（流体机械及工程专业论文）污水处理中的cod模糊控制系统的研究.pdf

污水处理中的c o d 模糊控制系统的研究 摘要 本文介绍了国内外污水处理及其自动控制技术的发展形态，着重提到了我 国污水处理自动化水平低和所面临的问题。通过对污水处理系统特性的分析， 针对其处理过程无法用精确的数学模型来描述的特征，提出将模糊控制的方法 应用到污水处理当中。 模糊控制的实现主要在于模糊控制器的设计，本文设计了一个两输入单输 出的模糊控制器来达到污水处理中c o d 的在线控制。模糊控制器的设计主要 由输入量的模糊化、模糊控制规则的生成、模糊判决等三部分组成。其中模糊 控制表的离线生成是关键。为此，本文用m a t l a b 软件计算得到了模糊控制 表，并在m a t l a b 软件的模糊推理系统工具箱中得到了验证。在上述基础上， 通过对硬件电路的设计和仿真，得到了预期的输出结果。 污水处理的c o d 模糊控制系统很好的解决了污水处理中c o d 数学模型难 确立的问题，为污水处理的c o d 浓度的自动控制提供了一条切实可行的途径： 模糊控制表的离线生成，可根据被控对象。试验运行结果方便的修正控制表， 达到控制要求。 关键词：模糊控制污水处理c o dm a t l a b 模糊推理系统工具箱 r e s e a r c ho nf u z z yc o n t r o ls y s t e mf o rc o d o fw a s t e w a t e r t r e a t m e n t a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fw a s t e w a t e rd i s p o s a l i tw a s e m p h a s i z e dt h a tt h e1 0 wl e v e ro fa u t o m a t i z a t i o no ft h ec i v i lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t a n dp r o b l e mf a c e d a c c o r d i n gt oa n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c o fw a s t e w a t e r t r e a t m e n ts y s t e m ，t h em e t h o do ff u z z yc o n t r o li sa p p l i e di nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t b e c a u s ei t sp r o c e s si s n td e n o t e db yp r e c i s em a t h e m a t i cm o d e l i nt h i sp a p e r , af u z z yc o n t r o l l e ro ft w oi n p u t sa n do n eo u t p u ti sd e s i g n e dt o m e e tt h ec o do n l i n ec o n t r o l l i n go fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h ed e s i g no ff u z z y c o n t r o l l e ri sc o n s i s t e db yf u z z i f i c a t i o no fi n p u t s ，m a k i n gf u z z yc o n t r o lr u l e sa n d d e f u z z i f i c a t i o n t h ek e yo ff u z z yc o n t r o l l e rd e s i g ni st h eo f f - l i n ec a l c u l a t i o no f f u z z yc o n t r o lt a b l e s o ，t h ef u z z yc o n t r o lt a b l ei sg o t t e nb ym a t l a bs o f t w a r e f u z z yi n f e r e n c es y s t e mt o o l b o xf o rm a t l a ba l s ov a l i d a t e st h ev e r a c i t yo ft a b l e t h e n ，a n t i c i p a t i v er e s u l t sa r ea t t a i n e db yd e s i g na n ds i m u l a t i o no fh a r d w a r ec i r c u i t f u z z yc o n t r o ls y s t e mf o rc o do fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tc o m m e n d a b l ys o l v e s t h ep r o b l e mt h a tt h em a t h e m a t i cm o d e l i sd i f f i c u l tt oo b t a i ni nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t w h i c ho f f e r sap r a c t i c a la p p r o a c hf o rc o dc o n c e n t r a t i o na u t o m a t i cc o n t r o li nt h e t r e a t m e n to fw a s t e w a t e r c o n t r o lr e q u e s ti sm e tb yo f f - l i n ea c h i e v e m e n to ff u z z y c o n t r o lt a b l e ，w h i c hc a nb em o d i f i e dc o n v e n i e n t l ya c c o r d i n gt oo b j e c tc o n t r o l l e d a n de x p e r i m e n tr e s u l t s k e yw o r d ：f u z z yc o n t r o lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tc o d f u z z yi n f e r e n c es y s t e mt o o l b o xf o rm a t l a b 致谢 本文自始至终是在导师王先路教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、 研究到撰写都倾注了王老师极大的心血。王老师学识渊博，治学态度严谨，工 作细致认真，是我们晚辈一生值得学习的榜样。尤其值得一提的是，王老师对 我的成长也倾注了巨大的关怀。在我读研初期的那段迷茫和失落的日子里，是 王老师的谆谆教诲和热心鼓励让我走出阴缮，重新焕发了奋斗的信心和热情。 在课题研究过程中，与陈长琦副教授和朱武副教授进行了许多有益的探讨， 从这些探讨中受到了许多有意义的启示；胡焕林教授一直对我的成长非常关心， 殷切之情历历在目；另外，在这几年里，我也一直得到周永安老师、方应翠老 师、王旭迪老师和现已在丹麦的干蜀毅老师以及实验室的王云芳老师、程义然 老师、樊文胜等老师的支持和帮助，在此同样致以衷心的感谢。 同时感谢情如兄弟姐妹黄芹华、张学斌、徐波、崔村燕、叶进星、周连廷、 欧林林等同学以及本专业的其他研究生所给予的无私的帮助。 最后再次向诸位老师表示深深的谢意! 向多年来在我的成长和学习生涯中 给予我帮助和关心的所有老师、同学以及亲戚朋友表示诚挚的谢意，感谢我的 父母多年来为我所付出的辛劳和所给予的极大支持。 “路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”。最后，以此文勉励自己，对生活的 追求，永不放弃! 插图清单 图2 1 城市污水典型处理流程 图2 2 污水处理流程图 图2 3 模糊控制流程图 图2 4 在线模糊控制器的流程 图3 1 模糊控制器原理框图 图3 2 模糊逻辑控制器的一般结构 图3 3 模糊控制系统的基本结构 图3 4 模糊控制器结构图， 图3 5 输入量的隶属函数 图3 6 输出量的隶属函数 图4 1 模糊运算程序流程图 图4 2f i s 编辑窗口 图4 3 隶属度函数编辑器 图4 4 增加隶属度函数窗口 图4 5 输入量e c 的隶属度函数 图4 6 输出量u 的隶属度函数 图4 7 规则编辑器 图4 8 规则观察器 图4 9 曲面观察器 图4 1 0 五个基本g u i 工具以及与模糊推理系统之间的关系图 图4 1 1 单片机应用系统框图 图4 1 24 2 0 m a 信号到o + 5 v 信号变换电路图 图4 13a d 5 7 4 a 与8 0 3 1 单片机的接口电路 图4 1 4d a c 0 8 3 2 与8 0 3 1 单片机的接口电路 图5 1 主程序流程图 图5 2a d 转换中断服务程序 图5 3 模糊化子程序流程图 图5 4 查表程序流程图 图5 5 反模糊化程序流程图 图5 6 最简单的开发系统 图5 7 仿真运行窗口及结果 图5 8 实时控制关系图石一名p他m”鲋”弱卯傩鲳扣如舵躬鲋们肿档的如如列跎鼹 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 6 表4 1 表4 。2 表5 。1 表格清单 连续论域和离散论域 c o d 浓度范围和模糊量 输入量的表格表示法 输出量的表格表示法 模糊控制规则表 模糊控制表 由规则表编辑器生成的模糊控制表 a d 5 7 4 a 控制真值表 实时控制关系表 15 18 2 0 2 1 2 4 3 1 4 1 j ，j ，i i ，i j j ，j j j ，4 6 5 3 第一章绪论 第一章绪论 随着现代工业的飞速发展，环境污染日益严重，其中水污染直接威胁到了 所有生物的生存，这个全球性的问题已引起了世界各国的重视。为了治理水污 染，世界上工业生产发达的国家都投入了大量的人力和物力。污水处理的目的 是用物理化学或生物方法把污水中的污染物分离出来，或者将其转化分解成无 害无毒的稳定物质，从而使污水得到净化。污水处理技术经过一百多年的发展， 发展出了各种不同特点的污水处理方法。为了让这些方法有效地发挥作用，将 自动控制技术应用于污水处理中，以提高污水处理的自动化水平，具有重要的 意义。 1 1 国内外的发展状况 为了要使污水处理达标排放，对水质进行自动检测和控制必不可少。经济 发达的美国、日本和西欧等国家非常重视研究污水处理的新的理论和新技术之 外，先后研究开发了各种污水处理的设备和自动控制仪表。美国艾姆科工艺公 司9 6 年成功开发了多元组合式智能型一体化生活污水处理装置，荷兰大学开发 成功计算机控制内循环式水解生化塔i l l 。 我国近十多年来工业污染十分严重，这已经引起了国家重视，并启动了“三 河三湖”治理工程，建设了一批城市污水处理系统。同时，国内的许多高校和 研究机构如清华大学、国家环保研究院等在污水处理工艺及设备方面都在开展 深入的研究，其中，自动化技术的研究也在逐步成为水处理研究的热点。 据资料显示，自动控制技术已应用于污水处理中p h 值的控制f 2 _ 5 】，通过研 究酸碱中和p h 值控制的动态矩阵控制算法及合适的参数整定，成功地将动态 矩阵控制应用于大时滞环节【6 1 。“显示式絮凝控制系统”为自动加矾提供了闭环 控制新方法和手段1 “。 但从近几年环保治理上看我国的环保理论及工艺研究与国外差距不太大， 差距比较大的是环保单元设备和自动控制系统【8 】。尤其是对污水处理自控技术 的研究还不深入。我国污水处理厂自控系统的现状是：手动与自动皆备，自制 和引进并举。 对于小型的污水处理厂( 如啤酒厂、饮料厂、味精厂等自备的污水处理厂) 由于资金不足，技术力量相对薄弱以及生产的季节性等原因，所采用的检测仪 表大部分是国产的离线仪表，监测手段也是靠取样后测量，然后根据测量结果 去调整设备运行状态。由于仪表的准确性差并且非连续性监测，设备运行状态 第章绪论 调整慢，常常导致出水水质的不稳定。 一些大型的污水处理厂为了实现自动化控制、保证出水水质的达标，或借 鉴国内外先进的技术和经验自行开发，或利用政府投资和国外的优惠低息贷款， 成套引进德国、丹麦、澳大利亚等国的污水处理工艺、监测仪器仪表、自控系 统及相应的软硬件。由于设备配套性好、技术先进、自动化程度高，系统都能 连续稳定运行，所以能保证出水水质达标l 9 j q 1 2 模糊控制的发展和应用 自动控制理论有将近一个世纪的发展史，在经历了经典控制理论和现代控 制理论两个阶段后，由于当前被控对象的高度复杂化、控制性能要求的高指标 化和计算机技术发展高速化所驱使，控制理论研究正在向深度和广度上的开拓， 特别是人工智能控制的发展非常迅速。 人工智能包括推理、学习和联想三大要素，它是采用非数学式子方法，把 人们的思维过程模型化，并用计算机来模拟人的智能。很多科学家认为下一世 纪生产力的飞跃寄托子人工智能技术，并认为人工智能的发展必将带来一次新 的史无前例的技术革命，第五代计算机的研究充分体现了人类左脑的逻辑推理 功能，而人工智能下一步的研究是模拟人类右脑的模糊处理功能。人工智能将 在逻辑推理计算机、模糊计算机和神经网络计算机这三者的基础上，由两个方 面来实现，即：一是利用现有的计算机技术模拟人类的智能，二是利用种全 新的技术来实现信息处理的模糊化和网络化。前者是实现人工智能必需的先决 条件：后者是实现人工智能的根本途径。 “模糊”是人类感知万物、获取知识、思维推理、决策实施的重要特征。 “模糊”比“清晰”所拥有的容量更大，内涵更丰富了，更符合客观世界。模 糊控制理论是由加利福尼亚大学著名教授l a z a d e h 于1 9 6 5 年首先提出【l 0 1 ， 至今仅有三十年余年时间。它以模糊数学为基础，用语言规则表示方法和先进 的计算机技术，用模糊推理进行判决的一种高级控制策略1 。它无疑是属于智 能控制范畴，而且发展至今已成为人工智能领域中的一个重要分支。其理论发 展之迅速，应用领域之广泛，控制效益之显著，实为世人瞩目。 1 9 7 4 年，英国的m a m d a n i 首次用模糊逻辑和模糊推理实现对蒸汽机的自动 控制，并且取得了比直接数字控制更好的控制效果1 2 3 , 二十世纪七十年代末， 丹麦史密斯公司推出水泥窑模糊控制系统，较大幅度提高了水泥的产量和质量， 实现了模糊控制技术的实用化h 孙1 4 。 此后，荷兰、丹麦、英国等国也开始尝试用模糊控制方法对热交换器、炼 钢转炉、化学反应器、水泥回转窑、十字路口的交通等进行控制，并且取得了 令人满意的效果。 2 第一章绪论 1 9 9 0 年开始，日本在家用电器模糊控制方面取得很大突破，一大批高附加 值的模糊控制家用电器相继问世。o m r o n 公司等开发成功的高速数字模糊芯 片，使模糊控制技术进入大规模实用阶段。当前，日本、美国、加拿大、韩国 等国和西欧各国都有大批模糊电子产品推向市场。 1 9 7 9 年，中国的研究人员也对模糊控制器进行了研究，并且在模糊控制器 的定义、性能、鲁棒性、电路实现方法、稳定性、规则自调整等方面取得了大 量的成果1 53 。 1 9 8 8 年3 月由北京师范大学汪庄培教授及其博士生张洪敏等研制成功的 “模糊推理机分离元件样机”，成功地实现了控制倒摆试验“。 东北大学田春山所开发的“自来水给水模糊控制器”已形成产品“。 二十世纪九十年代初，北京模糊工程中心的陈永义教授等先后研制开发了 玻璃拉管线模糊逻辑控制器、电冰箱模糊控制器、可编程模糊逻辑控制器b f e c 一8 9 8 系列产品、水泥厂碎石破碎机的模糊控制系统，并都已投入运行1 52 十 几年来，我园在模糊逻辑控制的研究和应用开发上己达到了一定规模。 今天，模糊控制技术已经应用到相当广泛的领域中。例如，家用电气设备 已成为主攻市场，诸如智能洗衣机、微波炉、吸尘器、空调机、照相机和摄录 机等。在工业控制系统中有水净化处理、发酵控制、化学反应釜、水泥窑炉等 等。在专用系统和其他方面的应用有地铁控制、电梯、自动扶梯、蒸汽引擎、 声控直升机、纸币识别装置以及机器人等等。 近一二年内，模糊控制与其他控制策略构成的集成控制，以及与神经网络 相结合的模糊神经网络等得到迅速发展，更使人们确信，它是一种全新的技术 和高科技的发展方向。 1 3 模糊控制在污水处理中的应用 模糊控制在水处理领域已得到了成功的应用尤其是应用于处理间歇排放的 水质水量变化很大的序批式活性污泥法( s b r 法) ，它本身属于复杂的动态工 程系统，其主要缺点是运行管理复杂，只有实现s b r 法的自动控制，才能发挥 其优势l l7 1 。目前研究较多的是对出水悬浮物进行预测和控制的动态活性淤泥法 模糊控制l l ，在高纯氧活性淤泥法中采用模糊控制，既能防止能量浪费，又能 避免溶解氧含量的不足i l 。以溶解氧作为s b r 法模糊控制对象，可以准确地 反映污水水质的变化，合理控制曝气量【2 0 1 。对硝酸态氮污染水脱氮处理的新方 法一生物电极法采用模糊控制，有利于避免过量的投加有机物，节省运行费用 2 1 , 2 2 1 。也有提出对p h 值进行仿人智能模糊控制，使系统具有较强的鲁棒性和 自适应性1 2 。针对城市废水生物处理系统的特性，采用模糊神经网络控制系统 具有良好的动态性能和较强的鲁棒性和容错性，具有实际工程应用的价值【2 引。 第一章绪论 清华大学的环境模拟与污染控制国家重点实验室针对在氧化沟生物处理系统中 广泛存在的具有大惯性、长滞后和一定不确定性系统的控制问题，在简单模糊 控制器的基础上引入迁移偏差，并采用s 曲线量化和动态调整迁移偏差及稳定 控制输出值逐步逼近精确控制目标，实现了模糊控制的高精度控制，且大量仿 真和实际现场实验证明了这一结论【2 ”。抚顺吴堡水厂设计了一种模糊控制和专 家控制结合的混凝剂投放控制系统，提高了出水水质、节省了原材料的消耗、 降低了制水成本、减轻了操作工人的劳动强度 2 6 j 。上海闵行污水处理厂已成功 将模糊控制技术应用于三沟式氧化沟污水处理中，运行效果良好【2 7 1 。 1 4 课题的来源、目的及课题所研究的主要内容 本课题来自合肥市科学委员会，其目的在于解决工业污水中污染负荷高、 技术难度大的高浓度有机废水处理问题，开发适合多类废水、多种规模、不同 处理工艺的多元模块化组合式系列设备，实现水处理设备标准化、系列化，从 而提高集约化程度。污水处理中的c o d ( 化学耗氧量) 模糊控制系统的研究是 其中的一个子课题。 由于污水中c o d 含量的变化无确定的规律可循，无法建立明确的数学模 型，用经典控制理论或现代控制理论的方法都很难实现对它的控制。为此，拟 用模糊控制方法解决此类时变非线性系统的控制。我们拟通过对污水水质波动 性的研究，提炼出正确的语言规则，利用相应的模糊控制器，开发出非线性模 糊闭环控制系统。该系统能实现c o d 含量的实时监控：即依靠c o d 在线检测 器及时采集数据，通过模糊控制器对输入量判断的运算，得出输出值，来控制 受控对象，使其在尽量短的时间内发生调整动作。使c o d 的输出趋于设定的 标准，实现达标排放。 1 5 课题的意义 为加强城市污水治理，我国政府增加了投资力度，1 9 9 8 年分二批下达的城 市污水治理项目达1 1 7 项，投资约3 0 0 亿元。1 9 9 9 年又下达近百亿元国家债券 资金，用于支持城市污水处理厂的建设e 2 8 根据国民经济和社会发展“九五” 计划和2 0 1 0 年远景目标纲要的要求，到2 0 1 0 年城市污水处理率要达到5 0 ， 估计投资为5 0 0 0 亿元。这对我国水处理工业的发展是个良好的机遇。 由于我国经济发展水平还较低，资金匮乏，投资力度不足等诸多因素，导致 目前发达国家大批水处理环保企业大举进军我国水处理环保市场。我国从2 0 世 纪8 0 年代末开放了城市基础设施的建设，给水排水利用外资建设项目共约2 0 0 个，总金额达7 8 亿美元。但是外资的利用，特别是利用欧洲发达国家的政府贷 4 第一章绪论 款( 只能用于购买贷款国的设备) ，也给我国的水处理企业带来冲击。目前，我 国城市污水处理的投资约9 0 来自于国际各种贷款，基本被国际各大公司所占 领。所以我国这样一个污染严重、资源短缺的国家迫切需要一批能满足排放要 求、处理效果好、运行费用低和国产化程度高的污水处理设备，特别是污水处 理设备的自动控制系统。为此，2 0 0 1 年国家自然科学基金列出专项，支持开展 污水处理厂自动控制系统的研究。由此可见，设计出自己的污水处理厂自动控 制系统对我国国民经济的发展具有重大的现实意义。 箜三童里q 里笙型墨堕查塞笙至 第二章c o d 控制系统方案论证 随着现代工业的飞速发展和社会的进步，关于环境保护特别是污水治理的 问题越来越受到重视。随着对污水处理的机理、工艺及设备的深入研究，污水 处理自控技术的研究也越来越深入。现代控制理论的发展，特别是智能控制理 论的产生，为污水处理工业提供了良好的发展前景。模糊控制作为智能控制的 一个主要分支，因其简单、实用、有效等特点将会在水处理领域得到很好的应 用。 2 1 控制对象特性分析 污水是生活污水、工业废水、被污染的雨水的总称啼”。为了表征污水的水 质，规定了许多水质标准，其中化学需氧量( c o d ) 是非常重要的一项综合水 质污染指标，它指在酸性条件下，用强氧化剂将有机物氧化为c 0 2 、h 2 0 所消 耗的氧量【3 0 】。因此，c o d 能够较精确的表征污水中有机污染物质的含量。在现 代污水处理技术中，按处理程度划分，可分为一级，二级，三级处理”“。典型 的城市污水处理系统，其流程如图2 1 所示1 3 o j l 3 “。 三级处理出水 图2 1 城市污水典型处理流程 f i g 2 1e x p o n e n td i s p o s a lp r o c e s so fc i t yw a s t e w a t e r 一级处理主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物，经过一级处理后的污 水，c o d 一般可去除3 0 左右，达不到排放标准。 二级处理主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质( 即c o d 物 质) ，去除率可达9 0 以上，使有机污染物到排放标准。 三级处理是在一级、二级处理后，进一步处理难降解的有机物、磷和氮等 6 第二章c o d 控制系统方案论证 能够导致水体富营养化的可溶解性无机物等。三级处理是深度处理。 本课题主要处理工业污水中污染负荷高、技术难度大的高浓度有机废水 ( c o d 一般在1 0 0 0 m g l 以上) ，如酒精、淀粉、味精、制药等废水。根据排放 去向分别执行一、二和三级标准。所设计的污水处理系统流程如图2 2 所示。 2 2 控制系统的选择 图2 2 污水处理流程图 f i g 2 2f l o wc h a r to fw a s t e w a t e rd i s p o s a l 随着我国经济的高速发展，对环境保护方面提出了更高的要求，各大中城 市相继建成污水处理厂。而在实际运行中，能达到最佳状况，运行较好的只占 少数。究其原因，主要是管理水平低。虽然某些污水处理厂在一定程度上实现 自动化，但由于大多数采用传统的控制方式，并不能随进水水质、水量的变化 来控制运行，致使出水水质达不到排放标准或浪费了能源。而且一些自动化检 测设备，仪表的功能也不是很完善，在实际检测中达不到预期的效果，误差很 大。目前尚未开发出在线检测有机物、氮、磷的传感器，更传统的反馈控制无 用武之地。而且我国现有的污水处理装置中往往只能实现在线监测和污水处理 工艺的开环控制，控制效果不佳，出水水质波动较大，制约着污水处理的质量 和效果。对这种现象，迫切需要提高污水处理设备的自动化管理水平，以保证 处理系统的可靠运行。充分发挥其处理能力。 绝大多数污水处理厂采用活性污泥法，特别是八十年代以来，序批式活性 污泥法( s e q u e n c i n g b a t c h r e a c t o r 简称s b r 法) 用于处理间歇排放的水质水量 变化很大的工业污水取得了很大成功并被广泛应用。s b r 法的主要缺点是运行 7 第二章c o d 控制系统方案论证 管理复杂，只有实现s b r 法的自动控制，才能发挥其优势。传统的控制方法是 时间程序控制和流量程序控制。时间程序控制主要是根据s b r 法的五个运行阶 段即进水、反应、沉淀、排放、闲置所需的时间进行预先设定后实施的自动控 制。但是工业污水的水质水量随时间变化很大，有时其有机物浓度相差几倍甚 至几十倍，如果按某一相同的反应时间控制s b r 法运行，当进水浓度高时出水 质不合格，但进水浓度低时反应时间过长，即浪费了能耗又易于发生污泥膨胀。 流量程序控制则是根据污水流量的变化调整各阶段所需时间，并进行自动控制。 这两种控制方法的缺点在于不能根据污水水质的实际变化情况及时调整某些运 行参数，从而难于实现自适应的自动控制。而模糊控制则可以弥补这方面的不 足。建立在模糊集合理论上的模糊控制，运用隶属函数来描述一些不确定的模 糊的变量，又通过建立在模糊语言，模糊推理和模糊关系上的模糊控制规则， 对非常复杂的动态规程进行模糊控制，能得到其他控制方式无法实现的控制结 果。 在本课题的污水处理系统中，二级处理部分去除率高，基本可以达到排放 标准。但由于污水的种类不同，不同时候进水口的污水浓度可能变化很大，不 同时刻污水中的c o d 含量也不同，经过生化池处理后c o d 的值也不相同，有 时可能并未达到排放标准，需要加以处理达到排放标准后排放。这是典型的复 杂的动态工程系统，无法找到精确的数学模型来描述。传统的控制方式为了控 制必须建模，而利用不精确的模型，有采用固定的控制算法，使整个控制系统 置于模型的框架下，缺乏灵活性、应变性，很难胜任对此复杂系统的控制。在 这种情况下，模糊控制则充分显示了自身的优越性。因为在建立模糊控制规则 时可利用人的知识和经验以及新的研究成果，让计算机模拟人脑对模糊事物的 处理能力，进而完成其他控制方式无法处理的模糊信息，实现具有智能化的模 图2 3 模糊控制流程图 f i g 2 3f l o wc h a r to ff u z z yc o n t r o l 模糊控 制系统 第二章c o d 控制系统方案论证 糊控制。 将模糊控制应用于s b r 法，解决了经典控制理论或现代控制理论的方法都 很难实现的c o d 自动控制。为了使控制系统达到理想的品质，本文借鉴了污 水处理的经验，提出了用模糊控制方法解决此类时变非线性系统的控制，并分 析和设计了适合于c o d 控制的模糊控制器。因此在生化池的出口接一加药池， 通过加药来调节c o d 的含量，使处理过的污水最终达标排放。本控制系统应 用于加药沉淀池，控制加药装置的加药量。其结构图如图2 3 所示。 将模糊控制应用于s b r 法，主要是解决有机物降解生化反应过程的在线模 糊控制问题。针对生化反应过程与特点，应当建立不同的模糊变量集隶属函数 值、模糊关系、模糊控制规则和计算机算法；然后通过模拟试验加以验证反复 修改，直到得到完整可靠的在线模糊控制系统及其计算机软件。在线模糊控制 器的基本流程图如图2 4 所示： 图2 4 在线模糊控制器的流程图 f i g 2 4f l o wc h a r to fo n l i n ef u z z yc o n t r o l l e r 上述目标可通过以下研究内容来实现： 第二章c o d 控制系统方案论证 1 进择能够在线监测的c o d 值作为s b r 法反应过程的被控制变量。 2 根据专家经验，将在生化反应过程中c o d 的变化量进行模糊化处理。 3 建立以模糊语言表示的模糊控制推理的合成规则和模糊控制规则，并通 过实验反复修改模糊控制规则。 4 在模糊控制规则的指导下，经过模糊决策后，将得到模糊控制变量进行 反模糊化处理，把模糊控制变量转换为可以执行的精确量。 5 设计在线模糊控制器其程序。 6 通过模拟实验来修改完善c o d 在线模糊控制系统，修改控制系统直至达 到预期效果。 1 0 第三章c o d 模糊控制系统的理论分析 第三章c o d 模糊控制系统的理论分析 在过去2 0 年中，模糊控制是智能控制的一个十分活跃的研究与应用领域。 z a d e h 于1 9 6 5 年提出了模糊集合，此后，对模糊集合和模糊控制的理论研究和 实际应用获得广泛开展。模糊控制是应用模糊集合理论的控制方法。模糊控制 的价值可从两个方面来考虑：一方面，模糊控制提出一种新的机制用于实现基 于知识( 规则) 甚至语义描述的控制规律；另方面，模糊控制为非线性控制 器提出一种比较容易的设计方法，尤其是当受控装置( 对象或过程) 含有不确 定性而且很难用常规非线性控制理论处理时，更是有效。 模糊逻辑控制( f l c ) 系统具有以下几个特点： f 1 ) 现存的f l c 系统源于控制工程而不是人工智能； f 2 1f l c 模型绝大多数为基于规则系统； f 3 ) f l c 的应用领域要比专家控制系统窄扣3 j ； f l c 系统的规则一般是总结操作人员的经验，由f l c 的设计者构造的【3 4 1 。 3 1 模糊控制器的结构 模糊控制是基于模糊模型的控制。目前常用的模糊模型有语言模型【3 5 , 3 6 】， 简称l m 模型，和t a k a g i s u g e n o k a n g 提出的模型【j ”，简称t s k 模型。开发 模糊逻辑控制器( f l c ) 与开发基于知识的应用系统一样，在确定设计要求和 进行系统辨识之后，建立知识库( k b ) 和模型，包括规则库、结构、条件集合 定义和比例系数等。有效的知识库能够使存储要求和运行搜索时间最小，并在 目标微处理器上进行开发。知识库可由下列途径来建立：( 1 ) 与过程操作人员 进行知识工程对话，包括分析观察到的操作人员响应；( 2 ) 已发表的用于标准 控制策略( 如p i 和p d 等) 的规则库；( 3 ) 开环和闭环系统的语言模型。 3 1 1 糊控制器的一般结构n ”“3 在理论上，模糊控制器由n 维关系r 表示( 模糊控制器的维数是根据其推 理机输入变量个数决定的”) 。关系r 可视为受约于 0 ，1 】区间的n 个变量的 函数。r 是几个n 维关系r i 的组合，每个r i 代表一条规则r i ：i f t h e n 。控 制器的输入x 被模糊化为一关系x ，对于多输入单输出( m i s o ) 控制时x 为 ( n - 1 ) 维。模糊输出y 可应用合成推理规则进行计算。对模糊输出y 进行模 糊判决( 解模糊) ，可得精确的数值输出y 。图3 1 表示具有输入和输出的理论 第三章c o d 模糊控制系统的理论分析 模糊控制器原理图。由于采用多维函数来描述x 、y 和r ，所以，该控制方法 需要许多存储器，用于实现离散逼近。 一xr y r 一 y 叫模糊化厂啊= x 。r 卜_ 砷溪糊判决r + 图3 1 模糊控制器原理框图 f i g 3 1p r i n c i p l ed r a w i n g o f f u z z yc o n t r o l l e r 图3 2 给出模糊逻辑控制器的一般结构，它由输入定标、输出定标、模糊 化、模糊决策和模糊判决( 解模糊) 等部分组成。比例系数( 标度因子) 实现 控制器输入和输出与模糊推理所用标准时间间隔之间的映射。模糊化( 量化) 固圆圈圆 岖盎蛩b 甚凶马恒亟酽趣受圜与卤 原精确 值输入 标准精 确输入 模糊预估输模糊聚集非标准精 输入出推理输出 模糊化确输出 图3 2 模糊逻辑控制器的一般结构 f i g 3 2g e n e r a ls t r u c t u r eo ff u z z yl o g i cc o n t r o l l e r 原精确 值输出 使所测控制器输入在量纲上与左侧信号( l h s ) 一致。这一步不损失任何信息。 模糊决策过程由一推理机来实现：该推理机使所有l h s 与输入匹配。检查每条 规则的匹配程度，并聚集各规则的加权输出。产生一个输出空间的概率分布值。 模糊判决( 解模糊) 把这一概率分布归纳于点，供驱动器定标后使用。 模糊控制系统的基本结构如图3 3 所示。其中，模糊控制器由模糊化接口、 知识库、推理机和模糊判决接口四个基本单元组成。它们的作用说明如下。 图3 3 模糊控制系统的基本结构 f i g 3 3g e n e r a ls t r u c t u r eo ff u z z yc o n t r o ls y s t e m 第三章c o d 模糊控制系统的理论分析 ( 1 ) 模糊化接口测量输入变量( 设定输入) 和受控系统的输出变量，并把它 们映射到个合适的响应论域的量程，然后，精确的输入数据被变换为适当的 语言值或模糊集合的标识符。本单元可视为模糊集合的标记。 ( 2 ) 知识库涉及应用领域和控制目标的相关知识，它由数据库和语言( 模糊) 控制规则库组成。数据库为语言控制规则的论域离散化和隶属函数提供必要的 定义。语言控制规则标记控制目标和领域专家的控制策略。 ( 3 ) 推理机是模糊控制系统的核心。以模糊概念为基础，模糊控制信息可通过 模糊蕴涵和模糊逻辑的推理规则来获取，并可实现拟人决策过程。根据模糊输 入和模糊控制规则，模糊推理求解模糊关系方程，获得模糊输出。 ( 4 ) 模糊判决接口起到模糊控制的推断作用，并产生一个精确的或非模糊的 控制作用。此精确控制作用必须进行逆定标( 输出定标) ，这一作用是在对受控 过程进行控制之前通过量程变换来实现的。 3 2 模糊控制器设计3 在污水处理过程中，由于污水中c o d 的浓度不相同，可以根据生物处理后 c o d 的值来控制加药量的多少，使处理后的污水达标排放。基于以上分析，针 对加药装霞的调节回路我们设计了一个双输入单输出的模糊控制器，其框图如 图3 4 模糊控制器结构图 f i g 3 4s t r u c t u r eo ff u z z yc o n t r o l l e r 图3 4 所示。输入变量分别为生物处理后的c o d 浓度的偏差e 和c o d 浓度的 偏差变化e c ，输出变量u 为控制阀的开度。模糊控制器由精确量的模糊化， 模糊控制决策，输出信息的模糊判决三部分组成。 3 2 i 精确量的模糊化 法。 模糊化是把精确量转化为模糊量的变换过程。它是模糊控制重要的工程方 在模糊控制中，是用语言值去描述有关量，而不是用物理值描述。例如对 第三章c o d 模糊控制系统的理论分析 于温度模糊控制不是采用1 0 。c 、2 0 c 、3 06 c 等物理值，而是用“冷”、“凉”、“热” 这类语言值。语言值在本质上是模糊量。对物理量温度t ，采用的是物理值1 0 、2 0 ( 2 、3 0 。c 等。对语言量温度t ，采用的是语言值“冷”、“凉”、“热”等。 这两者一比较，显然有很大区别。从物理量转化成语言量，也就是从精确值转 换成模糊值。 设有论域u ，有精确数据x u ，i = l ，2 ，n ；同时，由模糊集合a j u ，产1 ，2 ，r f l 。如果存在x 。，令： n ( x ，) 0 则称x i 属于模糊集合a j ，并且隶属度为t 。( x ，) ，表示为： 一般称x 。隶属度。( x 。) 归属于a i 。 j 在论域u 中，如果给出一个精确值x i ，并根据x i 找到它所属的模糊量气。 如果以a l 取代x t ，则称x i 被模糊化成a i 。 在模糊化的具体过程中需要进行量化、模糊划分和模糊表达。量化实质是 把连续输入精确值的范围离散化；模糊划分就是对论域范围确定模糊量的个数； 模糊表达就是对模糊量的隶属函数进行定义。 1 论域的量化 在模糊控制中，为了便于使用善于执行离散处理的数字电子计算机，把隶 属函数用离散形式表示。也即是说，模糊量使用单点表示的。模糊量a 可表示 如下： a = - t a ( a j ) a 1 + a ( 口2 ) a 2 + 。+ , u a ( a t 。) a 。 如果一个论域中的模糊量是用单点表示的，也即是离散的，则形成这个论 域的元素也是离散的。 模糊控制系统中的被控制对象状态变化是连续的，系统的给定值也是连续 的，所以，反映到模糊控制器输入端的输入量也必然是连续的。但是，模糊控 制器由电子计算机构成，它只能进行离散量处理。因此，模糊控器要求输入的 量是离散模糊量，也即属单点表示的模糊量。 对于图3 4 所示的模糊控制系统，模糊控制器所接收的输入是偏差和偏差 的变化，故其论域是连续的。实际上，以电子计算机组成的模糊控制器能接收 的输入信号是离散模糊量，离散模糊量的论域是离散的。这就需要把输入的连 续量转换成离散的模糊量，即需要把输入量的连续论域变化为离散论域。把连 笙三童里q 里垦塑笙型墨竺堕堡堡坌型i 一 续论域进行离散化的过程称为量化。连续论域经过量化之后就成为一个离散论 域。对一个连续论域量化，就是把连续论域分成一个个小部分，每一个小部分 为一个元素，于是这些元素组成的论域则是离散论域。 本控制系统中要求污水处理后达到国家污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 8 8 ) ， 标准规定第二类污染物最高允许排放浓度的一级标准方能排放，即处理后c o d 浓度低于1 0 0 m g l 3 1 2 o 若取c o d 浓度的偏差的连续论域c 取 一5 5 ，5 5 ( 单 位为m g l ) ，且将连续论域离散化，分为1 3 个等级，即： 一5 5 对应元素一6 5 5 4 5对应元素5 5 5 对应元素0 4 5 5 5 对应元素5 5 5 对应元素6 得到连续论域和离散论域对应表如表3 1 所示 连续论域进行量化的一般方法如下： 连续 - 5 54 53 52 51 5551 52 53 54 5 5 5 论域 5 5 一4 53 5- 2 5一15一551 52 5 3 5 4 5 5 5 离散 论域 6 5 43210123456 表3 1 连续论域和离散论域 t a b 3 1c o n t i n u u mu n i v e r s ed i s c o u r s ea n dd i s c r e t e 设有连续论域 a ，b ，而量化之后的离散论域为( - n ，- n + l ，0 ， n 1 ，n ) ，亦即将连续论域分为2 n 段，则存在系数q ： o ：鱼( 3 1 ) b - a 称为量化因子。 如果在连续论域 a ，b 中有值v ，并且有a v 。 - 7- 6- 5- 4 32- 1012 34567 ( a ) c o d 偏差的隶属函数 第三章c o d 模糊控制系统的理论分析 一玖。 c 一7 6 5 4 3 2 1 0l2345 67 ( b ) c o d 偏差的变化 图3 5 输入量的隶属函数 f i g 3 5i n p u tm e m b e r s h i pf u n c t i o n 输出量u 的隶属函数如图3 6 所示： n bn sz op sp b 凇。 76543- 210l23 4 56 7 ( b ) 控制量u 的隶属函数 图3 6 输出量的隶属函数 f i g 3 6o u t p u tm e m b e r s h i pf u n c t i o n 二、公式表示法 所谓公式表示法就是用单点表示模糊量的表达式。在式中，每个单点以隶