1、I污水处理过程中 PH值的无模型控制系统设计摘 要我国的水资源地区分布极不平衡，导致许多地区出现水资源短缺现象。水资源短缺已成为制约经济发展的重要因素。环境污染是造成我国水资源紧张的另一个重要原因。目前，全国约有 1/3 的工业废水和大量的生活污水未经处理就直接排入江、河、湖、海，使水环境遭到严重的污染。如何使水资源得到保护，污水得到及时有效的处理并作为一种资源得到再一次的有效利用，已经成为我国面临的重要课题之一。本文介绍了无模型控制器又称非建模自适应控制器的基本理论和近年来在理论和应用方面研究的进展，无模型控制器的设计途径是一种非典型的途径。该途径的特点是：建模和反馈控制一体化，冲破经典PI
2、D的概念和控制器设计的线性框架，采用了功能组合设计方法。建模与控制一体化的手续，是设计出来的控制器具有一定的结构自适应性。本次设计的这个污水处理系统将提高污水处理的质量，使排放有害物量较大减少，而且将使操作人员的工作量减少，劳动强度随之降低，尽量满足出水水质要求。同时，与某些大型污水处理设备相比，系统要运行可靠，投资大为降低。关键词：污水处理；无模型控制器；建模与控制一体化；功能组合；结构自适；应用IIThe System Design of Model Free Control in TheProcess of Sewage Treatment AbstractChinas unbalanc
3、ed regional distribution of water resources, leading to water shortages in many regions. Water shortage has become an important factor restricting economic development. Environmental pollution is caused by tension of water resources is another important reason. At present, about 1 / 3 of industrial
4、waste and untreated sewage lot directly discharged into rivers, lakes, sea, the water environment has been contaminated. How to make the protection of water resources, timely and effective treatment of sewage as a resource by the effective use of once again has become an important issue facing of ou
5、r country.In this paper the basic theory and the progress of theoretical and application research of model free controller or anther name non - modeling adaptive controller has been introduced. The designing approach of model free controller is a non - classical .The character of this approach is th
6、at :the unity of modeling and feedback control has been used 、 the concepts of PID have been canceled、 the leaner pattern of designing method of classical controller has been broke、 the designing method of functions combination has been used. The method of unity of modeling and feedback control such
7、 that designed controller there is adaptation of structure. The urban wastewater treatment control system will improve the quality, so that a large amount of reducing harmful emissions, and operator workload reduction in labor IIIintensity decreases, fully meet the effluent quality requirements. Mea
8、nwhile, some large-scale sewage treatment equipment, system to run reliably, much less investment.Key words: municipal wastewater treatment; Model free controller ; Unity of modeling and control ; Function combination ; Adaptation of structure ; Application. IV目 录摘 要 .IABSTRACT .II第 1 章引言 .11.1 污水处理
9、研究现状 .11.2 无模型控制简介 .31.2.1 无模型控制方法的定义 .31.2.2 典型无模型控制方法的简要综述 .41.2.3 无模型控制方法的应用 .51.2.4 无模型自适应控制（MFAC）的基本原理 .71.2.5 无模型控制律的设计途径 .8第 2 章 污水处理工艺流程 .112.1 序批式活性污泥法（SBR）工艺简介 .112.1.1 SBR 国内外发展及应用概况 .112.2 SBR 的工作原理 .122.3 SBR 污水处理工艺 .13第 3 章 污水处理电气控制部分 .163.1 污水处理电气控制系统设计要求 .163.2 控制系统的动力设备 .163.3 污水处理电
10、气控制总体方案说明 .163.4 污水处理电气控制原理图设计 .17V3.5 SBR 污水处理系统电气工艺设计 .20第 4 章 PH 值的无模型控制系统设计 .224.1 PH 值的无模型自适应控制方案 .224.1.1 无模型自适应控制技术简述 .224.2 无模型学习自适应控制的设计 .244.2.1 单入单出非线性系统的紧格式线性化 .244.2.2 基于紧格式线性化的无模型学习自适应控制控 .254.2.3 基于紧格式线性化的无模型学习自适应控制伪 .264.3 PH 值控制中的仿真研究及性能分析 .274.3.1 PH 值控制系统模型 .274.3.2 仿真研究及稳定性分析 .28
11、4.4 PH 值的控制目标 .324.5 系统投运后的效果 .32第 5 章 总结 .33参考文献 .34谢 辞 .361第 1章引言1.1 污水处理研究现状我国污水处理面临着水污染严重，污水治理起步晚、基础差、要求高的形势。近些年，污水处理的建设有了很大发展，截至 2005 年 6 月底，全国 661 个城市建有污水处理厂 708 座，处理能力为 4912 万吨，是 2000 年的两倍多；全年污水处理量 1628 亿 ，比 2000 年增加了 43。污水处理率达 457。但绝大3m多数污水处理能力满足不了实际需要，全国还有 297 个城市没有建成污水处理厂，其中，地级以上城市 63 个。包括
12、人口 5O 万以上的大城市 8 个；位于重点流域、区域“十五”规划范围内的城市 54 个。全国 5 万多个城镇。370 多万个村庄，9亿多人口居住地尚无污水处理设施。与国际相比，我国污水处理率较低，其主要原因是我国的污水处理厂建设滞后。据资料介绍，美国现在平均每1万人就拥有1座污水处理厂，英国和德国每70008000人拥有1座污水处理厂。而我国城镇人171中，平均每150万人才拥有1座污水处理厂。据建设部通报的全国污水处理情况。目前已建成的污水处理厂，除正在调试运行的外，尚有不能正常运行的，其原因主要有：第一，对污水处理组织管理不力，致使有的污水处理厂已建成半年甚至近一年仍未运行。第二，一些已
13、建成污水处理厂的城市仍未开征污水处理费，或收费标准和征缴率低，污水处理设施运行经费难以保障。第三，污水收集管网建设滞后，污水处理厂运行负荷率低，甚至难以运行。第四，地方配套资金不落实，影响污水处理厂调试运行。2另外，还有部分污水处理厂设计规模偏大，过度超前，造成设施能力部分闲置不能充分发挥效益。城市污水处理的主要方法有物理、化学、物理化学和生物方法。这些方法可以单一使用，也可以针对不同的污水水质组合使用。污水生物处理法是l9世纪末出现的污水治理技术，现今已成为世界各国处理污水的主要手段。我国现阶段的污水处理主要以生物法为主，物理法和化学法起辅助作用。目前我国污水处理广泛使用的水污染治理技术有传
14、统活性污泥法，延时曝气活性污泥法，SBR，AB ，UNITANK 和氧化沟工艺，AO和 等。这些工艺被证明是行之有OA2效的水污染控制技术。我国污水处理普遍采用的上述工艺是欧美等发达国家在20世纪六七十年代根据欧洲国家排放标准制定的工艺。进入20世纪90年代后。一些西方国家污水处理率达到90以上每年仅有一两个城市污水处理厂的建设项目，污水处理市场需求萎缩，失去了开发新工艺的动力。而我国污水处理新技术开发仍有巨大的需求和动力。王凯军认为：在最近一个时期内，我国污水处理厂主要以延时曝气的氧化沟和SBR工艺为主是不适合我国国情的。对于我国这样一个污染严重、资源短缺的发展中国家。先进的处理工艺开发应适
15、合我国国情，遵循高效、低耗和低成本的原则。目前我国污水处理工艺的发展趋势是高效反应器的发展，其中对沉淀和分离性能的改进，生物的量和质的提高，是高效反应器发展的要点。开发各类效率高、投入低、可达到一定治理深度的城市污水处理新技术。对于经济尚不够发达而污染急待治理的我国，尤其是对于没有污水处理的17000多个建制镇，在一段期内都具有重要意义。其中以厌氧-好氧生物处理工艺、流化床和曝气生3物滤池等为代表的低耗、高效工艺有望满足这一需求。随着工业的不断发展和城市人口的急剧增加，大量工业和生活污水未经处理流入江河湖海，环境被严重污染，使环境保护问题日益成为影响和制约人类社会发展的因素之一。因此，建立高度
16、自动化的污水处理厂是解决水污染问题的有效途径。为确保污水处理工艺和设备能够长期安全可靠地运行，无模型控制器以其技术成熟、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性价比高等一系列优点，在污水处理自动控制中得到了越来越广泛的应用。1.2 无模型控制简介1.2.1 无 模 型 控 制 方 法 的 定 义无模型控制理论与方法是指“控制器的设计仅利用受控系统的数据,控制器中不包含受控过程数学模型的任何信息的控制理论与方法 。目前,有关无模型控制方法国内外己有一些标志性的成果 应该指出,应用神经元网络的控制方法尽管其作者宣称也是无模型控制方法,但严格意义上讲,它们不是无模型控制方法,为网络的节点需要受控对象的部分信
17、息， 而且,广义上讲,神经元网络就是系统的模型,系统变化时，网络需要重新训练另外,模糊控制方法也不属于无模型控制方法,因为,广义上讲,这一规则也是一种模型,需要对受控系统非常深的了解。同时,当系统发生较大的变化时,规则需要重新给出，因此,按照无模型学术上讲,它们不属于无模型控制方法。无模型控制方法由两部分组成,即基本的无模型控制方法部分和功能组合控制方法部分。无模型功能组合控制方法部分是用功能组合途径设计的非线性控制方法。它是依据功能组合的思想或者说是功能模块组合的思想 , 以被控对象对4控制方法的功能要求为导向 , 而不是先考虑建立被控系统的数学模型的设计途径 , 即所谓功能组合途径。控制方
18、法的功能组合途径由一系列单元控制方法用线性和非线性方式组合成控制律的途径。单元控制方法包括静差克服控制方法、反向预调控制方法、控制作用转向加速控制方法、强制稳定控制方法、前馈控制方法、时滞控制方法、串级调节控制方法及正反作用控制方法等。每项单元控制方法均由相应的控制方法模块表示 , 每个单元控制方法模块都有相对应的参数。单元控制方法模块的不同组合方式可得出不同的控制规律。应用功能模块组合的思想 , 在控制器的设计中 , 需要注意控制器的各种功能模块 , 包括线性控制功能 , 也包括非线性控制功能。在应用无模型控制方法时 , 根据被控对象的不同 , 选取不同的功能模块 “组装” 起来就行了。显然
19、 ,这种控制器对被控制对象的适应性更强。控制方案的设计是否合理 ,是能否解决难控环节控制问题的一个重要问题 ,也是能否更好地发挥无模型控制方法的优越性的一个重要因素。1.2.2 典 型 无 模 型 控 制 方 法 的 简 要 综 述按给出的无模型控制理论与方法的定义，目前国内外已存在的典型无模型控制方法有类控制技术及相关的方法控制和基本的控制方法的文献非常多,并且己经在实际中得到了最广泛的应用。到目前为止,工业过程控制中，最重要的仍然是控制 ,该方法是标准的无模型方法 然而该类方法的多年理论分析和实际应用都表明,控制技术在处理具有强非线性 、时变性和具有周期性扰动的系统控制问题时其控制效果不甚
20、理想,不具有学习功能,不具备对系统结构变化的适应性针对5控制利用误差的过去 、现在和变化趋势的线性加权和控制策略的缺点,韩京清教授提出了非线性的概念,并且进而发展出了一系列理论成果,如跟踪微分器 、扩展状态观测器 、自抗扰技术等,使得传统的无模型控制技术又有了本质的改进和丰富,并且在实际中己经得到了成功的应用。无模型自适应控制 ,是侯忠生在其博士论文中提出的,其基本思想是利用一个新引入的伪梯度向量或伪矩阵和伪阶数的概念,在受控系统轨线附近用一系列的动态线性时变模型紧格式、偏格式、全格式线性化控制的现状与展望模型来替代一般离散时间非线性系统,并仅用受控系统的 数据来在线估计系统的伪梯度向量,从而
21、实现非线性系统的,该种方法控制器设计，仅用受控系统的数据,不包括任何受控系统的模型信息,就能够实现受控系统的参数自适应控制和结构自适应控制。该方法已经在一些假设条件下，就其中的基于格式线性化和偏格式线性化的方案给出了收敛性和稳定性的理论证明。目前,此类无模型自适应控制方法己经在铸模、电机、化工、温度、压力等领域 ,城市快速路交通控制阳 、工程结构减震 、板材成形中得到了成功的应用,而且已经获得了中国技术发明专利实际应用、仿真研究和理论证明，并且能够处理具有强非线性和时变性系统的控制问题。1.2.3 无 模 型 控 制 方 法 的 应 用无模型控制方法的应用方式，目前在工业生产中，自动化设备主要应用的是国外引进的集散型计算机控制系统和现场总线计算机控制系统。在应用中大部分都没有收到满意的效果。几乎所有应用装置都没能得到所希望的控制效果。原因是它们的基本单元控制回路算法仍然脱离不开 。如果基本单元控制回路不能实现稳定闭环控制，整个装置实现先进最优控制是不可能的。旧算法对于非线性、
