥控制器通過(guò)Ether NET接口與以太網(wǎng)(1)相連接，通過(guò)JTAG接口與仿真器(2)相連接，通過(guò)LCD接口與TFT觸摸屏(3)相連接，通過(guò)PCI接口與數(shù)據(jù)采集卡(4)相連接；通過(guò)KEY接口與面板鍵盤(5)相連接；通過(guò)三個(gè)USB接口、一個(gè)RJ45接口、一個(gè)RS232/RS485接口與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(6)相連接。本控制器具有單機(jī)控制功能，可用于沒(méi)有實(shí)現(xiàn)DCS自動(dòng)化的飲用水廠對(duì)計(jì)量泵的獨(dú)立控制，一臺(tái)嵌入式智能加藥控制器可控制二臺(tái)加藥計(jì)量泵；本控制器具有網(wǎng)絡(luò)控制功能，也可用于已實(shí)現(xiàn)DCS自動(dòng)化的飲用水廠對(duì)計(jì)量泵的控制。所述的數(shù)據(jù)采集接口包括16路單端或8路雙端AI、4路AO、8路帶隔離DI、8路不帶隔離DI、8路繼電器輸出DO、8路不帶隔離DO；
2、 根據(jù)權(quán)利耍求l所述的控制器，其控制方法的特征在于由混合智能控制器、混凝劑投加 泵、混凝沉淀池前向通道和混凝劑流量計(jì)、濾前濁度儀(沉淀后的濁度——濁度傳感器)反向通 道組成，是一個(gè)雙閉環(huán)反饋——前饋控制系統(tǒng)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的混合智能控制器，其特征在于由專家系統(tǒng)與自學(xué)習(xí)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩 大部分組成。其中專家系統(tǒng)又由知識(shí)庫(kù)、規(guī)則模型庫(kù)和推理機(jī)組成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的專家系統(tǒng)，其具體特征為 專家系統(tǒng)的輸出量為(1) 當(dāng)實(shí)測(cè)源水流量和濁度發(fā)生突變時(shí)，根據(jù)其變化的大小和變化率，計(jì)算輸出前饋補(bǔ)償 投藥量；(2) 根據(jù)實(shí)測(cè)沉淀后濁度的大小和變化率與設(shè)值其偏離的大小，推理輸出正/負(fù)增量值，作 為控制模式—的輸出；(3) 根據(jù)實(shí)測(cè)沉淀后濁度與其設(shè)定值的偏差大小，推理輸出控制模式選擇；(4) 根據(jù)沉淀后濁度變化率，推理、預(yù)測(cè)出沉淀后濁度。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的自學(xué)習(xí)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括滾動(dòng)學(xué)習(xí)過(guò)程、反饋學(xué)習(xí)過(guò)稃、重新計(jì)算 輸出過(guò)程。(1) 滾動(dòng)學(xué)習(xí)過(guò)程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行滾動(dòng)學(xué)習(xí)，按誤差修正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)。(2) 反饋學(xué)習(xí)過(guò)程根據(jù)設(shè)定值和濾前濁度的偏差，自學(xué)習(xí)再一次修正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)。(3) 重新計(jì)算輸出過(guò)程根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和下一個(gè)時(shí)刻的濾前濁度的預(yù)測(cè)值，作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，計(jì)算出現(xiàn)在時(shí)刻的混凝劑投加量，作為計(jì)量泵的給定值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種嵌入式智能加藥控制器及其控制方法，旨在實(shí)現(xiàn)混凝有效優(yōu)化控制。本控制器特征在于具有豐富的外部接口，包括數(shù)據(jù)采集接口、豐富的通訊接口、多種顯示接口、外存貯器CF卡擴(kuò)展接口。該控制方法特征在于由混合智能控制器、混凝劑投加泵、混凝沉淀池前向通道和混凝劑流量計(jì)、濾前濁度儀(沉淀后的濁度——濁度傳感器)反向通道組成，是一個(gè)雙閉環(huán)反饋——前饋控制系統(tǒng)。該方法設(shè)定值是由水處理工藝設(shè)計(jì)所決定的濾前濁度值，被控量是實(shí)測(cè)的濾前濁度值，控制的主要對(duì)象混凝沉淀池和計(jì)量投加泵。由于具有時(shí)滯、非線性、時(shí)變、干擾因素眾多的被控主要對(duì)象是在反饋環(huán)內(nèi)，因此該方法是一種混凝劑投加量的優(yōu)化控制方法。
文檔編號(hào)B01D21/30GK101607151SQ200910042469
公開(kāi)日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月9日
發(fā)明者石迎春, 羅大庸, 煌 謝, 陳國(guó)華, 陳德池, 黃衛(wèi)權(quán) 申請(qǐng)人:湖南華博科技開(kāi)發(fā)有限公司