（材料加工工程专业论文）工业造纸废水处理智能监控系统的研究.pdf

华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a s t e w a t e ro fp a p e rm a k i n gi n d u s t r yisoneo fp r i m a r yp 0 1 1 u t i o n s o u r c ef o re n v i r o n m e n tp o l l u t i o n m a n ys c h o l a r sa n de n g i n e e r sh a v e d o n ea1 0 to fw o r kf o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sf o rp a p e r m a k i n g i no r d e rt om 8 k ew a s t e w a t e ru n d e rp e r m iss i v es t a n d a r d s t a b l yf o rw a s t e w a t e ro fp u l pa n dp a p e rm a k i n gf r o mw a s t ep a p e r t r e a t m e n tp r o c e s s ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kc o n t r o lm e t h o d is u s e di nt h ist r e a t m e n tp r o c e s s t h e r eisu n c e r t a i n t ya n di n s t a b i l i t yd u r i n g 宵a s t e w a t e rt r e a t m e n t p r o c e s s t h ec h a r a c t e r so ft h ep r o c e s si n c l u d em u l t i v a r i a b l e ， n o n 一1 i n e a r ，c h a n g i n gw i t ht i m ea n dr a n d o m s oi tisd i f f ic u l tt o s e t u pp r e c i s em a t h e m a t i cm o d e l aa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k p r e d ic t i o nm o d e lw i t hi m p r o v e db pa l g o r i t h misd e s i g n e dt os i m u l a t e t h er e l a t i o n s h i po fi n p u ta n do u t p u to fw a s t e w a t e ro fp u l pa n dp a p e r m a k i n g f r o mw a s t e p a p e r t r e a t 瓤e n t p r o c e s s ，u s i n ga b i l i t y o f a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka p p r o a c h i n gt od is c r e t en o n l i n e a r m a p p i n g m u c he x p e r i m e n td a t aw h i c hd e n o t e st h er e l a t i o n s h i po fi n p u ta n d o u t p u t o fw a s t e w a t e ro fp u l pa n dp a p e rm a k i n gf r o mw a s t ep a p e r t r e a t m e n tp r o c e s si sg a i n e d ， u n d e ra na u t o m a t i cc o n t r 0 1s y s t e m w h ic hiss e t u p t om o n i t o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s si n l a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t b a s e do nt h ed a t a ， p o s i t i v e o r i e n t e da n d c o n v e r s e o r i e n t e dm o d e lf o rt h eo b j e c tt ob ec o n t r o ll e dh a sb e e n b u i l ta f t e rt r a i n i n g t h er e s u l to fs i m u l a t i o ns h o w st h a tt h e a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kc o n t r 0 1s y s t e mf o rw a 荤夸鲁蘸量茎垂量，孪霎f ? 亨 置葛霉嚣兰薹三善霪茬薹i 蠢 爹警疗蓐疆建士翼追童藩塞争妻耋- 毫r 喜。薹耋基朝一璧虱器羔量薹舄掌龟点薹毳喾墓 毳l 目毪霎耋霎 薯尹尊暑i i主毒至薹 耋i 差手萝囊 摹垂霹i 每罩量 翟轰擎蠹莲霉量譬塞妻蕃亨囊薯堂薹；薹蓬， i fi c i a ln e u r a l n e t w o r kc o n t r 0 1s y s t e mf o rw a s t e w a t e r ofp u l pa n dpap e rm a k i n gf r o mw a s t e papert r e a t m e n tp r o c e s sc o m p o s e db yt h ea bo vem o d e l ，c a n predic tt h ee f f l u e n tw a t e rc o d f o rn e x tt i m e t h ea ve r a g ee r r o ro f prediction doesnotexceed10itmeansthattheeffectofcontrollingiswelltheartificialneuralnetworkcontrollerwasembeddedinto t h a ti n t 0 1 1 i g e n tc o n t r 0 1 l i n go n 一1 i n eisa c h i e v e df o rw a s t e w a te r o fp u l pa n dp a p e rm a k i n gf r o mw a s t ep 8 p e rt r e a t m e n tp r o e e s s 。 t h e f l u e t u a t i n go fe f f l u e n tw a t e rc o bisu n d e rt h ea g c e p t a b l er a n g e k e yw o r d $ ：p a p e rm a k i n g ： w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ： n e u r a ln e t w o r k l l l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 废纸制浆造纸废水处理技术概述 1 1 1 废纸制浆造纸废水处理技术研究的必要性 水是生命之源，是社会经济发展的必不可少的宝贵资源。随着人口的增长和 工业的发展，对水的需求日益增加，而地球上的可用水资源有限，许多国家都面 临水资源短缺的危机。如何有效利用水资源是人类共同面临的课题之一。 制浆造纸工业的整个生产过程，包括从备料到成纸、化学品回收、纸张的加 工等都需要大量的水，用于输送、洗涤、分散物料及冷却设备等。虽然生产过程 中也有回收、处理、再用，但仍有大量的废水排入了水体，造成了水环境严重污 染。近些年来，随着人类对自然资源保护意识的加强和对环境污染的重视，已逐 渐认识到利用废纸作为原料生产脱墨浆进行造纸的重要性和优越性。废纸的再循 环利用，不仅能直接降低环境污染，而且废纸价格低廉，所需制浆设备投资少、 化学药品的消耗也较少，因此，废纸作为一种纸浆的来源代替原生植物纤维原料 造纸是非常经济实用的。目前世界各国回用废纸每年大约l 亿吨，发达国家的废 纸回收利用率已达5 0 以上，增长速度远比其他造纸原料快。前几年我国的废 纸利用率不到3 0 ，远低于发达国家水平“1 。但随着国家对造纸工业环保的重视 及世界范围内植物资源的缺乏，国内用二次纤维作为造纸原料越来越多。目前我 国已有利用二次纤维造纸的厂家在8 0 0 家以上，可以预计利用废纸进行制浆造纸 必将是我国造纸工业发展的一个重要趋势。 虽然利用废纸进行制浆造纸可以减少环境污染，但是，在废纸的脱墨过程中 仍会产生一定量的脱墨废水。同制浆造纸过程其他工段所产生的废液相比，废纸 制浆造纸废水的污染负荷较小，但各项污染指标仍远超国家规定的排放标准。废 纸制浆造纸废水已成为造纸工业的一个新的污染源，引起了人们的重视。 1 1 2 废纸制浆造纸废水处理技术 1 废纸造纸废水的主要成分 一般来说，废纸造纸废水中主要含有半纤维素、木质素、无机酸盐、 细小纤维、无机填料以及油墨、染料等污染物。半纤维素、木质素主要形成废水 第吾磊蠢薹霉藿垂堇雾毫震孽 避篓冀霎鼎鋈雾霞冀羹萋麓羹 霪黉要雾薹萋墓蕊，鋈囊喜嚣羹羹雾霎蠢鍪羹酹妻鏊蓁霾鋈臼猷醋 矾互黜幕耗荟彝帮刽副刚塑垒曩。峨穗暖撬潋啮f j 葶丛；菇热攫浅坪 诵蔺；发展积吲葺罩鋈篓凄滏黼鬻洲矧fl - 躺i 陪铽潺濂谨憾萋删漫嚏潼 强幛狮珊嘲溺嚆j 涸噬厦嘲耐耐霎酗褫醛为掘醐醛一凶萌褫沛弧甜魏 稚巧藕般到擘帆锚蜗影h 。 妻? 耄舞囊薹蓁鬟鍪鋈纛囊| l 囊器 岫誓鬟鳢疆封立醴必隧固支翅葵醚醚堙一臻嬲却联稀驻。爱荩瞢暴 给喜，以醛羚翮剿瓣弘。酸籍鞋雏帮碍蛆星否夏髅坚袋譬拿；一谢拦 强掣土磐嚣，器i 曼妻型班砦罕拳明葑乙8 招j 瑟瑷；烈例i 鞋嚣酣黜 弧艄黔豁；轻嚣毯丽警霜释。酸烈一u 她糖猬日月；嚣爨作担穆秘笙， c 腮鬓耀避钌礓麴，鲤斡魏铋翻她毵琶雾跫拍翳酗健蜊骷不仅；鞲重彰 斟尉剥豪。鹭燮哪嘏。；蹈制淄溜裂甄落罄引黜飘夥芬趟器罗： 雯，目! ! 霎鎏 醪裂惬捌刻礤弦堑雕舞壤雕尉圈孽剥拦引郾烈崔。嘣慷碟通滤刮 倩? 誊! f ! ! 联一划娑蒲攀荫咧谨峙隋墩缅泊蠢矗豫幕氍烘；爝羹刻蕤剐刻 受：疆。丞俚摧圪篓耩豫峰量甄一妊劐垂j 妻豹蒌融鞠一醛能搬婪l 阳 尚? 一i 豫牾i ；埋皱黎，囊罂莱函裂狗i 霎臻啤矗咯淄喧嚣妇罔鞴刹。譬 鬲l 弱嚣藩旃甲亚? 墓，墓麴型熹目饼辱掣联劓羹，l 蚶量焉裂器绪。璧髓备l 。i 蔫i = 三次纤羹滩堵。辏薹鲥烈裂掣匿；蹩薯寒勘季；疆! 甄稳钾虻圈秘翰飘 翥j 嚣p 主鎏嚣荔豪荔昝袅l 以预一；i ，妻用壤缎进行制浆遣；蠹融蘑蟊 酮! 蓦鞘藏羹避备露；玛骈露嚣理，萋谣培临鬟镬羽薹埔纂穗蕊筒以浏咝 溺蹬略骤i 列醚在囊型黼吲戳茎潮孽甚懋雾己菇戬募。 淄l i 霉整惦蓉豁翰强 藿! 篓萼每薹一| 交差i 塞妻萋茎霎霉霹j 主皇妻羚辇晶蓦i 妻磊萋叁誊莛 鎏i 壹i 孽l 譬墨：鼋萋 羹 牮囊理工大学颈士学数论文 的c o d ( 化学耗氧量，c h e m i c a lo x y g 。nd e m a n d ) 幂矸b o d 。；细小纤维、鬣机嫉料 皇婺形成s s ；演疆、染料蔓癸形成饿魔及c o d 。 2 。疫绥蘧纸煮瘩怒溪蠢法 ( 1 ) 搬据旋水的污染秘种类、禽鬣、特性、摊放水量及最终处瑾蔡求稻经 济性综台分褫，海不同敬处理方法，可跌分为物理淡、化学法、生物法朔物瑷化 学滚。 黪毽法缝攥液零蘩予物毽箨穰的藤疆，蕊畿狳不溶麟熟霜傣基浮赫淹主，阉 时也能去除部分导致产缴黛化耗氧激的物质，降低和消除废水色腱的作用。娥理 逶鼷孛并没鸯敬变污染狻矮豹纯学攥壤。遥豢聚爝熬她理方法毽摄藏靠艨受麓雅 矮翁遘滤漩，依靠重力流鼯髂羯熬滋淀法，蔹靠浮逡佟建熬气浮浚等。 化学方法怒利用能辫药晶的律耀，以调节魔液ph 值、降低帮消除畿糜为主， 同时也有去除部分生化耗鳜爨和固体悬浮物的作鼹。包括氧化法、还原法、中和 法戳及絮凝沉淀法等。 生穆法燕秘露擞警镌熬裁藩霞游麓缝采愁瑷褒承麓。缓承密溶解翡黢蠹黧狡 体状态的诲桃辩染物质，作为微生物的觜养物质被熬利用，谯微生物的作用下逐 疹海瓣，最终转纯藏灸笼鬻鹣燕分子镌壤，使疲承撵剿净纯。掇豢镞生物程凝骤健 瓣辩嚣要蠛嚣誉爨要载钱，渡分魏好载法襄获戴法嚣夫类。鸯凌法_ 邋豢是掰手 二缀处理、三级处理以满髭出水达剿国家排放标准。 烧理化学涤基于物理掺瘸和能学厦艘提结余款艨淫，毡叛溪性碳暇辫法、糍 予交接法、魄渗撰法等。 ( 2 ) 畿承巾豹污染耱藤楚多耪多梯懿，不簸鞭期采雳菜耱方浚虢霹戳褥掰考 的污染物质去除殆尽。对于欲处理的荣种废水，遵常必须采用数种方法组合的处 瑗蓉缝，方巍这潮簸终黉求瓣楚理舔凌。菝爨楚壤黪糕囊，震窳怂壤方式势必缓 整璞、二爨簸攥、三豢簸毽秘滚毒鲶疆。显然，滚承聚理戆缀次愈多，终壤设熬戆 设备投资和运行费用愈大。废水她邂的程度要求，怒根据工娥废水的性璇和环境 缳护部门瓣予鼹在遮嚣靛搀藏标凇璐确定豹。 一缀怒瑗氇舔黄裁缀簸蘧，凳戳貔壤方法搀囊，耱毅纯学方浚。憝理弦痔趣疆 永嫩的均德，懋浮物的避滤、上浮帮派淀、p 秘蘧的调节、油水鹣分离簿嚣。 级处理的主要内容是去除壤水中轻质岛重质的杂物，以及部结爆浮物餍，减轻后 续簸灌工慧熬受耱。溺辩黉磐p 嚣镶，受螽续麓理鹣送行撬供象薅。麓予褒纸毯 属懋产过獠熬凌隶，逶露在韬缀楚疆去除蘩分霹驻滋簿蒙潮形貔之嚣，滚热秃瓤 混凝剂与脊机絮凝剂进行处理。如果嚣热到环保孝| 放要求，则应农一级处理之后， 遴抒二级生豫娥理瑷确操逮烬爨 敖。 二缀楚褒邂誊采麓受貔偬学方法，瓣鹣在予最大羧疫穗丧豫凌瘩孛照黢薅状 态和溶解状态的有视游染物质，芬即导致产生生铯糕氧量髂糯震。工蛙审的二缀 2 华南理工大学颧士学位论文 国内采用零排放技术的废纸造纸厂家不多，主鼹原因是该技术所需投资大， 操作较复杂，远行成本较高。华南理工大学万金泉等人研制成功了体化废水处 理技术，主要是采蕉湿凝沉淀与吸辫过滤糖结合熬方法，在特效滚水处理器巾对 废水进行处理。该技术对废纸造纸废水簸理效采较好。能将处理魏s s ( 8 4 0 m g l ) 、 c o d c ，( 1 0 1 5 m g l ) 、b o d 5 ( 2 7 2 m g l ) 的泼水降为s s ( 3 2 ) 、c o d 。，( 1 6 8 m g 几) 、b o d 。 ( 1 1 5 m g l ) ，d 。，、b o d 5 的去除率为8 0 左右，s s 去豫率可达8 5 。经该技术 簸璩豹废承胃蔽嚣蘑，生产避程褥充少爨涛承耀可8 。 1 2 废水处理智能控制的研究与进展 1 2 1 智能控制的主幕研究方向 废农楚理系绞其有不确定蛙窥不稳定性，其处璞过程鹃特杰怒多变量、黪线 性、时变性与随机性，散建娩精确的数举模型比较豳难。同时，废水处理系统的 控制又属于多嬲标控制，体现在：可能需要控制几种出水指标；需要抑制外部环 境的变化( 扰动) 对处理过程的影响，以确保处理过程的稳定饿；需要使处理过 程赞瘸最低( 缀济捂标蕞德纯) 。替戆掇翻方法菱楚为解决菲线橼系统懿阏麓发 展起来的。所谓智能控制就是主要利用人的操作经骚，知识和推理规则，同时利 用控制系统所掇供的某些信息得出相应的控制动作，以达到预期的控制目的的一 耱按鞭方法。 在废水处联领域，智能控制的研究和应用还处予起步阶段，西前主要研究的 智能控制方向裔： ( ) 模糊搜制方法 这静控裁方法吸收7 入豹恶维其蠢模糊往戆将点，使蘑模凝数学串隶耩遗 数、模糊关系、模糊推理和决策等工具，得出控制动作。模糊控制系统中的靛制 决策及控制规则是根据操伟经验预先总结出来的。根据控制规则、误差及误激变 鼷：瓣模鞫子集，产生控裁决策表，逶建决策表豹妻羧粪谗，哥餐翔每一薅粼趣燕 予控制系统的控制动作，从而达到对系统的某个参数进行控制的隧的。 由于模糊控制的隶属溺数要靠人工经验来取得，很难达到理想的精确穰度， 在撩裁过程中爨蚕戆对控制耀劐逮行修敬，雯努模糊控铡本身不其备在线自学习 功能，对复杂的不确定性系统进行控铡辩，控制糖淡也较低。因诧在实际的波雳 中，模糊控制常于其他控制方法相结合，以弥补其不足，从而取得更好的控制效 果。其中以与神经网络控制方法相结合的例子较多。 ( 2 ) 天王糖经圈终控潮方法 4 第一章绪论 神经网络控制是在研究人脑结构和功能的基础上，通过简化、抽象和模拟， 建立神经网络模型，再通过相应的计算机系统，实现能反映类似人脑结构和功能 来处理问题的过程控制。因为这种控制过程并不是自然神经网络控制，所以称为 人工神经网络控制。它是神经网络作为人工智能的一种途径在控制领域的渗透。 采用人工神经网络控制，也可以看成是模式识别问题，根人工神经网络原理设计 的控制器，能够实时识别并分离出变化的模式，而且能够从经验中“学习”到模 式的变化，即便在数据不完备的情况下，也能完成这些任务。由于人工神经网络 具有并行机制、模式识别及自学习能力，因此人工神经网络控制方法更能适应环 境辩识和控制对象参数变化的复杂控制过程的要求。对于废水处理过程的多维 数、不确定、难建模等特点，在废水处理监控过程中引入人工神经网络控制方法， 可以解决经典控制方法难以解决的问题。由不同神经元连接结构建立的人工神经 网络模型与固定结构的数学模型不同，不需要作任何假设，就能比较真实地反映 系统特征。 ( 3 ) 专家系统控制方法 专家系统被认为是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量某个领域专家 水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理该领 域的高水平难题。 专家系统控制是应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专 家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那 些需要人类专家才能处理好的复杂问题。一个专家控制系统基本上由知识库( 包 括数据库) 和推理机组成。知识库存储问题领域的专门知识和经验，推理机依靠 被控系统当前运行状态和知识库所存储的知识，以一定的推理策略并有效选择知 识库中的相应知识，根据提出的所要解决的问题进行推理判断，得出被控对象当 前需要的控制动作。 ( 4 ) 综台智能控制方法 很多情况下，单独采用一种的控制方法都有不足之处，往往得不到理想的控 制效果。例如，作为符号主义的模糊控制适用于处理不准确、非线性、时变、时 滞系统的控制，适合表达模糊或定性的知识，但对复杂系统的控制精度不高，不 便于控制参数的调整和学习，缺乏自学习和自适应能力；作为连接主义的神经网 络能够逼近复杂的非线性关系，有很强的鲁棒性和容错性，采用并行处理方法， 具有很好的自组织、自学习能力，但不适合表达基于规则的知识，网络训练时间 长，容易陷入局部最小；基于知识的专家系统擅长处理定性的、启发式的知识信 息，在一定环境下可以模拟人的思维活动规律，但学习慢，难以满足快速时变系 统的控制要求。随着智能控制理论研究的不断深入，专家系统、模糊控制和神经 网络控制方法已经开始相互渗透和融合，如神经网络和模糊控制的融合，专家系 华南理工大学硕士学位论文 统和神经网络的融合，以及模糊专家控制系统的应用等。普遍认为，将专家系统 作为自适应单元，模糊计算作为决策单元，而神经网络作为补偿单元，是目前智 能控制发展最有潜力的方法之一。三者的融合使得控制系统具有更强的自适应、 自学习、自组织和更好的控制品质。 1 2 2 国外废水处理智能控制的研究进展 发达国家如美国在2 0 世纪7 0 年代中期开始实现废水处理厂的自动控制，目 前主要污水处理厂已实现了工艺流程中主要参数的自动测试和控制“1 。 z i p p e r 等研究了基于氧化还原电位( o r p ) 的控制器的自动控制系统。这个控 制器自动工作，并可以在硝化和反硝化之间进行优化，从而减少能耗。研究发现， 废水处理厂的实际负荷与0 r p 曲线变化有相关性。采用两点0 r p 控制保证了在增 加负荷时硝化时间占运营时间的比率也随着增加，这些发现可以作为小型废水处 理厂的控制规则基础。 y u 等设计研究了一套带有实时o r p 和p h 控制系统的连续进水s b r 反应器。 该实时监控和控制系统由传感器、计算机、人机对话界面和控制部件组成。s b r 反应器中安装了四个带有a g a g c l 电极的o r p 仪表、一个d o 仪表和一个p h 仪表， 传感器的模拟信号通过a d d a 转换器转换成数字信号，并且依靠计算机每秒采集 一次信号。计算机对采集的数据分析后，通过控制线路传递到继电器，由它开 关搅拌器、滗水器和鼓风机。试验结果显示，采用实时控制的s b r 反应器在底物 去除效率和降低能耗方面均优于采用时序控制的s b r 反应器3 。 传统的废水处理自动控制系统要求建立精确的数学模型，并且必须遵循一些 比较苛刻的线性化条件，而实际废水处理系统存在复杂性、非线性、时变性、不 确定性和不完全性等，一般无法获得精确的数学模型和与实际情况相同的假设， 因此，采用传统控制理论建立的废水处理自动控制系统在实际工程应用上存在出 水水质波动较大等问题。废水处理自动控制系统中的检测设备、仪表的功能不是 很完善，实际中有很大误差，这也会造成出水水质波动或者浪费能源。作为智能 控制重要分支的模糊控制、神经网络控制、专家控制和自学习控制等，具有自学 习、自适应和自组织功能，正是在这种情况下被用于复杂的废水处理动态过程控 制。近年来在美国、欧洲、日本的给水处理、废水生物处理、废水物理化学处理 中都有成功的应用。从检索到的废水处理自动控制的研究论文来看，有近1 3 涉及到智能控制，可见智能控制已成为该领域的一个研究热点和前沿课题“3 。 1 9 9 7 年，m a n e s i s “”对希腊某废水处理厂的处理工艺开发出基于模糊逻辑规 则的曝气控制系统，并用西门子s 5 一1 1 5 up l c 作为下位机，p c 机作为上位机， 编制相应的程序实现了智能控制。在废水处理厂正常处理条件下，出水的b o d 、 6 第一章绪论 m l s s 达到排放标准，同时节省耗氧量最多可达到5 0 。 t a o i 等在高负荷生物脱氮工艺处理粪便污水系统中采用了一种基于模糊 推理的直接氨控制系统。利用一种新型自动分析仪和u f 采样器监测反应器中的 n h ，一n ，并用模糊推理控制脱氮反应器的运行。模糊控制系统从由实际工艺过程 中得到的多变量( n h 。一n 、d 0 、o r p 和p h 值) 中推出一个适合的条件。系统响应 迅速。具有较高的脱氮效率，并且稳定、容易维护“。 a p u n a l 等提出了一种针对厌氧消化器的诊断和管理的模糊专家系统。该系 统采用模糊逻辑推理和一个用以补充专家知识的规则库，是在微软视窗支持下开 发出来的。该专家系统通过三种主要组件在线运行来判断工艺过程的状态和趋势 以及设在水厂终端的控制指标是否处于最佳点。另有两种组件在操作器需要时可 并联工作，以检测工艺过程中由有毒化合物造成的限制和在线诊断是否有效采用 了下线及在线信息“。 w c c h e n 等针对中国台湾省某工业废水处理厂提出一个带有f l c ( f u z z y l o g i cc o n t r o l l e r ，模糊逻辑控制器) 、g a ( g e n e t i ca l g o r i t h ，遗传算法) 和 n n ( n e u r a ln e t w o r k ，神经网络) 的高级模糊神经网络控制器。其中，g a 对n n 模 型进行优化，以确定n n 模型的结构，n n 模型调整模糊规则的参数。通过计算机 模拟，他们发现这种基于g a 的模糊神经网络控制器( n n f l c ) 比传统的模糊控制器 ( s f l c ) 要优越，出水水质和经济指标都优于后者“”。 y g d u 和r d t y a g i 等用模糊神经网络对活性污泥工艺进彳亍了规则建模。 该方法是将污水的流速，生化酶浓度模糊化，加上污泥回用率一起作为神经网络 的输入量，神经网络的输出量模糊化后，按照模糊推理，反模糊，得到最后工艺 要求的污泥泥龄“。 g m z e n g 等对一个造纸厂的污水处理作了神经网络预测控制研究。用多层b p 神经网络对污水废物的去除率和化学药剂的加入量之间的非线性关系建模。这个 系统包括一个反应过程的n n 竞争器，一个n n 控制器和一个用梯度下降法实现的优 化步骤。仿真结果显示，经过1 8 0 0 0 次训练后的b p 网络，能够实时预测并控制污 水废物的去除率和化学药剂的加入量在一定的范围内n “。 1 2 3 国内废水处理智能控制的研究进展 与国外相比，我国废水处理自动化控制起步较晚，进入9 0 年代后废水处理 厂才开始引入自动控制系统。但多是直接引进国外成套自控设备，国产自动控制 系统在废水处理厂应用很少。从事污水处理智能控制的研究人员也少，发表的论 文数量不多“。 彭永臻等研究了将0 r p 作为s b r 反应器有机物降解程度间接指标。结果表明， 华南理工大学硕士学位论文 无论是在很大范围内改变曝气量或者改变m l s s 浓度，还是使反应初始c 0 d 在 2 3 0 2 1 8 0 m g 几之间逐渐或突然变化，当c o d 达到难降解浓度时，o r p 都迅速、 大幅度升高，随后又很快趋于平稳，并在某一特定范围内稳定下来。因此，可以 用0 r p 作为s b r 法反应时间计算机控制参数，实现计算机在线自动控制“”。彭 永臻等还研究了生物电极脱氮工艺的在线模糊控制，设计了结构简单、可靠、稳定、可行性好的在线模糊控制器，该在线模糊控制器对进水硝态氮负荷变化的适 应性强，有利于避免过量投加有机物、节省运行费用“1 。 王淑莹在国外已有的时间和流量程序控制的基础上，提出一种s b r 法有机物 浓度控制，使控制过程更定量化和精密化。工业废水的水质变化很大，当进水有 机物浓度高时，为使出水水质达标，应适当增加反应时间使运行更可靠；而当进 水有机物浓度低时可以减少反应时间以节省运行费用们“。 苏敏等针对城市污水生物处理系统的复杂性、不确定性和难以建立精确数学 模型的特点，提出了一种用b p 神经网络来完成规则推理的模糊控制器“。王先 路等研究了以c 0 d 作为对象，对废水处理进行模糊控制的方法。其基本思想是： 由于废水中c o d 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， 使处理后的废水达标排放。他们设计了一个针对加药装置调节回路的双输入单输 出的模糊控制器。输入变量分别为生物处理后的c 0 d 偏差e 和c o d 偏差变化e c ， 输出变量为计量泵的开度u ( 控制加药) 。模糊控制器由精确量的模糊化，模糊 控制算法的设计，输出信息的模糊判决三部分组成n “。 此外，清华大学国家环境模拟与污染控制实验室研究了废水处理的专家系 统，清华同方在此基础上推出了污水处理专家系统软件，包括：废水处理模拟预 报软件、废水处理专家系统、p l c 及上位机中的模糊控制软件。庞全研究了工业 水处理中p h 值的智能控制，采用专家控制技术来中和药剂的加入，有效地解决 了p h 值控制中存在的严重非线性与时滞性问题阳”。 1 2 4 废水处理智能控制今后的研究方向 智能控制在废水处理系统中的应用研究主要分为以下几类：对废水处理过 程中某单一参数( 如p h 值、溶解氧、污泥回流率、n h 3 一n 等) 的控制：对废 水处理过程中某一反应器( 如厌氧消化器、主曝气池等) 而非废水处理全过程的 控制；一般只将一种智能控制技术( 如模糊控制。神经网络控制、专家控制等) 应用于废水处理工艺中；对智能控制在废水处理系统中应用的初步基础研究 ( 如综合控制参数的选取、专家控制知识库的积累等) 。因此，有必要对智能控 制在废水处理系统中应用的基本问题进行系统、全面的研究，以期对废水处理全 过程实现理想的控制。 第一章绪论 虽然智能控制成为废水处理研究与应用的前沿和热点，但国内外都处于广泛 应用鲍初级除段。模糊按裁、亭孛经嘲络控制、专家控制是餐熊控制魄鬟要分支， 它粕各有後缺点。将两种或两静疆土罄能控魏方法相结合或褥智麓控铡舄传统控 锖4 方法相结合，是今后废水处理控制的主要研究方向”“。 。3 本潦题的婿变鹜景、意义与主要研究态容 我国人口众多，森林资源有限，森林覆盖率为1 6 ，低于世界平均水平2 8 ，丽隧，我星承炎滚短缺，人筠承囊鬟有髓器平均永乎的1 5 。由予我匿匏 森林资源和水资源短缺，满足不了遮纸工业对骤辩的需求。髓着经济的发展和生 活水平的掇高，纸张消赞量越来越大，这一供霈矛盾越来越突出。2 0 0 0 年我国 进口纸、纸板、纸浆、废纸和纸制晶总量已达1 3 3 7 万吨。废纸制浆造纸工艺相 对霖本浆造纸工艺藏零低，污染多，还挠壤少辩森袜资源酌骧嚣。霾魏，采蘑褒 纸造纸工装对缓解造纸原料的不足，同时，也脊利于保护森林、保护环境“”。 我国造纸企业利用废纸造纸的比重逐年上升，据估计，到2 0 0 5 年，全国废 纸浆毙重将疆裹囊4 5 瓤。滋广东雀楚爨，基蔫壤有造纸厂5 0 0 s 0 0 家，狳5 6 家外，其余造纸厂均采厢废纸为原材料造纸。造纸企业历来是环境污染的大户， 用二次纤维造纸工艺的企业也不可避免地存在遂样的问题。为解决废纸遗纸企业 的废水摊放问题，学袭、工程炜们研究了各种废水处理方法。实践证明，这些处 理方法戆够有效魏减少对环境弱污染。 华南爆工大学造纸与环境学院万海泉，马馘文等研制出了二次纤维废水高效 絮凝沉淀处理技术及废水的絮凝生化“一体化”处理技术。这些技术在数十家废 纸造纸金效褥裂了应耀。与簧统黪簸理方法糖魄，在莛鬟矮撵夔楚理效莱戆翦挺 下，应用这些技术，设备的投资节省l 3 ，运行费用降低1 2 ，停留时间缩短l 3 1 2 。但在融有的废水处理设备的使用中也发现，由于整个设备的运行幽人工控 制，操作人员的责任感，经验等困黎均会对处理鹾出水水媵黥稳定性产生影响， 麸孬影蛹漱承承矮静稳定达标。霹子鼗类废承麓理遥程豹多变量、菲线性、时交 性与随机性等特点，难以建立精确的数学模型来控制的难点，采用智能拽制理论， 构造适合废纸造纸废水处理装置的铿能控制系统，可以避免传统控制方法在废水 楚瑾控翻蓑绞孛懿不怒，啻韵予撬麓我鏊造纸浚窳楚灌控翻系统静技拳零平秘警 理水平，对保护环境，造福人类有驻要的现实意义。 在广东省科技厅黛大专项基金( 项目号2 0 0 3 a 3 0 4 0 4 0 6 ) 和广州市科技计划 矮基基金( 璎曩号2 0 e 4 2 3 一d 0 2 7 1 ) 豹资助下，本论文围绕废纸剽浆造纸废水处 理智能控制器的研究，主要开震了以下几个方灏的研究工谗： 1 构建了一个以“高效絮凝沉淀一体化”废纸造纸废水处理技术和设备为 争 华南理工大学硕士学位论文 基础的，能够对废纸制浆造纸废水处理过程进行实时自动监控的实验室系统，并 研究了在该系统环境下，出水c o d 与进水c 0 d 、加药量、进水流量之间的变化规 律； 2 针对上述实验室系统，用人工神经网络方法建立了废纸制浆造纸废水处 理过程的正向模型和逆向模型，并将模型嵌入到组态软件m c g s 中，组成一个废 纸制浆造纸废水处理智能监控系统。 3 在实验室对废纸制浆造纸废水处理智能监控系统进行实验，验证神经网 络控制系统的控制效果。 1 0 第二章入二 神经露络结构霸算法 第二章人王神经网络结构和算法 近年来，以非线性大规模连续模拟、并行分布处理为主流魄人工神缀网络理 论褥嚣了缀大豹发震，这耱溺络其饔缀强静学澎缝力及嚣线装遥透疑力“，己被 广泛应用到水处理系统中进行预测和建模“7 。”。针对废纸造纸废水处理过程出水 水质不稳定的状况，本文拟构建一个基于神经网络的智能控制器来对处瑷过程进 行控铡。零牵主要分缨久工毒枣经鬻终夔基本理谂。 2 1 人工神经网络生物学基础 裤经黧物学和棒缀解蘩学豹辑究结莱表鞠，神经元( 拄e u r o n ) 是赫缀织翡基 本单元，是神经网络结构与实现功能的基本单位。大脑中有数亿个以上的神经元， 每个神经弼与大约1 0 3 1 0 6 个其他神经元相逢接，构成非常庞大丽复杂的生物神 经鼹终。备个辛枣经元之弱懿连接懿强度，按照努罄豹激聚赣号俸窭鑫逶瘫变锯， 而每个神缀元又随着所接受的多个激励信号的练合结果，艇现出兴奋与抑制状 态。大脑的学习过程，就是神经元之间连接强度随外部激励信息作自适成交化的 过程，大藏处瑾信息验结果由各秘圣枣经元状态鹩攘体效果确定”“。 2 1 1 生物神经元的结构 入藏虢神经元熬魏整结稳及箕与其攮神缀元连接豹示慧蔫国鼹圈2 一l 掰示。 神经元在绪构上由细胞体、树突、轴突和突触网部分组成。从生物控制勾信息处 理的角度餐，神经元具有以下结构特征： ( 1 ) 细随体是睾串经元的主体，由缍貔核、细胞质和缁胞膜组成。缬胞孩主 要进行生化过程，细胞膜将膜内外的的细胞液体分开。当神经细胞受到外界的刺 激时，产生电位差，称为膜电位。一个细胞体相当于一个微型生物信息处理器。 ( 2 ) 树突：细胞体向外延伸的突起的短弼多的突起。楣当于神经元的输入 端，接受传入的神经冲动。 ( 3 ) 麓突：缓戆体主 牵塞戆最长戆一条突起。轴突邋稼鬼糖经缍绦，箕臻 部有许多细小分支，这姥细小分支称为神经末捎，向四面八方传出神经冲动，相 牮袁理工夫学骥士学位论文 当”哥细胞体的输如端。 ( 4 ) 突触：突触是神缀元之闻，个神经元的璇突末梢帮其她神经元憋镏 藏体藏褥突馥逐镶部分。裰滔子弹经元之闻的输入输爨接墨。 鬻2 一 枣经嚣缝梅示意黧 fig 2 1s k e t c ho f 蝣t r u c t u r 尊d fn e u r o n 生物耱经嚣豹信惑处穗功能： ( 1 ) 兴奋岛抑制：当传入神经元的电化学信母，经整合。使细胞膜电位升 裹，越过动终嫩毽靛阙焦对，糖经元转鸯兴奁状态，产生李孛经冷凌，由辘突缀裁 经术梢传出。警传入神经元的电化学倍瞪，经整合，使细胞膜电位降低，低予阈 值时，神经元转为抑制状态，没有神经冲动。 2 ) 怼空熬会功憝；耱经元对予不阏对鬻逶j 建瓣一突魅健入豹襻经渖动其 有时间整合功熊：对于同一时间通过不同突触传入的神经冲动其有空间整含功 能。这两种功能的组合，具肖时空整合输入信息处瓒的功能。 ( 3 ) 突簸瞬延帮不瘦麓：突簸对槔经摔动静传递其骞薅跫鞫苓应蘩。襻经 元在相邻的两个神经冲动之间有一个时间间隔，即不应期。不成期通常在几瑰秒 左右，在此期间神经元细胞即使受很强的刺激，也不会产生产生神经冲动。 第二章人工神经网络结构和算法 2 1 2 生物神经网络 由多个生物神经元以确定方式和拓扑结构相互连接即形成生物神经网络，它 是一个有层次的、多单元的动态信息处理系统。生物神经网络接受生物内外环境 的输入信息，加以综合分析处理，然后调节控制机体对对环境作出适当反应。其 功能不是单个神经元信息处理功能的简单叠加。每个神经元都有许多突触与其他 神经元连接，任何一个单独的连接都不能完全表现要输出的信息，只有它们集合 成总体时才能表现处明确的信息。由于神经元之间突触连接方式和连接强度的不 同，并具有可塑性，生物神经网络表现出千变万化的复杂的信息处理能力。 2 2 人工神经元及网络模型 人工神经网络是基于对人脑组织结构、活动机制初步认识提出的一种新型信 息处理体系。它不是人脑神经系统的真实描写，而是它的抽象、简化和模拟。 在人工神经网络中，用人工神经元来模拟生物神经元，对生物神经元的信息处理 过程进行抽象，并用数学语言予以描述。大量的神经元组成庞大的神经网络，才 能实现对复杂信息的处理与存储，并表现出各种优越的特性。生物神经网络由数 亿个以上的生物神经元组成，而人工神经网络由于物理实现的困难和为了计算简 便，相对来说，由少量的神经元按一定规律构成。人工神经网络模拟生物神经网 络，完成对信息的处理功能。 2 2 1 人工神经元模型 人工神经元被称为“节点”或“处理单元”。神经元模型提出最早且影响最 大的模型是，1 9 4 3 年心理学家m c c u l l o c h 和数学家w p i t t s 提出的m p 模型“。 人工神经元是人工神经网络的基本处理单元，它一般是一个多输入、多输出的非 线性元件。神经元输出除受输入信号的影响之外，同时也受到神经元内部其他因 素的影响，所以在人工神经元的建模中，常常还加有一个额外输入信号，称为偏 差( b a i s ) ，有时也称为阀值或门限值。如图2 2 所示。外界的输入信号用x t ， x 2 ，x 。，x 。表示，模拟来自其他p 个生物神经元轴突的输出。w ，w mw t 。，w b 模拟与其他生物神经元轴突的连接，称为权重值，其符号的正负分别表示突触的 兴奋和抑制，其数值大小表示突触的连接强度。对所有输入信号进行整合，其“总 和值”相当于生物神经元的膜电位。当总和值大于阈值时，神经元被激活产生输 第二章人工神经网络结构和算法 2 1 2 生物神经网络 由多个生物神经元以确定方式和拓扑结构相互连接即形成生物神经网络，它 是一个有层次的、多单元的动态信息处理系统。生物神经网络接受生物内外环境 的输入信息，加以综合分析处理，然后调节控制机体对对环境作出适当反应。其 功能不是单个神经元信息处理功能的简单叠加。每个神经元都有许多突触与其他 神经元连接，任何一个单独的连接都不能完全表现要输出的信息，只有它们集合 成总体时才能表现处明确的信息。由于神经元之间突触连接方式和连接强度的不 同，并具有可塑性，生物神经网络表现出千变万化的复杂的信息处理能力。 2 2 人工神经元及网络模型 人工神经网络是基于对人脑组织结构、活动机制初步认识提出的一种新型信 息处理体系。它不是人脑神经系统的真实描写，而是它的抽象、简化和模拟。 在人工神经网络中，用人工神经元来模拟生物神经元，对生物神经元的信息处理 过 x 华南理工大学硕士学位论文 出，用y 。表示，输入和输出之间的对应关系可以用一个函数来表示，该函数被 称为激活函数或转移函数，这里用：y k - 妒( ) 表示。 输 信 号 蕊接杈 出 j 图2 2 人工神经元模型示意图 f i g 2 2s k e t c ho f a r t i f i c ia i n e u r o nm o d e 人工神经元的数学模型可表示如下： “t = w 目x j ( 2 1 ) t l 叱= 魄- ( 2 2 ) y t = 尹( v i ) ( 2 3 ) 式( 2 一1 ) 表示神经元输入的累加和，式( 2 2 ) 表示净输入，吼表示阈值， 式( 2 3 ) 为神经元的输出。转移函数在这里起了很关键的作用。事实上，神经 元的各种不同数学模型的主要区别在于采用了不同的转移函数，从而使神经元具 有不同的信息处理特性。转移函数主要有阶跃函数，s i g m o i d 函数等。转移函数 的基本作用包括： ( 1 ) 控制输入对输出的激活作用； ( 2 ) 对输入、输出进行函数转换； ( 3 ) 将可能无限域的输入变换成指定的有限范围内的输出。 2 2 2 人工神经网络模型 人工神经网络的模型很多，可以按照不同的方法分类。常见的分类方法有按 1 4 铂 如 ； 斗 ，气l 第二章人：工祷羟瓣络臻鞠帮冀法 网络连接的拓扑结构分类和按网络内部的信息流向分类。 2 2 2 i 斓绦叛棼结构类辇 ( 1 ) 层次型结构 层次罄缳褥瓣棼经蹰络赘耱经嚣按磅麓分藏若干垂，数输a 垂、孛阉层f 或 称隐层) 和输出层，各屎顺序相连，如图2 3 所示。输入屡神经元接受外界的输 入信息，并传递绘中间凰神经元；中间层是信息处理层，可髓一层或多层；最后 一层黪瑟祷傣惠传递绘输感屡，输漤屡彝磐赛输滋售息处理络果。 层次塑弼络结鞫主要结鞫有；单纯层次霹络结穆、输穗艨虱输入瑟裔连接静 网络结构、朦内有互连的网络结构。 豳2 3 层次型结构 f i g 2 3s t r u c t u r eo f a y e rt y p 尝 谨) 冀臻型结构 互连裂网络结构中，任意两个带点之间都可能存在连接路径，根据网络中节 熹懿互连疆溲擦互连型穗终络梅缌分舞全互连鬟、局部互连爨禳稀琉曩遴型。莲 2 4 是互连鍪绪橡强。 第二章入工稗经网络结构和算法 称为“教师信号”。将神经网络的实际输出与期望输出比较，当不符合教师信号 融，根据麓镫靛方向嬲大小按一定娥刚谖整权镶，竣使下一次网络的输燃更接近 期望结果。网络必须袭工 # 蓊经过学习，当网络对各稀给寇的输入均能产生掰期 望的输出时，则认为掰络已经在“教师”的训练下学会了训练数据集中包含的知 识和规则了，可以用来工作了。有教师学习示意图如下： 薯逮并麓糗意 图2 一s 寄教师学习示意重 f g 2 5s k e t c ho fs u p e r v is e dl e a r n i n g 无教爨学习氇穆灸笼整餐学霹。在学习避疆孛，蚕裁邈绘疆终疆爨动态羧入 信息，网络根据特有的内部结构和学习规则，从输入信息流中发现任僻可能存在 的模式和规律，同时调憋权值，这个过程称为网络的自组织，其结果是对属于同 一类的模式避程叁动分类。在这秽学习模式中，瓣络鲍权德调整不取狭予外来教 耀信号的影响，可醚认为网络豹学习评价标雄豫含手丽络静内部。 死记掰：学习是指网络事先设计成能记忆特定的例子，以后当给定有必该例子 的输入信息时，例子便被回忆起来。网络的权戗一旦设计好了就不能再变动，聪 魏萁学习蹩一次爱赘，蠢不是一令过程。 神经网络的学习规则是决定神经网络信息处理性能的芙键要素之，不同的 神经网络肖不同的学习规则。日本学者a m a r i 予1 9 9 0 年提出了一种神缀网络权 毽调整的遴瘸攘刚”。黠予享孛经潮终孛约某令捧经元