（检测技术与自动化装置专业论文）基于模糊控制的余氯实时在线检测系统的研制.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 f i i i ii iii i 1i iii ii iiu i 17 4 0 919 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于模糊控制的余氯实时在线检 测系统的研制是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：莲助玩 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n y , a 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：办压 导师签名： 业年妇鱼日 j o l o 年石月j2 o 日 摘要 本文针对医疗废水处理系统中添加氯气过程无法用精确数学模型来描述的这种特 征，结合医疗废水处理系统的其他特性，对被控对象进行特性分析，应用模糊逻辑建 立医疗废水余氯实时在线检测和处理系统的数学模型。在此数学模型基础上设计了基 于模糊控制的余氯在线模糊检测系统。按照医疗污水处理的要求，为了达到医疗废水 中余氯的这种实时在线的检测控制的目的，本文研究并设计了一种双输入双输出的模 糊控制器。模糊控制器由5 部分构成：模糊化即对输入输出的精确数据模糊化过程、 数据库即存放输入输出变量的全部模糊子集隶属度矢量值、规则库即全部控制规则、 推理机即确认输入与规则匹配和导出结论、反模糊化即将推理结论的模糊值转换成执 行机构的精确值。其中由规则库生成的模糊控制规则表是整个模糊控制系统的关键及 核心。本设计应用m a t l a b 软件进行辅助设计，利用m a t l a b 软件的模糊推理系统工具 箱对设计进行验证，即设计建立仿真硬件电路和模拟仿真试验以验证模糊控制系统工 作过程并得到预期的输出结果，从而验证了本文设计的有效性。 关键词：模糊控制、医疗废水、余氯、在线检测 2 a b s t r a c t f o rm e d i c a lw a s t ew a t e rt r e a t m e n ts y s t e m sa d dc h l o r i n ep r o c e s sc a l ln o tu s i n gp r e c i s e m a t h e m a t i c a lm o d e lt od e s c r i b et h i sf e a t u r e c o m b i n e dw i t hm e d i c a lw a s t ew a t e rt r e a t m e n t s y s t e m so fo t h e rf e a t u r e s ，a p p l i c a t i o no ff u z z yl o g i ct oe s t a b l i s hr e a l - t i m eo n l i n ed e t e c t i o no f r e s i d u a lc h l o r i n ei nm e d i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n ts y s t e m sa n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n d t m sm a t h e m a t i c a lm o d e lb a s e do nf u z z yc o n t r o lt h e o r y r e a l t i m eo n l i n ed e t e c t i o na n d t r e a t m e n to fr e s i d u a lc h l o r i n ei nt h ef u z z yc o n t r o ls y s t e mt h a ti se h l o r i n ef u z z yd e t e c t i o n s y s t e mr e a l t i m eo n l i n e i na c c o r d a n e ew i t ht h er e q u i r e m e n t so fm e d i c a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n t , m e d i c a lw a s t ei nt h er e s i d u a lc h l o r i n ei no r d e rt oa c h i e v et h i sr e a l - t i m eo n l i n e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lp u r p o s e s ，t h i sp a p e ra n dd e s i g nad u a l - i n p u td u a l o u t p u tf u z z y c o n t r o l l e r f u z z yc o n t r o l l e ri sc o m p o s e do ff i v ep a r t s ：f u z z yo rp r e c i s ed a t ao nt h ei n p u ta n d o u t p u tf u z z yp r o c e s s t h ed a t a b a s et h a ts t o r ea l li n p u ta n do u t p u tv a r i a b l e sf u z z ys u b s e t m e m b e r s h i pv e c t o rv a l u e t h er u l eb a s et h a ti sa l lt h ec o n t r o lr u l e s ，i n f e r e n c ee n g i n et h a ti s s u r et oe n t e ra n dr u l em a t c h i n ga n de x p o r tc o n c l u s i o n , a n t i - f u z z yi n f e r e n c ec o n c l u s i o n s a b o u tt h ef u z z yv a l u ei n t ot h ee x a c tv a l u eo f 也ei m p l e m e n t i n ga g e n c i e s o n er u l eb a s e g e n e r a t e db yt h ef u z z yc o n t r o lr u l et a b l ei st h ek e yt ot h ef u z z yc o n t r o ls y s t e ma n dc o r e t h e a p p l i c a t i o no fm a t l a bs o f t w a r ed e s i g na i d e dd e s i g n , u s i n gm a t i ，a bs o f t w a r et o o l b o xt o t h ed e s i g no ff u z z yi n f e r e n c es y s t e mt ov e r i f yt h a tt h ee s t a b l i s h m e n to fs i m u l a t i o nh a r d w a r e c i r c u i td e s i g na n ds i m u l a t i o nt e s t i n gt ov e r i f yt h ef u z z yc o n t r o ls y s t e mf o rt h ew o r k i n g p r o c e s sa n dg e tt h ee x p e c t e do u t p u t ，w h i c hv e r i f i e sn l i sd e s i g ni se f f e c t i v e k e yw o r d s ：f u z z yc o n t r o l ，m e d i c a lw a s t ew a t e r ， c h l o r i n e ，d e t e c to nl i n e 3 目录 摘要 a b s t r a c t _一 目录 第一章绪论2 1 1 引言2 1 2 医疗污水经处理后的余氯检测及控制在国内外发展情况2 1 3 模糊控制的发展与现状简介4 1 4 模糊控制在污水处理中的应用情况6 1 5 课题的来源及研究目的7 第二章余氯在线检测控制系统方案论证9 2 1 医疗污水经处理后的余氯检测过程的描述9 2 2 模糊控制系统控制对象特性分析一1 0 2 3 控制方法与系统的选择1 3 第三章模糊控制器的设计1 8 3 1 系统的模糊数学建模1 8 3 2 模糊控制器的设计。2 1 3 3 精确量的模糊化2 6 3 4 输出量的模糊判断2 8 第四章氯气添加模糊控制系统的硬件设计3 0 4 1 自动检测部分的设计3 0 4 2 控制系统设计3 4 4 3 通讯系统设计3 8 第五章氯气添加模糊控制系统的软件设计4 1 5 1 系统软件设计一4 l 5 2 氯气添加模糊控制器的软件设计4 5 第六章组装与调试及仿真数据结果分析4 9 6 1 组装4 9 6 2 试验材料与方法4 9 6 3 仿真数据及结果分析5 2 第七章全文总结及今后工作展望5 5 致谢5 6 参考文献5 7 附录5 9 1 1 引言 第一章绪论 医疗废水中存在大量的细菌和其他有机污染物，对周围环境影响十分严重，故国家 环保总局办公厅于2 0 0 3 年出台环办函 2 0 0 3 2 8 3 文件，题目是：关于医院排放污水 余氯自动监测系统建设技术要求的通知，并附有医院排放污水余氯自动监测系统建 设技术要求，吉林省环保厅2 0 0 4 年出台了关于贯彻执行医院污水处理技术指南， 明确了各大、中、小医院必须采用符合文件中所提出的相关技术要求的自动检测医疗 污水排放系统。目前，医院污水的处理方法一般还是采用在污水中通入氯气将细菌杀 灭，既在密封反应罐中，氯酸钠溶液与盐酸性活性剂在负压条件下由控制系统控制，定 量输送到反应系统中，经负压爆气反应产生二氧化氯与氯气混合气体，经吸收系统吸收 后形成一定浓度的二氧化氯消毒剂，然后，进入污水池中，对污水进行消毒，消毒剂的供 应量必须恰当，才能保证既能对污水进行有效地消毒，又能保证消毒后的水中剩余氯的 含量不致过高，否则，大量的余氯会污染地下水及周边土地，造成新的污染。 按着文件要求，一些单位的污水处理室安装了检测传感器，但多数处于损坏或搁置 状态，实际操作中，通常还是通过手工检测进行。所以，人为因素影响很大，致使灭菌不 足或氯气超量供应造成余氯的超标排放，不能满足环保的要求。 根据上述情况，我们研究、设计了医疗废水余氯实时检测和控制系统，利用光电 原理检测医疗污水经处理后的余氯含量，本文重点研究了利用模糊控制技术控制前端 加氯装置向污水中添加入适当氯气，以满足医疗废水净化的要求，避免造成二次污染。 1 2 医疗污水经处理后的余氯检测及控制在国内外发展情况 医院污水来源及成分复杂。主要来源是医院的诊疗室、化验室、病房、手术室、 洗衣房、x 片照相室等排放的污水。污水中含有大量的病原细菌、病毒和化学药剂，具 有空间污染、急性传染和潜伏性传染的特征| 9 3 。若含有病原微生物的医院污水，不经 。过消毒处理就排入城市下水管道或环境水体，会造成水体的污染，引发各种疾病及传 染病，危害人们的身体健康啪。2 0 0 3 年非典型肺炎的发生、目前全世界所面临的甲流 的传播都使人们更加认识到预防病原微生物传播的重要性，医院污水和医疗废物的处 理与处置也受到政府部门和社会各界的进一步重视。医院污水的特点决定其无害化处 理，比一般废水处理具有更高的要求：特别是具有高度传染性的疾病在社会上蔓延， 2 对现有医院污水处理的工艺技术水平及其设施，是一种严重的考验。 目前，国内医院污水处理的方法很多，包括物理处理法，生化处理法和化学处理 法等，主要方法还是在废水中通入氯气将细菌杀灭。该方法中一个重要的环节就是添 加氯气，来消毒以杀灭细菌和病毒。添加氯气通常的方法是流量比例控制法。既在密 封反应罐中，氯酸钠溶液与盐酸性活性剂在负压条件下由控制系统控制，定量输送到反 应系统中，经负压爆气反应产生二氧化氯与氯气混合气体，经吸收系统吸收后形成一定 浓度的二氧化氯消毒剂，然后，进入污水池中，对污水进行消毒。加氯前设置一台流量 计，测量需要加氯的水量，然后依据设计的加氯量或经验值按流量的比例加氯。其缺 点是不能依据水质调节，不能控制消毒成本。图卜1 为目前一些医疗废水处理的过程 的示意图。 孜氯 格调初生 _ 接 。- 医疗污水 次化次 l 节 沉处沉 k 触 - 淀理淀 栅 池 池池 池 l iii iii ii ii i 一一一l 一一j 一一一一一 图卜1 现1 z u j 医，jj 厦小处理h y 也任习- - 意图 由于废水中成份较为复杂，所以很多厂家生产的检测余氯成份的传感器经常被其 他因素干扰，造成测试的不准确甚至损坏传感器本身。一些传感器不但规定了苛刻的 使用条件，而且，认可的使用寿命只有一年，无论在测试质量或性价比等方面都很难适 应实际应用的要求。国内的一些医院中，污水处理室确实安装了自动检测余氯系统， 但多数处于损坏或搁置状态，实际生产过程中，一般还是通过手工检测水中的余氯含 量。这种现状导致余氯检测的不准确、不及时，导致灭菌不足或排出余氯超标而造成 新的污染，无法满足环保部门对污水的处理要求馏3 i 。 近年来，许多高校、研究机构、企业都在致力于污水处理工艺和污水处理自动控 制的研究，并各自取得了显著成果。如绍兴污水处理厂2 0 0 4 年4 月根据智能控制理论 引进的德国的v a c o m a s s 暴气控制系统，做到了暴气池经济供氧和安全供氧，解决了以 前生化池内溶解氧不均衡的问题，实现了生化池的自动化稳定化控制。目前，v a c o m a s s 暴气控制系统已经应用于绍兴污水处理厂的三期工程。该污水处理厂正是应用了上海 同济大学张志峰大型工业废水处理厂节能降耗减污集成新工艺研究和2 0 0 5 年林如 海、张志峰在自来水、污水处理厂技术改造研讨会论文集中智能供氧系统在污水处 理中的研究等研究成果而取得了成功h 3 。江苏张家港市传感器厂生产的c r m 0 1 a 型自 来水游离氯连续检测系统，是用于水中游离氯的连续检测、控制和记录的专用仪器， 可代替传统的邻联甲苯胺比色法。它是基于游离氯在电极上的化学反应会产生一个与 水中游离氯浓度相关的电信号，经过二次仪表的放大、转换和标定，显示出对应的游 离氯浓度。大连合众水科技有限公司生产的在线余氯比色计，上海祁立环保设备有 限公司的余氯检测仪：余氯测定仪：余氯分析仪：便携式余氯计：台式余氯检测仪：余氯 监测仪：余氯测试仪盯1 ，都是近几年研究开发的检测余氯的产品。 ，一 在国外，美国、英国、日本等国家的很多研究机构，对余氯检测及控制的关键技 术研究也取得了许多突破性进展，其研究领域主要为远程控制氯气的投放量，氯气的 不分解现象的研究等。 英国百灵达公司( p a l i n t e s t ) 致力于余氯传感仪的研制，该公司已经研发出多款 便携式余氯检测设备。五十年前，p a l i n 博士创立了d p d 余氯检测法，该方法至今仍是 最为广泛接受的国际标准方法。今天百灵达继续走在余氯检测的技术前沿，百灵达有 限公司与2 0 0 7 年4 月2 4 日在英国总部推出了革命性的余氯传感仪，经典的d p d 余氯检测 法测量余氯是非常精确和灵敏的，但它对操作的要求比较高，当光路有玷污时、当显 色时间没有精确控制时、当余氯浓度过高产生漂白效应时都会产生意外的错误值，所 以人们通常会认为只有经过严格培训的工程师才能执行余氯的精确测量。而余氯传感 仪突破了技术的限制，人人都可以使用它进行专业的水质检测，无需加入试剂反应、 无需清洁光路、无需等待计时，只是将传感器插入仪器并合上仪器，它就会自动地测 量出游离余氯、总余氯和水温三项参数，并显示在液晶屏上。德国w a t t e c 公司生产的 o c m2 2 3 在线余氯监测仪，是以0 c m 2 2 3 为面板盘式安装，测试准确，性能稳定。广泛应 用在自来水水质监测、空调冷却水、食品工业、游泳池等场合。该仪器主要测试余氯 或二氧化氯，测试余氯时可实现自动p h 补偿。该仪器操作简单明了，带提示信息，大 尺寸双行l c d 显示屏，可同时显示余氯- - 氧化氯测试值以及p h o r p 和温度。内置防闪 电电路，符合规范要求，操作安全有保障，手动操作模式可方便地调整仪表状态，如 继电器动作状态、模拟电流输出状态等，在感测到水样没有流动时，可自动终止测试， 单点自动校正，输入实验室测试结果。其准确度可达n o 5 n 试值。 综上所述，检测水中余氯的方式方法在国内、外很多，技术已经相对成熟，但在 线检测医疗废水中余氯的方面技术还不成熟，有待于我们继续研究。基于现有技术的 优点和缺点提出了我的课题“基于模糊控制的余氯在线检测系统的研制 。 1 3 模糊控制的发展与现状简介 随着科学技术的飞速发展，在那些影响因素较多的，不确定性的，严重非线性的、 一多样性的、复杂的大系统中，传统的控制理论和方法越来越显示出其局限性。长期以 来，人们期望以人类思维的控制方案为基础，创造出一种能反映人类经验的控制过程 4 知识，并可以达到控制目的，能够用各种形式表达出来，而且这种形式既能够取代那 种精密、反复、有错误倾向的模型建造过程，又能避免精密地估计模型方程中各种参 数的过程。这就是模糊控制产生的背景哺引。 模糊控制的概念最早是有美国加利福尼亚l o t f ia z a d e h 博士1 9 6 5 年提出，他 在著作中提到“多样性 并举例根据这种多样性的输入系统，设计了一种模糊控制器， 引起了控制理论的一场革命，并从此广泛应用于工业设备。这种理念被迅速认同，使 得模糊控制系统广泛的应用。 。一 模糊控制的理论和方法2 0 世纪8 0 年代得到了快速发展。目前，世界许多国家的 学者对于模糊控制的研究都引起了普遍的关注晗射。目前，在工业上投入运行的模糊控 制器大都由一组模糊规则组成，通过一定的模糊推理机制确定控制作用。大量的工程 实践表明，模糊控制主要适用于那些具有非线性的复杂系统的控制。 模糊控制的特点： 1 适用于不易获得精确数学模型的被控对象。 2 是一种语言变量控制器。 3 从属于智能控制的范畴。该系统尤其适于非线性，时变，滞后系统的控制。 4 抗干扰能力强，响应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒口引。 近年来，在美国和欧洲也完成了一些模糊控制逻辑控制系统的工作，而且开发出 了一些采用模糊逻辑控制器的产品。有关于模糊控制技术以及模糊控制理论得到了大 量的研究，这就意味着它已经变成了人们有关于自动控制的得力工具，应用日益广泛。 例如汽车空调控制系统，由于整车中影响环境温度的因素有很多，所以现在很多高端 汽车的自动空调系统在整车中装置许多传感器，例如外部温度，车室温度，烟雾传感 器等等，采集多重信号，经过模糊控制器的运算得出最适宜人体的温度及车室环境， 从而支配空调系统运转达到车内的最佳舒适度晗副。 模糊控制通过模糊逻辑和近似推理方法，把人的经验形式化、模糊化，变成计算 机可以接受的控制模型，让计算机代替人来进行有效的实时控制。模糊控制的关键是 模糊控制器的设计，设计模糊控制器必须解决以下几个问题： ( 1 ) 输入量、输出量的模糊化； ( 2 ) 建立模糊控制规则或模糊控制表； ( 3 ) 输出信息的模糊判决。 现在出现了许多商品化的模糊组件，通过装载推理软件来实现各种其功能。在汽 车的车身弹性缓冲系统、变速控制、巡航控制系统、刹车装置系统等部件中，已经广 泛地使用模糊技术。例如日本三菱公司研制的模糊跟踪系统，可以根据检测到的前转 向轮的转角和车速，求得汽车的转弯速度，再根据司机所要求的功率对轮胎承受能力 进行控制，还能自调整发动机的功率，保证汽车转弯时不会发生偏行。 模糊控制技术应用于轿车刹车系统，大大减少了过去由“e c u ”控制自动变速器进 行精确计算的麻烦，使自动变速更具实时性。而美国的福特汽车公司应用模糊技术制 5 造出一种新的汽车调节器，不但能够在与别的汽车距离过近时自动刹车，还能够准确 地保持汽车速度 2 9 o 近年来，随着模糊控制在我国渐渐引起了广泛的重视，从事各种 工业控制、设备自动化、家用电器智能化、单片机应用等方面的研究。1 9 9 3 年已经开 始对模糊算子和模糊控制器的算法进行深入讨论。 1 9 9 6 年中国的李东辉开展了模糊控制规则自调整。模糊控制系统寻优及其仿真研 究。日本的安信等人把模糊控制用于港口集装箱起重机的小车行走的运行控制。随着 科学技术的发展，模糊逻辑和模糊控制的应用会越来越多，越来越广泛6 1 。 1 4 模糊控制在污水处理中的应用情况 目前，大多数的污水处理厂采用传统的控制方式( 时间程序控制或流量控制) ，但由 于工业废水的排放不仅是变化的或间歇的，而且其有机物浓度也随时间变化很大，往 往相差几倍或几十倍，因此传统的控制方式不能达到较好的控制效果。由于模糊控制 方法的上述优点，而被相继应用在水处理领域，并取得了显著成效。模糊控制己在活 性污泥污水处理系统中得到了成功的应用阳3 。活性污泥法污水处理系统是一个复杂的动 态工程系统，无法用精确的数学模型进行表示，因此用模糊控制方法对活性污泥中的 出水悬浮物进行预测和控制，既能防止能源浪费，又能达到令人满意的处理效果。对 硝酸态氮污染水脱氮处理的生物电极法采用模糊控制，有利于避免过量的投加有机物， 节省运行费用啪2 。上海同济大学己将模糊控制技术应用到三沟式氧化沟污水处理中， 并将其成功应用到上海阂行污水处理厂三期工程中，运行效果良好 2 2 i 。此控制系统主 要对转刷电机进行间歇式和组合的控制以此来改变三沟中的充氧量，达到工艺要求。 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、长滞后和一些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 一结论口3 。己提出应用模糊数学方法对污水水质进行评判，依据污水中污染物危害程度 不同，确定各污染物的权重，以此进行污水水质的判定，该方法可以根据各污染物的 权重，为日常工作中加强重点项目监测提供理论依据。 模糊控制在水处理领域己得到了成功的应用，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，才能发挥其优势陋引。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口4 | ，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7 1 。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，合理控制曝气量拉o 。对 硝酸态氮污染水脱氮处理采用模糊控制，有利于避免过量的投加有机物，节省运行费 6 用陇3 。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。 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心4 1 。 在国内外模糊控制已应用于污水处理系统的一些环节中，如蓄水池水位的智能控 制、s b r 法污水处理等等。其中s b r 法污水处理是一个典型的复杂动态工程系统，无法 用精确的数学模型进行描述，应用模糊控制理论对污水处理池中污泥中的悬浮物进行 控制，茕有效地节约能源，达到非常好的效果驯。对硝酸态氮污染水脱氮处理的生物 电极法采用模糊控制理论，也可以有效的避免投加过量的有机物。我国第一座三沟式 氧化沟污水处理厂改造项目是河北省邯郸市东污水处理厂改造项目，全厂实现了工艺 设备、电气设备及自控仪表系统的改造，此设计是由中国市政工程华北设计研究院承 担设计。该项目采用了模糊控制技术，提高了该污水厂的自动化管理水平、确保邯郸 市污水处理率达到8 0 以上，对提高环境保护具有重要意义n4 1 。清华大学的环境模拟与 污染控制国家重点实验室针对在系统的溶解氯控制具有多变量、大时滞的特点，引，采 用了模糊推理策略来控制系统的溶解氯浓度，设计了溶解氧的模糊控制器，并将该控 制器进行了仿真实验和实际试验，结果表明，基于模糊推理的控制器具有很好的快速 响应能力，超调量比较小，为污水处理系统自动控制提供了一种新方法n 引。 上述内容表明模糊控制应用于水处理已有很成熟的经验，但尚未发现在医疗废水 余氯检测中应用。 1 5 课题的来源及研究目的 本论文来源于吉林省科技发展计划项目“医疗污水排放自动监测控制系统”，编号 为2 0 0 4 0 3 3 4 。本文在该课题中主要完成通过光电检测原理检测医疗废水经处理后的余 氯含量参数，利用模糊控制技术控制前端加氯装置向污水中加入适当氯气，使医疗废 水满足达标排放的要求。本文主要应用模糊控制理论研制模糊控制器，通过得出的结 果控制前端氯气添加系统进行实时给氯。图卜2 为控制氯气添加的简易流程图。 图一1 - 2 控制氯气添加的简易流程图 研究的目的：由于医疗污水经处理后的废水中氯化物残余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。选用模糊控制方法可实现对此类时变非线性系统的控制。通过对废水 中余氯含量的研究，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。该系统可实现余氯含量的实时监控：即依靠光敏二极管传感器在线 检测器及时采集数据，通过模糊控制器对输入量判 控对象，使其在尽量短的时间内发生调整动作，使 达标排放。同时满足余氯监测数据的有效性和可比 据，达到净化环境，保护环境的目的。 第二章余氯在线检测控制系统方案论证 k 模糊控制( 蛔c o n t r 0 1 ) 是通过计算机代替人，并用语言描述来进行控制的技术， 是近代控制理论中建立在模糊集合上的一种基于模糊推理与语言规则的控制理论，是 智能控制的一个重要分支。模糊集合理论是它的数学基础，在此基础上进行模糊控制 的推理运算。模糊控制不仅提出了一种新的控制规则，而且也为非线性控制提出一种 比较简易的设计方法，尤其是当受控装置含有不确定性而且很难用常规非线性控制理 论处理时，更是有效乜5 】。传统的控制理论主要用来分析解决线性系统的控制问题，而 对于那些很难提出精确数学方程或数学模型的实际课题，模糊控制技术发挥了奇特的 优势。正因为如此本系统根据自身氯气的添加量无法描述的特点选用模糊控制技术 【船 2 1 医疗污水经处理后的余氯检测过程的描述 一口 一一一一一一一一一一上一一w i t - 一 图2 1 系统流程简图 医疗废水通过过滤池进行过滤，检测系统对与试剂混合液采样，进入流动池，碘 钨灯通过滤波片和凸透镜形成一束单束光，照射采样液体，光敏二极管得到一个光信 号，并将其转换为电信号送入信号处理电路，然后送入模糊控制单片机中确定废水中 余氯的含量，如含量过高，沉淀一定时间后再进行检测。如达标，单片机控制电磁开 关，将废水排放，如检测后氯含量不够，单片机控制氯气生成器添加氯气直至达标为 止。本系统是借助发色可见光波长范围内光吸收的原理，通过检测流动池中的混合液 在光的照射激发下产生对光的吸收效应，确定液体中余氯的含量。对废水进行定量分 析实现在线检测医疗废水中余氯的一个关键的问题是自动添加氯气，即通过单片机控 9 -_ 9li， 制前端的步进电机来控制氯气的给入量，实现自动检测控制的目的。 本课题将模糊控制理论应用到实际课题中，主要工作是围绕着图2 - 1 框中标示部 分所示，完成对医疗废水的定量分析，根据光敏二极管采集到的余氯含量的样本，在 线生成模糊控制表，完成模糊推理，得到规则库从而进行对医疗废水即被控对象的分 析，设计模糊控制器，从而通过单片机输出驱动信号控制前端的步进电机来控制c l ： 的给入量。 在本课题的污水处理系统中，由于医疗污水的含有的杂质种类不同，不同时候进 水口的污水浓度可能变化很大，不同时刻污水中的余氯含量也不同，医疗污水经过处 理后余氯的值也不相同，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 2 2 模糊控制系统控制对象特性分析 模糊控制是模拟人脑的思维方式，把人的操作经验归纳成控制规则存放在计算机中， 利用模糊控制理论将其定量化，通过一些模糊规则对输入信号进行分析和判断，然后 给出控制量，以便使控制器模仿人的操作策略和经验脚1 。模糊最重要的特征是反映人 们的经验以及人们的常识推理规则，而这些经验与常识推理规则是通过语言来表达的。 在世界上，有些事物的复杂性使人们不可能精确地去了解它。事物越复杂，人们对事 物的了解越不完善，人们对事物的认识越无法用精确的数学去描述去解决，医疗废水 中余氯的检测氯气的添加正是属于这类问题。 医疗污水经处理后的废水中氯化物残余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， 选用模糊控制方法解决此类时变非线性系统的控制。我们通过对废水中余氯含量的研 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。该系统能实现余氯含量的实时监控：即依靠光敏二极管传感器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，使余氯的输出趋于设定的标准，实现达标排放。该设 计完成了在线检测医疗污水余氯情况，并根据余氯含量进行模糊判断控制前端给氯系 统的目的，为医疗污水的在线处理提供了基础。实现水处理设备标准化、系列化，从 而提高集约化程度。 1 0 图2 - 3 模糊控制系统结构图 本系统中使用的模糊控制器来控制氯气添加，此模糊控制器利用基于余氯含量可 能的分布方式进行近似推理，得出所需的控制特征。可能存在的分布，是模糊控制器 不仅仅局限于某一单一元素而具有可变性。可能的分布可以用于描述系统不确定和不 完整的信息。完成系统的非线性分析，并对于本系统中有两种可变的语言描述，输入 和输出变量。在余氯添加的模糊逻辑系统中，模糊准则可以确定系统的输入和输出的 可变变量的相互联系。在本系统中考虑到模糊控制的特征，取决与连续的动作“余氯 检测 和“在线添加余氯”，所以设定两种控制准则， 准则1 ：如果污水处理后检测余氯含量超标，然而氯气仍不断添加； 准则2 ：污水处理后检测余氯含量中与控制表状态比对； 在这里我们将语言的可变性，定义为“高”“低”“正常”“接近正常 可以视 作可能的元素分布中的可能性的主体模型。通过模糊控制规则完成例如，污水经处理 后余氯含量偏高，可定义模糊控制器处理后的结果如下表5 - i 所示。 表2 - 1 系统中应用的模糊控制器处理运算准则 模糊控制器 t 一结果t 一多方作用结果 逻辑运算t ( a nb ) = m i n ( a ，b )c ( a wb ) = m i n ( a ，b ) 代数运算t ( ar 、b 1 = a bc ( a wb ) = a + b a b 合成运算 丁( 口r 、6 ) = m a x o ，口+ 6 - 1 】c ( a u b ) = m i n i l ，口+ 明 模糊运算 c c ，_ 1 f 蒜a , w h e n , b = i 。0 f 口， = 丁( 口n 6 ) = b , w h e n , a = w h e n b 1 1 步骤1 ：以控制准则为前提计算p 2 的相互作用的交集 步骤2 ：考虑到控制准则1 ，2 所起到的作用，可以通过输出模糊控制的分布元素得 出，输出系统中所检测到的余氯含量。 步骤3 ：根据每个模糊控制准则得到最终想要的余氯含量的元素分布 基于模糊控制规则的推理可用于与系列活动的一个近似推理本系统的模型连接的 优先级和对象流的联系。可以用一种近似推理方法基于本系统模型数据图形，以污水 处理后溶解氯的浓度参考为被控制量，它与控制量无法建立精确的数学模型，无法用 隶属或者传递函数的办法将其描述，考虑到医疗污水的所含盛饭是随机可变的，因而， 针对本系统的控制对象，要克服其他控制器无法完成的困难，需要模糊控制技术来设 计模糊控制器。 模糊控制器具有克服非线性的对控制对象参数变化不敏感的特点。本系统考虑到 其他控制中无法消除静态误差的缺点，需要引入积分环节，如下图2 4 所示模糊p i d 控 制器。模糊控制器具有克服非线性、大惯性、纯延时能力和对控制对象参数变化不敏 感的特点，但由于计算机存储量有限，只能取有限的控制等级，因此，模糊控制器控 制精度的提高受到了限制。在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易 性和快速性，通常采用二维模糊控制器结构形式。而这类控制器都是以系统偏差e 和偏 差的变化率e c 为输入语句变量，因此它具有类似于常规p d 控制器的作用，由线性控制 理论可知，采用该类模糊控制器的系统有可能获得良好的动态特性，但由于无积分作 用，无法消除静态误差。为了克服一般模糊控制器的上述弱点，在模糊控制器中引入 了积分环节( 即对偏差e 进行积分的模糊p i d 控制器) ，如图2 - 4 所示。图中k ，、k ：、k 。为控 制器的量化因子，凡为积分参数。它是由一个常规积分控制器和一个二维模糊控制器 相并联而构成的。常规p i 控制器输出为u ；= k ，e ；，和二维模糊控制器输出控制量u f 相叠 加，作为模糊p i d 控制器的总输出，即u ( t ) = u ，+ l i ，。这里e - - - o 是连续变化的，因此凡万e ， 也是一个连续量。因此，这种模糊p i d 控制器不仅可消除极限环振荡，而且可完全消除 系统余差，使系统成为无差模糊控制系统( e - - o ) 。 ee 图2 - 4 模糊控制器消除静态误差的结构示意图 2 3 控制方法与系统的选择 精确的输入变量经过隶属函数的模糊化后，通过模糊控制学习得到的控制规则库 进行模糊推理，推理得到模糊输出变量电压u i 这个电压量u ，控制转向，以达到自动控 制前端给氯专职加氯的目的m 3 。 1 在本系统中主要运用了模糊控制巨大的并行处理能力，每一节点的操作独立于 其他节点，可以将污水处理系统中的某一控制节点作为一个单独的处理器，即使医疗 污水中含有的不确定元素极多，但并不像以往经验模型在很多程度上依赖于某一自变 量，依赖于某一个节点，但不影响整个系统需要的稳定性，有能保证实时对氯的添加 及停止。而且标胶处理带中噪声或者不完整的数据时，其滤除噪声的能力比经验模型 强， 2 模糊控制具有自适应能力，他能通过调节节点间的连接权重，直接得到所期望 的输入一输出模式。 3 本系统是多输入，多输出系统，影响结果也就是氯的添加量的多少元素非常多， 然而以往的经验模型只能反映一个或两三个因变量元素。在本系统中，模糊控制可以 将多个自变量反映到多个因变量。完成系统要求。 模糊控制经过训练可有效的提取信号、语音、图像、雷达等感知模式的特征，并 能解决现有启发式模式下不能很好解决的不变量探测、自适应、抽象、概括性等问题。 目前应用领域十分广阔，大到航空航天，电子业，国防工业，小到信用卡等等，其中 汽车自动驾驶系统就广泛的应用了模糊控制b 。在本系统中由于医疗污水中含有的微 生物的种类及其他污水杂质较多，多种变量的相互影响，所以选择一种有效的控制方。 式十分重要。 模糊控制的优点如下： 1 以分布式储存信息，所有定量或定性的信息都等势地分布存储于网络的神经元， 各神经元之间广泛的连接，即使网络中部分单元损坏，也不影响整体的功能，网络本 身具有良好的可靠性，鲁棒性和容错性池3 。 2 能以任意精度逼近任意连续非线性函数，虽然单个神经元的输入喻出关系比较 简单，但是理论上证明任何连续函数都可由多层模糊控制以任意程度逼近。模糊控制 的这种用简单个体的群体效应来解决复劣份问题的性质是与当前非线性复杂系统的研 究成果相一致的。 3 具有十分强的自适应、自学习功能，人工模糊控制可以通过练习和学习来获得 网络的权值与结构，展现出很强的自学习能力和对环境的自适应能力，能够适应系统 复杂多变的动态特性。 4 采用了并行处理方式来处理信息，使大量信息的快速运算成为可能，可以解决 控制系统中大规模实时计算问题。而且并行机制的冗余性使控制系统具有很强的容错 能力。 5 信息处理与存储一分为二，模糊控制的每一个元素及论域都兼具有信息处理和 存储功能，元素或论域之间的连接强度的变化，即反应了对信息的记忆，同时神经元 一起反应对信息的处理 一 目前，对模糊控制的研究十分活跃，模糊控制也是智能控的一个崭新的研究方向。 2 3 1 模糊控制与传统经典控制理论比较 一般情况下，传统的闭环控制系统如图2 - 3 所示，它是一个负反馈系统，从被控 对象检测出状态变量，用此检测值与目标期望值进行比较，控制器根据二者的偏差按 某种数学模型进行运算，用其输出结果作为控制量。当各种外部环境有变化，对过程 产生扰动时，控制器也需要做出相应的变化，以达到自动控制跟随目标值目的。这种 控制算法的特点是可包容非线性因素。 传统控制系统的局限性：上述系统都要求对于同一个被控对象，常常写出不止一 个数学模型啪3 。 图2 - 5 传统控制中闭环系统的基本结构 自适应控制系统本身不断地检测系统参数或运行指标，根据参数或运行指标的变 化，改吧控制参数，是系统运行于最优或接近于最优工作状态，其基本结构图如图2 6 。 1 4 图2 - 6 自适应控制器基本结构图 自适应控制无法应用于本系统中主要缺点是无法构造一个适当的函数，而用超稳 定性理论来设计模型参考自适应系统，它虽然可以给出一族自适应规律和较好的整套 设计理论，但限于多变量系统和离散时间系统的设计方法。上述系统都要求尽可能准 确地掌握被控对象的动力学特性，即要求建立起准确的数学模型，在此基础上设计比 例积分微分补偿环节( p i d ) ，并确定p i d 参数。对于一些简单的对象，上述控制系统已 经取得较好的控制效果。而对于一些强藕合、多参数、非线性、时变性、大惯性、纯 滞后的复杂系统，建立它们的精确数学模型是很困难的，有些甚至是不可能的。对这 样一些对象，用上述控制方法或者无法实现控制，或者控制效果极差。与其形成对照 的是，在实际工作中，一些有经验的操作人员通过观察和决策，用人工控制方法反而 能得到较好的控制效果n7 1 。总结操作人员的经验并形成语言控制规则，运用模糊集合 论模拟操作人员的推理与决策，从而实现自动控制的技术，叫做模糊控制技术。 运用模糊控制技术实现对被控对象进行控制的系统，叫做模糊控制系统。模糊控 制系统本身计算机控制系统，其系统硬件结构框图和经典控制是一致的，其不同之处 在于控制算法，而一般计算机控制系统的基本控制算法是p i d 算法。所谓“真实的模 型”，就是推导出一个尽可能精确地、可以用来评价控制系统性能的、可以仿真的模型。 工程中存在着大量的过程，传统的控制系统无法完成其数学模型，但是，通过模糊控 制系统，可以根据总结的模糊控制表，生成控制规则，有经验的操作人员可以成功的 运行该类复杂的生产过程。 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 的余氯含量也不同，经过生化池处理后余氯的值也不相同，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