污水處理過程中PH值的無模型控制系統(tǒng)設計-畢業(yè)設計

污水處理/r/n過程中/r/nPH值/r/n的無模型控/r/n制系統(tǒng)設計/r/n摘要/r/n我國的水資源地區(qū)分布極不平衡，導致許多地區(qū)出現(xiàn)水資源短缺現(xiàn)象。水資源短缺已成為制約經(jīng)濟開展的重要因素。環(huán)境污染是造成我國水資源緊張的另一個重要原因。目前，全國約有1/3的工業(yè)廢水和大量的生活污水未經(jīng)處理就直接排入江、河、湖、海，使水環(huán)境遭到嚴重的污染。如何使水資源得到保護，污水得到及時有效的處理并作為一種資源得到再一次的有效利用，已經(jīng)成為我國面臨的重要課題之一。/r/n本文介紹了無模型控制器又稱非建模自適應控制器的根本理論和近年來在理論和應用方面研究的進展，無模型控制器的設計途徑是一種非典型的途徑。該途徑的特點是：建模和反響控制一體化，沖破經(jīng)典PID的概念和控制器設計的線性框架，采用了功能組合設計方法。建模與控制一體化的手續(xù)，是設計出來的控制器具有一定的結構自適應性。/r/n本次設計的這個/r/n污水處理系統(tǒng)將提高污水處理的質量，使排放有害物量較大減少，而且將使操作人員的工作量減少，勞動強度隨之降低，盡量滿足出水水質要求。同時，與某些大型污水處理設備相比，系統(tǒng)要運行可靠，投資大為降低。/r/n關鍵詞：/r/n污水處理；無模型控制器；建模與控制一體化；功能組合；結構自適；應用/r/n/r/n/r/n/r/n/r/nT/r/nhe/r/nS/r/nystem/r/nD/r/nesignof/r/nM/r/nodel/r/nF/r/nree/r/n/r/nC/r/nontrolin/r/nT/r/nhe/r/nP/r/nrocessof/r/nS/r/newage/r/nT/r/nreatment/r/n/r/nAbstract/r/nChina/r/n'sunbalancedregionaldistributionofwaterresources,leadingtowatershortagesinmanyregions.Watershortagehasbecomeanimportantfactorrestrictingeconomicdevelopment.Environmentalpollutioniscausedbytensionofwaterresourcesisanotherimportantreason.Atpresent,about1/3ofindustrialwasteanduntreatedsewagelotdirectlydischargedintorivers,lakes,sea,thewaterenvironmenthasbeencontaminated.Howtomaketheprotectionofwaterresources,timelyandeffectivetreatmentofsewageasaresourcebytheeffectiveuseofonceagainhasbecomeanimportantissuefacingofourcountry./r/nInthispaperthebasictheoryandtheprogressoftheoreticalandapplicationresearchofmodelfreecontrolleroranthernamenon-modelingadaptivecontrollerhasbeenintroduced.Thedesigningapproachofmodelfreecontrollerisanon-classical.Thecharacterofthisapproachisthat:theunityofmodelingandfeedbackcontrolhasbeenused、theconceptsofPIDhavebeencanceled、theleanerpatternofdesigningmethodofclassicalcontrollerhasbeenbroke、thedesigningmethodoffunctionscombinationhasbeenused.Themethodofunityofmodelingandfeedbackcontrolsuchthatdesignedcontrollerthereisadaptationofstructure./r/nTheurbanwastewatertreatmentcontrolsystemwillimprovethequality,sothatalargeamountofreducingharmfulemissions,andoperatorworkloadreductioninlaborintensitydecreases,fullymeettheeffluentqualityrequirements.Meanwhile,somelarge-scalesewagetreatmentequipment,systemtorunreliably,muchlessinvestment./r/nKey/r/n/r/nwords:/r/n/r/nmunicipalwastewatertreatment;Modelfreecontroller;Unityofmodelingandcontrol;Functioncombination;Adaptationofstructure;Application/r/n./r/n/r/n/r/n目/r/n/r/n錄/r/n/r/n/r/n/r/n/r/n摘/r/n/r/n要/r/n /r/n/r/nI/r/n/r/n/r/n/r/nAbstract/r/n /r/n/r/nII/r/n/r/n/r/n/r/n第/r/n1/r/n章引言/r/n /r/n/r/n1/r/n/r/n/r/n/r/n1.1/r/n污水處理研究現(xiàn)狀/r/n /r/n/r/n1/r/n/r/n/r/n/r/n1.2/r/n無模型控制簡介/r/n /r/n/r/n3/r/n/r/n/r/n/r/n1.2.1/r/n無模型控制方法的定義/r/n /r/n/r/n3/r/n/r/n/r/n/r/n1.2.2/r/n典型無模型控制方法的簡要綜述/r/n /r/n/r/n4/r/n/r/n/r/n/r/n1.2.3/r/n無模型控制方法的應用/r/n /r/n/r/n5/r/n/r/n/r/n/r/n1.2.4/r/n無模型自適應控制〔/r/nMFAC/r/n〕的根本原理/r/n /r/n/r/n7/r/n/r/n/r/n/r/n無模型控制律的設計途徑/r/n /r/n/r/n8/r/n/r/n/r/n/r/n第/r/n2/r/n章/r/n/r/n污水處理工藝流程/r/n /r/n/r/n11/r/n/r/n/r/n/r/n2.1/r/n序批式活性污泥法〔/r/nSBR/r/n〕工藝簡介/r/n /r/n/r/n11/r/n/r/n/r/n/r/n2.1.1SBR/r/n國內(nèi)外開展及應用概況/r/n /r/n/r/n11/r/n/r/n/r/n/r/n2.2SBR/r/n的工作原理/r/n /r/n/r/n12/r/n/r/n/r/n/r/n2.3SBR/r/n污水處理工藝/r/n /r/n/r/n13/r/n/r/n/r/n/r/n第/r/n3/r/n章/r/n/r/n污水處理電氣控制局部/r/n /r/n/r/n16/r/n/r/n/r/n/r/n3.1/r/n污水處理電氣控制系統(tǒng)設計要求/r/n /r/n/r/n16/r/n/r/n/r/n/r/n3.2/r/n控制系統(tǒng)的動力設備/r/n /r/n/r/n16/r/n/r/n/r/n/r/n3.3/r/n污水處理電氣控制總體方案說明/r/n /r/n/r/n16/r/n/r/n/r/n/r/n3.4/r/n污水處理電氣控制原理圖設計/r/n /r/n/r/n17/r/n/r/n/r/n/r/n3.5SBR/r/n污水處理系統(tǒng)電氣工藝設計/r/n /r/n/r/n20/r/n/r/n/r/n/r/n第/r/n4/r/n章/r/nPH/r/n值的無模型控制系統(tǒng)設計/r/n /r/n/r/n22/r/n/r/n/r/n/r/n4.1PH/r/n值的無模型自適應控制方案/r/n /r/n/r/n22/r/n/r/n/r/n/r/n4.1.1/r/n無模型自適應控制技術簡述/r/n /r/n/r/n22/r/n/r/n/r/n/r/n4.2/r/n無模型學習自適應控制的設計/r/n /r/n/r/n24/r/n/r/n/r/n/r/n4.2.1/r/n單入單出非線性系統(tǒng)的緊格式線性化/r/n /r/n/r/n24/r/n/r/n/r/n/r/n基于緊格式線性化的無模型學習自適應控制控/r/n /r/n/r/n25/r/n/r/n/r/n/r/n4.2.3/r/n基于緊格式線性化的無模型學習自適應控制偽/r/n /r/n/r/n26/r/n/r/n/r/n/r/n4.3PH/r/n值控制中的仿真研究及性能分析/r/n /r/n/r/n27/r/n/r/n/r/n/r/n4.3.1PH/r/n值控制系統(tǒng)模型/r/n /r/n/r/n27/r/n/r/n/r/n/r/n4.3.2/r/n仿真研究及穩(wěn)定性分析/r/n /r/n/r/n28/r/n/r/n/r/n/r/n4.4PH/r/n值的控制目標/r/n /r/n/r/n32/r/n/r/n/r/n/r/n4.5/r/n系統(tǒng)投運后的效果/r/n /r/n/r/n32/r/n/r/n/r/n/r/n第/r/n5/r/n章/r/n/r/n總結/r/n /r/n/r/n33/r/n/r/n/r/n/r/n參考文獻/r/n /r/n/r/n34/r/n/r/n/r/n/r/n謝/r/n/r/n辭/r/n /r/n/r/n36/r/n第1章引言/r/n1.1污水處理研究現(xiàn)狀/r/n我國污水處理面臨著水污染嚴重，/r/n污水治理起步晚、根底差、要求高的形勢。近些年，/r/n污水處理的建設有了很大開展，截至2005年6/r/n月底，全國/r/n66/r/n1/r/n個城市建有污水處理廠708座，處理能力為4912萬/r/n噸/r/n，是2000/r/n年的兩倍多；全年/r/n污水處理量162．8億/r/n，比2000年增加了43/r/n％。/r/n污水處理率達45．7/r/n％。但絕大多數(shù)/r/n污水處理能力滿足不了實際需要，全國還有297個城市沒有建成污水處理廠，其中，地級以上城市63個。包括人口5O萬以上的大城市8個；位于重點流域、區(qū)域/r/n“/r/n十五〞規(guī)劃范圍內(nèi)的城市54個。全國5萬多個城鎮(zhèn)。370多萬個村莊，9億多人口居住地尚無污水處理設施。/r/n/r/n與國際相比，我國/r/n污水處理率較低，其主要原因是我/r/n國的/r/n污水處理廠建設滯后。據(jù)資料介紹，美國現(xiàn)在平均每/r/n1/r/n萬人就擁有/r/n1/r/n座污水處理廠，英國和德國每/r/n7000/r/n—/r/n8000/r/n人擁有/r/n1/r/n座污水處理廠。而我國城鎮(zhèn)人/r/n171/r/n中，平均每/r/n150/r/n萬人才擁有/r/n1/r/n座污水處理廠。據(jù)建設部通報的全國污水處理情況。目前已建成的污水處理廠，除正在調(diào)試運行的外，尚有不能正常運行的，其原因主要有：第一，對污水處理組織管理不力，致使有的污水處理廠已建成半年甚至近一年仍未運行。第二，一些已建成污水處理廠的城市仍未開征污水處理費，或收費標準和征繳率低，污水處理設施運行經(jīng)費難以保障。第三，污水收集管網(wǎng)建設滯后，污水處理廠運行負荷率低，甚至難以運行。第四，地方配套資金不落實，影響污水處理廠調(diào)試運/r/n行。另/r/n外，還有局部/r/n污水處理廠設計規(guī)模偏大，過度超前，造成設施能力局部閑置不能充分發(fā)揮效益。/r/n城市污水處理的主要方法有物理、化學、物理化學和生物方法。這些方法可以單一使用，也可以針對不同的污水水質組合使用。污水生物處理法是/r/nl9/r/n世紀末出現(xiàn)的污水/r/n治理技術，現(xiàn)今已成為世界各國處理污水的主要手段。我國現(xiàn)階段的污水處理主要以生物法為主，物理法和化學法起輔助作用。目前我國/r/n污水處理廣泛使用的水污染治理技術有傳統(tǒng)活性污泥法，延時曝氣活性污泥法，/r/nSBR，AB，UNITANK/r/n和氧化溝工藝，/r/nAO/r/n和/r/n等。這些工藝被證明是行之有效的水污染控制技術。/r/n我國/r/n污水處理普遍采用的上述工藝是歐美等興旺國家在/r/n2/r/n0世紀六七十年代根據(jù)歐洲國家排放標準制定的工藝。進入/r/n2/r/n0世紀/r/n9/r/n0年代后。一些西方國家污水處理率到達/r/n90/r/n％以上．每年僅有一兩個城市污水處理廠的建設工程，/r/n污水處理市場需求萎縮，失去了開發(fā)新工藝的動力。而我國污水處理新技術/r/n開發(fā)仍有巨大的需求和動力。王凱軍認為：在最近一個時期內(nèi)，我國/r/n污水處理廠主要以延時曝氣的氧化溝和/r/nSBR/r/n工藝為主是不適合我國國情的。對于我國這樣一個污染嚴重、資源短缺的開展中國家。先進的處理工/r/n藝開發(fā)應適合我國國情，遵循高效、低耗和低本錢的原那么。目前我國/r/n污水處理工藝的開展趨/r/n勢是高效反響器的開展，其中對沉淀和別離性能的改良，生物的量和質的/r/n提高/r/n，/r/n是高效反響器開展的要點。開發(fā)各類效率高、投入低、可到達一定治理深度的城市污水處理新技術。對于經(jīng)濟尚不夠興旺而污染急待治理的我國，尤其是對于沒有污水處理的/r/n17000/r/n多個建制鎮(zhèn)，在一段/r/nⅡ/r/n期內(nèi)都具有重要意義。其中以厭氧-/r/n好氧生物處理工藝、/r/n流化床和曝氣生物濾池等為代表的低耗、高效工藝有望滿足這一需求。/r/n/r/n隨著工業(yè)的不斷開展和城市人口的急劇增加，大量工業(yè)和生活污水未經(jīng)處理流入江河湖海，環(huán)境被嚴重污染，使環(huán)境保護問題日益成為影響和制約人類社會開展的因素之一。因此，建立高度自動化的污水處理廠是解決水污染問題的有效途徑。為確保污水處理工藝和設備能夠長期平安可靠地運行，無模型控制器以其技術成熟、可靠性高、安裝靈活、擴展方便、性價比高等一系列優(yōu)點，在污水處理自動控制中得到了越來越廣泛的應用。/r/n1./r/n2/r/n/r/n無模型控制簡介/r/n無模型控制方法的/r/n定義/r/n/r/n無模型控制理論與方法是指/r/n“/r/n控制器的設計僅利用受控系統(tǒng)的數(shù)據(jù),控制器中不包含受控過程數(shù)學模型的任何信息的控制理論與方法。目前,有關無模型控/r/n制/r/n方法國內(nèi)外己有一些標志性的成果應該指出,/r/n應用神經(jīng)元網(wǎng)絡的控制方法盡管其/r/n作者宣稱也是無模型控制方法,但嚴格意義上講,它們不是無模型控制方法,/r/n為網(wǎng)絡的節(jié)點/r/n需要受控對象的局部信息/r/n，/r/n而且,廣義上講,神經(jīng)元網(wǎng)絡就是系統(tǒng)的模型,系統(tǒng)變化時/r/n，/r/n網(wǎng)絡需要重新訓練另外,模糊控制方法也不屬于無模型控制方法,因為,廣義上講/r/n,/r/n這/r/n一規(guī)那么也是一種模型,需要對受控系統(tǒng)非常深的了解。/r/n同時,當系/r/n統(tǒng)發(fā)生較大的變化/r/n時,規(guī)那么需要重新給出/r/n，/r/n因此,按照無模型學術上講,它們不屬于無模型控制方法。/r/n無模型控制方法由兩局部組成,即根本的無模型控制方法局部和功能組合控制方法局部。無模型功能組合控制方法局部是用功能組合途徑設計的非線性控制方法。它是依據(jù)功能組合的思想或者說是功能模塊組合的思想,以被控對象對控制方法的功能要求為導向,而不是先考慮建立被控系統(tǒng)的數(shù)學模型的設計途徑,即所謂功能組合途徑。/r/n控制方法的功能組合途徑由一系列單元控制方法用線性和非線性方式組合成控制律的途徑。單元控制方法包括靜差克服控制方法、反向預調(diào)控制方法、控制作用轉向加速控制方法、強制穩(wěn)定控制方法、前饋控制方法、時滯控制方法、串級調(diào)節(jié)控制方法及正反作用控制方法等。每項單元控制方法均由相應的控制方法模塊表示,每個單元控制方法模塊都有相對應的參數(shù)。單元控制方法模塊的不同組合方式可得出不同的控制規(guī)律。應用功能模塊組合的思想,在控制器的設計中,需要注意控制器的各種功能模塊,包括線性控制功能,也包括非線性控/r/n制功能。在應用無模型控制方法時,根據(jù)被控對象的不同,選取不同的功能模塊/r/n“/r/n組裝〞起來就行了。顯然,這種控制器對被控制對象的適應性更強。/r/n控制方案的設計是否合理,是能否解決難控環(huán)節(jié)控制問題的一個重要問題,也是能否更好地發(fā)揮無模型控制方法的優(yōu)越性的一個重要因素。/r/n1.2/r/n.2/r/n/r/n典型無模型控制方法的簡要綜述/r/n按給出的無模型控制理論與方法的定義，目前國/r/n內(nèi)外已存在的典型無模型控制方法有類控制技術及相關的方法控制和根本/r/n的控制方法的文獻非常多,并且己/r/n經(jīng)在實際中得到了最廣泛的應用/r/n。/r/n到目前為止,/r/n工業(yè)過程控制中，最重要的/r/n仍然是控制,該方法是標準的無模型方法然而該類方法的多年理論分析和實際應用都說明,控制技術在處理具有強非線性、時變性和具有周期性擾動的系統(tǒng)控制問題時其控制效果不甚理想,不具有學習功能,不具備對系統(tǒng)結構變化的適應性針對控制利用誤差的過去、現(xiàn)在和變化趨勢的線性加權和控制策略的缺點,/r/n韓京清/r/n教授提出了非線性的概念,并且進而開展出了一系列理論成果,如跟蹤微分器、擴展狀態(tài)觀測器/r/n、自抗擾技術/r/n等,使得傳統(tǒng)的無模型控制技術又有了本質的改良和豐富,并且在實際中己經(jīng)得到了成功的應用。無模型自適應控制,/r/n是侯忠生/r/n在其博士論文中提出/r/n的/r/n,其根本思想是利用一個新引入的偽梯度向量或偽矩陣和偽階數(shù)的概念,在受控系統(tǒng)軌線附近用一系列的動態(tài)線性時變模型緊格式、偏格式、全格式線性化控制的現(xiàn)狀與展望模型來替代一般離散時間非線性系統(tǒng),并僅用受控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來在線估計系統(tǒng)的偽梯度向量,從而實現(xiàn)非線性系統(tǒng)的,該種方法控制器設計/r/n，/r/n僅用受控系統(tǒng)的數(shù)據(jù),不包括任何受控系統(tǒng)的模型信息,/r/n就/r/n能夠實現(xiàn)受控系統(tǒng)的參數(shù)自/r/n適應控制和結構自適應控制/r/n。/r/n該方法已經(jīng)在一些假設條件下/r/n，/r/n就其中的基于/r/n格式線性化和偏格式線性化的方案給出了收斂性和穩(wěn)定性的理論證明/r/n。/r/n目前,此類無模型自適應控制方法己經(jīng)在鑄模、電機、化工、溫度、壓力等領域,城市快速路交通控制陽/r/n、工程結構減震/r/n/r/n、板材成形/r/n中得到/r/n了/r/n成功的應用,/r/n而且已經(jīng)獲得了中國技術創(chuàng)造專利實際應用、仿真研究和理論證明，并且/r/n能夠處理具有強非線性和時變性系統(tǒng)的控制問題。/r/n1.2/r/n.3/r/n無模型控制方法的應用/r/n無模型控制方法的應用方式/r/n，/r/n目前在工業(yè)生產(chǎn)中/r/n，自動化設備主要應用的是/r/n國外引進的集散型計算機控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線計算機控制系統(tǒng)/r/n。在應用中大局部都沒有收到滿意的效果。幾乎所有應用/r/n裝置都沒能得到所希望的控制效果。原因是它們的根本單元控制回路算法仍然脫離不開。如果根本單元控制回路不能實現(xiàn)穩(wěn)定閉環(huán)控制/r/n，/r/n整/r/n個裝置實現(xiàn)先進最優(yōu)控制是不可能的。舊算法對于非線性、大時滯、強耦/r/n合系統(tǒng)的控制一般是無能為力的,/r/n所以目前想/r/n提高控制效果/r/n，/r/n就成了一個難題。/r/n無模型控制技術的應用解決了這個難題。以無模型控制技術為根底的無模型控制方法軟件包和無模型控制工作站,/r/n能很好的對/r/n不能實現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)定控制的環(huán)節(jié)實現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)定控制。這恰恰補救了大量國外產(chǎn)品的缺乏,所以社會效益/r/n，/r/n經(jīng)濟效益十分重大。/r/n〔1/r/n〕無模型控制方法系列產(chǎn)品能夠對非線性、大時滯、強干擾、時變及強耦/r/n合系統(tǒng)進行閉環(huán)穩(wěn)定控制。/r/n(2)無模型控制工作站可以通過通訊接口與集散控制系統(tǒng)相連接/r/n，/r/n對系統(tǒng)較難實現(xiàn)閉環(huán)控制的環(huán)節(jié)可以簡便地實現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)定控制。/r/n無模型控制方法的理論和應用研究方興未艾。我們將/r/n把進一步的理論研究重點放在加強控制方法的穩(wěn)定性、抗干擾能力、解耦/r/n能力、跟蹤速度以及簡化參數(shù)組態(tài)等幾方面:/r/n定性方面增加強制穩(wěn)定功能可以使系統(tǒng)從一般穩(wěn)定性到達指數(shù)穩(wěn)定。/r/n抗干擾能力在算法中加進抗干擾/r/n模塊/r/n，/r/n可以對外部干擾進行濾波和屏蔽/r/n，/r/n從而使抗干擾能力由原來的較強變?yōu)榫哂袕姷目垢蓴_能力。/r/n解耦能力在軟件算法中改良解耦模塊功能/r/n，/r/n增強解耦能力/r/n，/r/n使之對強耦/r/n合系/r/n統(tǒng)具備解耦/r/n的能力。/r/n跟蹤速度進一步完善功能算法的組合功能,縮短調(diào)整時間,/r/n加快跟蹤速度/r/n可以由原來二個周期穩(wěn)定提高到一個周期穩(wěn)定。/r/n組態(tài)參數(shù)在算法中加大算法集成度,/r/n盡量簡化泛模型的/r/n系統(tǒng)包括無模型控制算法的所有功能,/r/n對大時滯、強干擾、強耦/r/n合、時變、非線性都有很好的控制效果。/r/n1.2/r/n.4/r/n無模型自適應控制〔MFAC〕的根本原理/r/n考慮對于任意一步時滯的離散時間動態(tài)系統(tǒng)S，設/r/n和/r/n是系統(tǒng)在相鄰時刻的兩組觀察數(shù)據(jù)，并假定/r/n,那么必存在/r/nS,/r/n使得下式成立：/r/n〔1〕/r/n式〔1〕稱為系統(tǒng)S的泛模型，/r/n稱為泛模型的特征參量。在〔1〕式/r/n中，/r/n形式上是一個動態(tài)線性系統(tǒng)。然而，任何系統(tǒng)本質上是非線性的，這里我們可以將其看成非線性系統(tǒng)的一種折線化。為了使這種一般的非線性系統(tǒng)由動態(tài)線性化〔1〕式的替代在合理的范圍內(nèi)，就必須對控制的輸入/r/n的變化量加以限制〔一般假設，/r/n,其中b的大小根據(jù)系統(tǒng)的非線性的強弱來具體確定。系統(tǒng)的非線性越強，b的值越?。环粗酱蟆?。否那么，/r/n的變化量較大，這種代替將不再/r/n合理。/r/n注1/r/n：控制率算法的/r/n作用有兩個：其一它限制了輸入量的變化，從而使得泛/r/n模型代替非線性系統(tǒng)比擬/r/n合理；其二防止了控制律/r/n中的分母可能出現(xiàn)為零的奇異情況。這是一個很重要的參數(shù)，仿真結果說明它可以改變系統(tǒng)的動態(tài)特性。/r/n從控制律中可以看出，在K時刻唯一不知道的參數(shù)是特征參量/r/n；對于時變參數(shù)/r/n估計方法有很多。下面我們根據(jù)控制律給出基于對稱相似性理論的參數(shù)估計方法。/r/n注2/r/n：從控制律/r/n和特征參量的估計算法來看他們的結構具有相似性。〔/r/n1/r/n〕式就是我們所說的MFA控制律?？梢钥闯觯祟惪刂扑惴ú皇芟到y(tǒng)數(shù)學模型的限制，僅僅用系統(tǒng)的I\O數(shù)據(jù)來設計控制律。實現(xiàn)了在線建模與控制的一體化，突破了原有的參數(shù)自適應，真正意義上實現(xiàn)了結構自適應。不但如此，控制律還具有遞推形式使得他具有學習能力，不在需要系統(tǒng)具有持續(xù)的鼓勵。解決了傳統(tǒng)自適應控制中的辨識與控制兩者之間的矛盾。相對于傳統(tǒng)的PID控制和先進控制算法，MFAC具有以下優(yōu)點：1〕無需過程精確定量知識；2〕不需要針對某一過程進行控制器設計；3〕控制律結構簡單，參數(shù)少且不需要人工整定；4〕閉環(huán)系統(tǒng)具有穩(wěn)定性判據(jù)。/r/n總的來說，MFAC算法就是由泛模型〔1/r/n〕式的估計算法/r/n和控制算法在線交互進行、而組成的。當經(jīng)過估計值以后，即可以用控制律把系統(tǒng)進行反響控制，控制的結果將進行一組新的觀測數(shù)據(jù)，在已有的數(shù)據(jù)中添加這一組新的數(shù)據(jù)，/r/n用特征參量進行估計。如此下去，就可以實現(xiàn)/r/n整個系統(tǒng)的控制。/r/n1.2/r/n.5/r/n無模型控制律的設計途徑/r/n無模型控制方法的核心是無模型控制律,它的設計途徑由以下兩局部構成:/r/n①/r/n用建模與控制一體化途徑設計無模型控制律的根本形式/r/n依據(jù)建模與自適應控制的一體化途徑/r/n，/r/n可得到模型未知系統(tǒng)S的建模與反響/r/n。/r/n控制一體化途徑的框架如下:/r/n依據(jù)觀測數(shù)據(jù)和泛模型/r/n/r/n/r/n利用適當?shù)墓乐捣椒?r/n得到/r/n的估值/r/n尋求/r/n的向前一步的預報值/r/n,一個簡單的方法就是取/r/n=/r/n在尋求控制律時/r/n，依據(jù)泛模型導出控制律，我們把它/r/n記成/r/n，/r/n/r/n/r/n〔3〕把控制律作用于系統(tǒng)得到新的輸出/r/n，/r/n于是得到了一組新的數(shù)據(jù),/r/n。/r/n在這組新數(shù)據(jù)的根底上重復〔1〕，〔2〕，〔3〕。即可又得出新的數(shù)據(jù)/r/n,如此繼續(xù)下去?？梢宰C明，只要系統(tǒng)S滿足一定的條件，在這種手續(xù)的作用下系統(tǒng)S的輸出/r/n將逐漸地逼近/r/n。/r/n把控制/r/n律/r/n稍加改寫就可得出無模型控制律的根本形式：/r/n〔3〕/r/n在控制律〔3〕中/r/n，/r/n控制參數(shù)a是一個小正常數(shù)。它的存在防止了分母為0,/r/n/r/n是特征參量/r/n的估值，A而且是非負的參數(shù)。/r/n/r/n②/r/n用功能組合途徑設計出無模型控制律的一般形式/r/n/r/n無模型控制律的一般形式是：/r/n=/r/n/r/n+/r/n[/r/n+/r/n,/r/n,/r/n,/r/n)]//r/n)/r/n其中/r/n局部是一個適當?shù)暮瘮?shù),它表示控制律的功能組合,而/r/n={/r/n/r/n/r/n=/r/n;/r/n其中,A/r/n和/r/nθ/r/n是無/r/n模型控制器的組態(tài)參數(shù)。構成途徑是：/r/n以被控對象對控制方法的功能要求為導向,把一切可能的這種功能尋求出來,并盡可能的分解成最單一的功能稱為原功能或功能元。/r/n把可能用算法表示的原功能用算法表示/r/n，/r/n實踐證明/r/n，/r/n絕大多數(shù)的功能元,都能用算法表示/r/n，/r/n例如離散時間。調(diào)節(jié)器的遞推形式就包含了三個功能元。/r/n所有功能/r/n單/r/n元構成的集合記作E，并稱其為功能空間。/r/n就是定義在上E的適當?shù)暮瘮?shù),/r/n是該函數(shù)所含的參數(shù)向量。/r/n從理論上可以證明無模型控制律的根本形式在滿足不太苛刻的條件下具有很好的收斂性質。由根本控制方法和組合控制方法組成無模型控制方法。依據(jù)無模型控制理論方法研發(fā)設計出了四類無模型控制方法,這四類無模型控制方法根本上覆蓋了過程控制現(xiàn)場出現(xiàn)的各種難控現(xiàn)象/r/n，/r/n使得相應的問題迎刃而解,/r/n它們是、大時滯、強干擾系統(tǒng)的無模型控制方法、強耦/r/n合系統(tǒng)的無模型控制方法高階非線性大時滯系統(tǒng)的無模型控制方法、時變系統(tǒng)強制穩(wěn)定的無模型控制方法。/r/n/r/n/r/n第2章污水處理工藝流程/r/n2.1序批式活性污泥法〔/r/nSBR/r/n〕工藝簡介/r/nSBR國內(nèi)外開展及應用概況/r/n1./r/n序批式活性污泥法〔/r/nSBR/r/n〕工藝的開展/r/n序批式活性污泥法〔/r/nSequencingBatchReactor/r/n,/r/n縮寫為/r/nSBR/r/n〕以其獨特的優(yōu)點，近年來在世界各地得到開展。人們對它的研究逐漸增多，在/r/n20/r/n世紀/r/n80/r/n年代，國外對其研究進入了工業(yè)化生產(chǎn)階段。/r/n20/r/n世紀/r/n80/r/n年代末我國的一些科研單位及大專院校也對其展開了研究，并在實際工程中開始應用。/r/n最初的活性污泥工藝采用間歇式，稱之為/r/nFill-and-draw/r/n〔充排式〕系統(tǒng)。/r/n1893/r/n年/r/nWardle/r/n處理生活污水所采用的就是這種充排式工藝。/r/n1914/r/n年，/r/nArden/r/n和/r/nLackett/r/n首次提出活性污泥法這一概念時，采用的也是這種系統(tǒng)。當時，他們使用容積為/r/n2L/r/n、/r/n3L/r/n的燒瓶進行試驗研究，將原本與微生物絮體混合，然后進行曝氣，停止曝氣后混合液開始沉淀，最后排除上清液留下的污泥再開始新的處理過程。第一座生產(chǎn)規(guī)模的活性污泥法污水處理廠采用的依然是充排式的運行方式，并且證明可以到達很好的處理效果。/r/n隨著技術的開展，對/r/nSBR/r/n的生化動力學及其在工藝上的優(yōu)越性有了更深的了解。/r/n20/r/n實際/r/n50/r/n年代初，美國/r/nHoover/r/n及其同事對/r/nSBR/r/n法處理制酪工業(yè)廢水進行了探索。/r/n20/r/n世紀/r/n70/r/n年代，美國印第安納州大學的/r/nIrvine/r/n教授對/r/nSBR/r/n和連續(xù)流活性污泥處理工藝作了系統(tǒng)的比擬研究后，美國、澳大利亞、日本、原聯(lián)邦德國等許多國家和地區(qū)都展開了對/r/nSBR/r/n法的研究和應用工作，使/r/nSBR/r/n法在世界范圍得到了越來越深入的研究和越來越廣泛的應用。/r/n2./r/n我國/r/nSBR/r/n工藝的開展/r/n我國于/r/n20/r/n世紀/r/n80/r/n年代中期開始對/r/nSBR/r/n進行系統(tǒng)研究與應用。/r/n1985/r/n年虞壽樞等為上海市吳淞肉聯(lián)廠設計并投產(chǎn)了我國第一座/r/nSBR/r/n廢水處理設施；劉永松等人也展開了對/r/nSBR/r/n特性的研究；在/r/nSBR/r/n的控制技術方面，哈爾濱建筑大學的彭永臻等人對/r/nSBR/r/n反響時間的計算機控制參數(shù)進行了研究；天津華北市政工程設計研究院在/r/nSBR/r/n的根底上開發(fā)出了一種稱為/r/nDAT-IAT/r/n的新型/r/nSBR/r/n工藝。隨著/r/nSBR/r/n在國內(nèi)的廣泛應用，國內(nèi)/r/nSBR/r/n專用設備的研究也取得了長足的進步，開發(fā)出了一系列的設備。國家環(huán)?？偩诌€把/r/nSBR/r/n專用設備的產(chǎn)業(yè)化和系列化列為/r/n“/r/n八五/r/n〞/r/n和/r/n“/r/n九五/r/n〞/r/n科技攻關工程。目前，/r/nSBR/r/n工藝在我國工業(yè)廢水處理領域應用比擬廣泛，已經(jīng)建立了/r/nSBR/r/n工藝處理的污水包括：屠宰廢水、苯胺廢水、含酚廢水、啤酒廢水、化工廢水、淀粉廢水等。北京、上海、廣州、無錫、揚州、山西、福州、昆明等地已有多座/r/nSBR/r/n處理設施投入運行?？梢钥闯?，/r/nSBR/r/n是一種高效、經(jīng)濟、管理簡便，適用于中、小水量污水處理的工藝，具有廣闊的前景。/r/n2.2/r/nSBR/r/n的工作原理/r/n活性污泥法利用微生物去除有機物。首先需要微生物將有機物轉化成二氧化碳和水以及微生物菌體，反響后需要將微生物保存下來，在適當時間通過排除剩余污泥從系統(tǒng)中除去新增的微生物。連續(xù)流程工藝是從空間上進行這一過程的，污水首先進入反響池對混合液進行沉淀，與微生物別離后的上清液外排。而/r/nSBR/r/n那么是通過在時間上交替實現(xiàn)這一過程，它在流程上只設一個池子，將曝氣池和二沉池的功能集中在該池子上，兼行水質水量調(diào)節(jié)、微生物降解有機物和固液別離等功能。/r/n在/r/nSBR/r/n的運行中，每個周期循環(huán)過程即進水、反響、沉淀、排放和待機都是可進行控制的。每個過程與特定的反響條件相聯(lián)系〔混合/r/n//r/n靜止，好氧/r/n//r/n厭氧〕，這些反響條件促進污水物理和化學特性有選擇的改變，這些改變使出水得到了完全的處理。/r/n2.3/r/nSBR/r/n污水處理工藝/r/n/r/nSBR/r/n污水處理技術是一種高效廢水回用的處理技術，采用優(yōu)勢菌對城市生活污水進行處理，經(jīng)過處理后的中水可以用來澆灌綠地、花木、沖洗廁所及車輛等，從而到達節(jié)約水資源的目的。/r/nSBR/r/n污水處理系統(tǒng)方案力求到達設備體積小，性能穩(wěn)定，工程投資少的目的。廢水處理過程中環(huán)境溫度對菌群代謝產(chǎn)生的作用直接影響廢水處理效果，因此采用地埋式磚混結構處理池以降低溫度對處理效果的影響。同時，/r/nSBR/r/n廢水處理技術工藝參數(shù)變化大，硬件設計選型與設備調(diào)試比擬復雜，采用先進的無模型控制技術可以提高/r/nSBR/r/n污水處理的效率，方便操作和使用。/r/nSBR/r/n污水處理系統(tǒng)分別由污水處理池、清水池、中水水箱、電控箱以及水泵、羅茨風機、電動閥門和電磁閥等局部組成，在污水處理池、清水池、中水水箱中分別設置液位開關，用以檢測水池與水箱中的水位。/r/n污水處理的第一階段：當污水池中的水位處于低水位或無水狀態(tài)時，電動閥會自動開起納入污水。當污水池納入的污水至正常高水位時，電動閥自動關閉，污水池中污水呈微氧和厭氧狀態(tài)。/r/n污水處理的第二階段：采用能降解大分子污染物的曝氣法，可使污水脫色、除臭、平衡菌群的/r/npH/r/n值并對污染物進行高效除污，即/r/n好/r/n氧/r/n處理過程。整個好氧〔曝氣〕時間一般需要/r/n6～8h/r/n。在曝氣管路上安裝了排空電磁閥，當電動閥門自動關閉后，排空電磁閥開起，羅茨風機延時空載起動，然后排空電磁閥延時關閉。曝氣風機在無負荷條件下起動和停止，能起到保護電動機和風機的作用。經(jīng)過/r/n0.5h/r/n的水質沉淀，下達起動/r/n1#/r/n清水泵指令，將沉淀后的水泵入到清水池。當清水池中的水位升至正常高水位時，/r/n1#/r/n清水泵自動停止運行。這時/r/n2#/r/n清水泵自動起動向中水箱泵水，當水箱中到達正常高水位時，/r/n2#/r/n清水泵自動停止運行，這時中水箱內(nèi)的水全部完成處理過程。/r/n如上所示，當中水箱內(nèi)水位降至低水位時，/r/n2#/r/n清水泵又自動起動向中水箱泵水。當污水池中的水位降至低水位時，電動閥門會自動翻開繼續(xù)向污水池納入污水。如此循環(huán)往復。/r/n圖/r/n2.1/r/n污水處理系統(tǒng)示意圖/r/n/r/nSBR/r/n污水處理技術針對污水水質不同選用生物菌群不同，工藝要求有所不同，電氣控制系統(tǒng)應有參數(shù)可修正功能，以滿足污水處理的要求。/r/n/r/n第3章污水處理電氣控制局部/r/n3/r/n./r/n1污水處理電氣控制系統(tǒng)設計要求/r/n〔1/r/n〕控制裝置選用無模型控制器作為系統(tǒng)的控制核心。/r/n〔2〕可執(zhí)行手動自動兩種方式，應能按照工藝要求編輯程序并可實時整定參數(shù)。/r/n〔/r/n3/r/n〕為了設備平安運行，考慮必要的保護措施，如電動機過熱保護、控制系統(tǒng)短路保護等。/r/n3.2控制系統(tǒng)的動力設備/r/nSBR/r/n污水處理系統(tǒng)中所使用的動力設備〔水泵、羅茨風機、電動閥〕，均采用三相交流異步電動機，電動機和電磁閥〔/r/nAC220V/r/n選配〕選配防水防潮型。/r/n1#清水泵：立式離心泵/r/nLS50-10-A/r/n，揚程/r/n10/r/nm/r/n，流量29/r/n，1/r/nkW/r/n。/r/n2#清水泵：立式離心泵/r/nLS/r/n40-32.1，揚程/r/n30/r/nm/r/n，流量16/r/n，3/r/nkW/r/n。/r/n曝氣羅茨風機：/r/nTSA/r/n-40，0.7/r/n//r/nmin/r/n，1.1/r/nkW/r/n。/r/n電動閥：閥體/r/nD/r/n97A/r/n1X5-10ZB/r/n-125mm/r/n，電動裝置/r/nLQ/r/n20-1，/r/nAC380V/r/n，60/r/nW/r/n。/r/n3.3污水處理電氣控制總體方案說明/r/n〔1〕/r/nSBR/r/n污水處理系統(tǒng)控制對象電動機均由交流接觸器完成起、停控制，電動閥電動機要采用正、反轉控制。/r/n〔2〕污水池、清水池、中水水箱水位檢測開關，在選型時考慮抗干擾性能，選用電極考慮耐腐蝕性。/r/n〔3〕電動閥上驅動電動機，其內(nèi)部設有過載保護開關，為常閉觸點，作為電動閥過載保護信號，無模型控制器控制電路考慮該信號邏輯關系。/r/n〔4〕1#清水泵、2#清水泵、羅茨風機電動機、電動閥電動機分別采用熱繼電器實現(xiàn)過載保護，其熱繼電器的常開觸點通過中間繼電器轉換后，作為無模型控制器的輸入信號，用以完成各個電動機系統(tǒng)的過載保護。/r/n〔5〕羅茨風機的控制要求在無負載條件下起動或停機，需要在曝氣管路上設置排空電磁閥。/r/n〔6〕主電路用斷路器，各負載回路和控制回路以及無模型控制器控制回路采用熔斷器，實現(xiàn)短路保護。/r/n/r/n〔7〕電控箱設置在控制室內(nèi)?？刂泼姘迮c電控箱內(nèi)的電器板用/r/nBVR/r/n型銅導線連接，電控箱與執(zhí)行裝置之間采用端子板連接。/r/n3.4污水處理電氣控制原理圖設計/r/n1.主電路設計/r/nSBR/r/n污水處理電氣控制系統(tǒng)主電路如圖3.1所示。/r/n①/r/n主回路中交流接觸器/r/nKM1、KM2、KM3/r/n分別控制/r/n1#/r/n清水泵/r/nM1/r/n、/r/n2#/r/n清水泵/r/nM2/r/n、曝氣風機/r/nM3/r/n；交流接觸器/r/nKM4、KM5/r/n控制電動閥電動機/r/nM4/r/n，通過正、反轉完成開起閥門和關閉閥門的功能。/r/n②/r/n電動機/r/nM1、M2、M3、M4/r/n由熱繼電器/r/nFR1、FR2、FR3、FR4/r/n實現(xiàn)過載保護。電動閥電動機/r/nM4/r/n控制器內(nèi)還裝有常閉熱保護開關，對閥門電動機/r/nM4/r/n實現(xiàn)雙重保護。/r/n③/r/nQF/r/n為電源總開關，既可以完成主電路的短路保護，又起到分段三相交流電源的作用，使用和維修方便。/r/n④/r/n熔斷器/r/nFU1、FU2、FU3、FU4/r/n分別實現(xiàn)各負載回路的短路保護。/r/nFU5、FU6/r/n分別完成交流控制回路和無模型控制器控制回路的短路保護。/r/n圖/r/n3.1/r/n污水處理電氣控制系統(tǒng)主電路圖/r/n2.交流控制電路設計/r/n污水處理系統(tǒng)交流控制電路如圖3.2所示。/r/n①/r/n控制電路有電源指示/r/nHL1/r/n。無模型控制器供電回路采用隔離變壓器/r/nTC/r/n，以防止電源干擾。/r/n②/r/n隔離變壓器/r/nTC/r/n的選用根據(jù)無模型控制器耗電量配置，可以配置標準型、電壓比1：1、容量100/r/nVA/r/n隔離變壓器。/r/n③/r/n1#清水泵/r/nM1/r/n、2#清水泵/r/nM2/r/n、曝氣風機/r/nM3/r/n分別有運行指示燈/r/nHL2、HL3、HL4/r/n，由/r/nKM1、KM2、KM3/r/n接觸器常開輔助觸點控制。/r/n圖/r/n3.2/r/n污水處理系統(tǒng)交流控制電路圖/r/n④/r/n4/r/n臺電動機/r/nM1、M2、M3、M4/r/n的過載保護分別由/r/n4/r/n個熱繼電器/r/nFR1、FR2、FR3、FR4/r/n實現(xiàn)，將其常閉觸點并聯(lián)后與中間繼電器/r/nKA1/r/n連接構成過載保護信號，/r/nKA1/r/n還起到電壓轉換的作用，將/r/n220/r/nV/r/n交流信號轉換成直流/r/n24/r/nV/r/n信號送入無模型控制器完成過載保護控制功能。/r/n⑤/r/n上水電磁閥/r/nYA1/r/n和指示燈/r/nHL5/r/n、排空電磁閥/r/nYA2/r/n分別由中間繼電器/r/nKA2/r/n和/r/nKA3/r/n觸點控制。/r/n3.主要參數(shù)計算/r/n①/r/n斷路器/r/nQF/r/n脫扣電流。/r/n斷路器為供電系統(tǒng)電源開關，其主回路控制對象為電感性負載交流電動機，斷路器過電流脫扣值按電動機起動電流的1.7倍整定。/r/nSBR/r/n污水處理系統(tǒng)有3/r/nkW/r/n負載電動機一臺，起動電流較大，其余三臺為1.1/r/nkW/r/n以下，起動電流較小，而且工藝要求4臺電動機單獨起動運行，因此可根據(jù)3/r/nkW/r/n電動機選擇自動開關/r/nQF/r/n脫扣電流/r/n：/r/n，選用/r/n=/r/n10/r/nA/r/n的斷路器。/r/n②/r/n熔斷器/r/nFU/r/n熔體額定電流/r/n。/r/n以曝氣風機為例，/r/n，選用/r/n5/r/nA/r/n的熔體。其余熔體額定電流的選擇，按上述方法選配?？刂苹芈啡垠w額定電流選用/r/n2/r/nA/r/n3.5/r/nSBR/r/n污水處理系統(tǒng)電氣工藝設計/r/n〔1〕先根據(jù)控制系統(tǒng)要求和電氣設備的結構，確定電器元器件的總體布局以及電控箱內(nèi)裝配板與控制面板上應安裝的電器元器件。本系統(tǒng)除電控箱外，在污水處理設備現(xiàn)場設計安裝的電器元器件和動力設備有：電磁閥、水位開關、電動機、電動閥〔含閥位控制器〕等。電控箱內(nèi)電器板上安裝的電器元件有：斷路器、熔斷器、接觸器、中間繼電器、熱繼電器和端子板等。在控制面板上設計安裝的電器元件有：控制按鈕、開關、各色指示燈等。/r/n〔2〕依據(jù)用戶要求滿足操作方便、美觀大方、布局均勻對稱等設計原那么，繪制電控箱電器板元器件布置圖、電器面板元器件布置圖，如圖3.3、圖3.4所示。/r/n圖/r/n3.3/r/n電控箱電器板元器件布置圖/r/n圖/r/n3.4/r/n電控箱電器面板元器件布置圖/r/n第4章/r/nPH值的無模型/r/n控制系統(tǒng)設計/r/n4./r/n1/r/n/r/nPH值的/r/n無模型自適應/r/n控制方案/r/n由于pH加大滯后的特性疊加在該系統(tǒng)上，使控制算法相互矛盾，使問題的解決更加困難，簡單的采用傳統(tǒng)的控制手段是無法解決問題的。因此，我們考慮采用新的控制方案，即：無模型自適應控制技術MFA〔ModelFreeAdaptive〕。/r/n根據(jù)/r/npH/r/n值處理過程的時變和非線性特性/r/n,/r/n將基于緊格式線性化的單入單出非線性離散時間系統(tǒng)的無模型學習自適應控制方法應用在帶有時滯的/r/npH/r/n值中和反響過程中?？刂破鞯脑O計是無模型的/r/n,/r/n是直接基于稱為偽偏導數(shù)的向量/r/n,/r/n此偽偏導數(shù)是通過一種新型參數(shù)估計算法/r/n,/r/n根據(jù)酸堿中和反響系統(tǒng)的輸入輸出信息在線導出的。此無模型控制方法非常適用于實際的模型參數(shù)難以辨識/r/n,/r/n且是時變的非線性系統(tǒng)。仿真控制驗證了該方法對不確知動態(tài)的非線性/r/npH/r/n值的控制具有魯棒性強、響應速度快和控制精度高的優(yōu)點/r/n,/r/n性能好于傳統(tǒng)的/r/nPID/r/n控制。/r/n4.1/r/n.1/r/n無模型/r/n自適應/r/n控制技術簡述/r/n無模型學習自適應控制/r/n(MFLAC)/r/n在/r/n1993/r/n～/r/n1994/r/n被提出/r/n,/r/n其根本思想是利用一個新引入的偽梯度向量的概念/r/n,/r/n用一系列的動態(tài)線性時變模型/r/n,/r/n包括緊格式、偏格式、全格式線性化模型來替代一般非線性系統(tǒng)/r/n,/r/n并僅用受控系統(tǒng)的/r/nI/O/r/n數(shù)據(jù)來在線估計系統(tǒng)的偽梯度向量/r/n,/r/n從而實現(xiàn)非線性系統(tǒng)的無模型學習自適應控制。目前已成功應用于煉油、化工、電力、輕工等領域/r/n[10]/r/n及城市快速路交通流入口匝道控制的研究。由于無模型自適應控制無需受控系統(tǒng)的數(shù)學模型/r/n,/r/n在線估計參數(shù)少、設計簡單、易于實現(xiàn)/r/n,/r/n所以對控制理論在實際中的應用具有重要的意義。而傳統(tǒng)的自適應控制系統(tǒng)需要辨識受控系統(tǒng)的模型參數(shù)或者是辨識受控系統(tǒng)的模型結構等辨識環(huán)節(jié)。/r/nMFA控制是自動控制領域中一種全新的理論和技術，它為解決工業(yè)過程中的復雜回路控制問題提出了新穎而有效的理念和方法。MFA控制技術是與PID和自整定PID、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、專家系統(tǒng)控制等流行方式是完全不同的。/r/nMFA技術不同與傳統(tǒng)控制技術的方面可歸納為：/r/n〔1〕所有過程的信息都已包含在輸入輸出的信號中，只是以往傳統(tǒng)的控制方法缺乏有效提取這些信息并加以利用的手段；/r/n〔2〕通過無事先訓練的快速強制學習等方式，使MFA控制器能夠準確把握過程對象當前的特征，產(chǎn)生更合理的對策，從而獲得理想的調(diào)節(jié)控制結果。/r/nMFA控制技術主要的應用范圍：采用傳統(tǒng)控制手段難以控制的非線形、大滯后、強耦合和時變系統(tǒng)。/r/nMFA控制技術對于pH加大滯后過程有其獨特的技術優(yōu)勢：/r/n僅需大致估計/r/n曲線的折點和滯后時間，輸入陡峭段和平穩(wěn)段的Kc，MFA就可以進行有效地控制/r/n有效控制流入速率和/r/nP/r/nH值的變化/r/n自適應并補償大的增益改變/r/n在一般的應用場合使用MFA〔/r/nP/r/nH〕模塊控制器，利用其默認值就可以得到比擬穩(wěn)定的投運效果。簡單的pH模塊可以抵抗/r/n的滯后過程，當/r/n時可將MFA的Time-Varying模塊設為Enable，然后估計出最大和最小的滯后時間，填入模塊參數(shù)表就可以得到滿意的控制效果。/r/n4./r/n2/r/n/r/n無模型學習自適應控制的設計/r/n被控系統(tǒng)可以通過以下單入單出非線性離散時間方程來描述/r/n:/r/n/r/n〔1〕/r/n,/r/n分別表示系統(tǒng)/r/nk/r/n時刻的輸入與輸出/r/n,/r/n,/r/n分別表示系統(tǒng)未知的階數(shù)/r/n,/r/n是未知的非線性函數(shù)。/r/n/r/n單入單出非線性系統(tǒng)的緊格式線性化/r/n緊格式線性化是在以下三個假設條件下完成的。/r/n假設/r/n1/r/n系統(tǒng)/r/n(1)/r/n式對某一系統(tǒng)有界的期望輸出信號/r/n,/r/n存在一有界的可行控制輸入信號/r/n,/r/n在此控制輸入信號的作用下/r/n,/r/n系統(tǒng)輸出等于期望輸出。此假設是對受控系統(tǒng)的根本假設。/r/n假設/r/n2/r/n/r/n關于系統(tǒng)當前的控制輸入信號/r/n的偏導數(shù)是連續(xù)的/r/n,/r/n它包括了一大類非線性系統(tǒng)。/r/n假設/r/n3/r/n系統(tǒng)/r/n(1)/r/n式滿足對任意的/r/nk/r/n和/r/n/r/n有/r/n:/r/n其中/r/n,b/r/n是常數(shù)。此假設是對系統(tǒng)輸出變化量的限制。/r/n定理/r/n1/r/n對非線性系統(tǒng)/r/n(1)/r/n式/r/n,/r/n如果滿足假設條件/r/n1/r/n～/r/n3,/r/n那么當/r/n時/r/n,/r/n一定存在一個稱為是偽偏導數(shù)/r/n(Pseudo-Partial-Derivative,PPD)/r/n的向量/r/n,/r/n使得/r/n:/r/n/r/n(2)/r/n并且/r/n|/r/n，/r/n/r/n其中/r/nb/r/n是一個常數(shù)。/r/n定理/r/n1/r/n的證明/r/n,/r/n其中的偽偏導數(shù)是一個時變參數(shù)/r/n,/r/n如果采樣周及/r/n/r/n的值均很小時/r/n,PPD/r/n可以看成是一個慢時變參數(shù)。且與/r/n/r/n的關系可以忽略/r/n,/r/n因此理論上是能夠設計自適應控制系統(tǒng)的。同時它的結構非常簡單/r/n,/r/n它將一個復雜的/r/nSISO/r/n非線性系統(tǒng)轉化成一個帶有單參數(shù)的線性時變系統(tǒng)。/r/n4/r/n.2.2/r/n基于緊格式線性化的無模型學習自適應控制控/r/n制率算法/r/n為保證表示一般非線性系統(tǒng)的/r/n(1)/r/n式由動態(tài)線性化/r/n(2)/r/n式合理替代/r/n,/r/n必須限制控制輸入/r/n的變化量/r/n,/r/n除在算法中要保證/r/n/r/n以外/r/n,/r/n由于自適應控制系統(tǒng)是在動態(tài)閉環(huán)方式下工作/r/n,/r/n還必須在控制率算法中參加可調(diào)參數(shù)/r/n,/r/n用以限制/r/n的變化/r/n,/r/n使其變化不能太大。/r/n考慮如下控制輸入準那么函數(shù)/r/n:/r/n/r/n(3)/r/n此準那么函數(shù)中引入/r/n的目的/r/n,/r/n是使控制輸入量的變化受到限制/r/n,/r/n且能克服穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差。其中/r/n是權重系數(shù)。將/r/n(2/r/n)/r/n式帶入/r/n(3)/r/n式/r/n,/r/n對/r/n求導/r/n,/r/n并令其等于零/r/n,/r/n得/r/n:/r/n/r/n(4)/r/n其中/r/n是步長序列。/r/n在/r/n(4)/r/n式中/r/n的作用是限制了/r/n/r/n的變化/r/n,/r/n保證了/r/n(2)/r/n式對/r/n(1)/r/n式的合理替代范圍/r/n,/r/n因此可以間接限制偽偏導數(shù)值的變化。同時可以防止控制率算法/r/n(4)/r/n式中分母可能為零的情況。/r/n是一個非常重要的參數(shù)/r/n,/r/n后面的仿真結果說明它可以改變系統(tǒng)的動態(tài)特性。/r/n從/r/n(4)/r/n式可知/r/n,/r/n此類控制率與受控系統(tǒng)參數(shù)數(shù)學模型結構、/r/n系統(tǒng)階數(shù)無關/r/n,/r/n僅用系統(tǒng)/r/nI/O/r/n數(shù)據(jù)設計/r/n,/r/n這正是無模型自適應控制的優(yōu)勢所在。/r/n/r/n基于緊格式線性化的無模型學習自適應控制偽/r/n偏導數(shù)估計算法/r/n實踐證明用傳統(tǒng)的參數(shù)估計準那么函數(shù)推導出的參數(shù)估計算法在估計參數(shù)時/r/n,/r/n估計值常常變化太快/r/n,/r/n或者對某些突變的采樣數(shù)據(jù)過于敏感/r/n,/r/n而對自適應控制系統(tǒng)設計的非線性系統(tǒng)參數(shù)估計算法必須滿足在線控制的快速性要求。且線性化范圍不能太大。新的估計準那么函數(shù)如下/r/n:/r/n/r/n〔5〕/r/n其中/r/n表示系統(tǒng)的真實輸出/r/n,/r/n是關于參數(shù)估計變化量的懲罰因子/r/n,/r/n通過它的適中選取/r/n,/r/n可以限制非線性系統(tǒng)進行線性替代的范圍。準那么函數(shù)/r/n(5)/r/n式中由于項/r/n的引入/r/n,/r/n懲罰了參數(shù)/r/n/r/n的變化/r/n,/r/n且由于/r/n(5)/r/n式中僅考慮了第/r/nk/r/n個采樣時刻/r/n,/r/n故由準那么函數(shù)推導來的參數(shù)估計算法應具有對時變參數(shù)的跟蹤能力。通過極小化推導過程/r/n[9],/r/n得到如下偽偏導數(shù)估計算法/r/n:/r/n/r/n〔6〕/r/n，假設/r/n或/r/n〔7〕/r/n(7)/r/n式是為了使定理/r/n4/r/n.1/r/n的條件得到滿足/r/n,/r/n同時也為了使參數(shù)估計算法具有更強的時變參數(shù)跟蹤能力。在/r/n(4)/r/n、/r/n〔/r/n6)/r/n、/r/n(7)/r/n式中/r/n,/r/n/r/n，/r/n,/r/n∈/r/n(0,2),/r/n是權重因子/r/n,/r/n是充分小的正數(shù)/r/n,/r/n是/r/n的初值。/r/n由于上述控制方案比傳統(tǒng)的自適應控制方案在線調(diào)整參數(shù)少/r/n,/r/n計算量小/r/n,/r/n系統(tǒng)偽偏導數(shù)是唯一在線調(diào)整的參數(shù)/r/n,/r/n因此能適應系統(tǒng)快速性要求/r/n,/r/n且易于實現(xiàn)。/r/n4.3/r/nPH/r/n值控制中的仿真研究及性能分析/r/npH/r/n值是酸堿中和反響中對溶液酸堿度的定義/r/n,/r/n中和反響過程是將酸溶液、堿溶液和緩沖劑混合在一個固定體積的容器中，系統(tǒng)的輸入是堿的流速/r/n/r/n、緩沖劑流速/r/n和酸的流速/r/n,/r/n系統(tǒng)的輸出是排出溶液的/r/npH/r/n值/r/n。假設酸的流速/r/n和容器的體積/r/nV/r/n是固定不變的/r/n,/r/n通常最終目的是通過控制堿的流速來控制排出溶液的/r/npH/r/n值。不可測得的緩沖劑流速/r/n可以作為系統(tǒng)的干擾來處理。/r/npH/r/n較低或較高時/r/n,/r/n變化非常緩慢/r/n,/r/n而在接近中性時/r/n,/r/n即/r/npH/r/n在/r/n7/r/n左右時/r/n,/r/n添加的中和劑稍有變化/r/n,/r/n就能引起/r/npH/r/n值較大幅度的變化。又由于反響過程一般在大/r/n容器中進行/r/n,/r/n從中和劑參加到/r/npH/r/n值變化需要時間較長/r/n,/r/n這一嚴重的非線性與時滯特性給/r/npH/r/n值控制帶來極大的困難/r/n,/r/n不僅難以控制準確/r/n,/r/n而且還浪費大量中和劑。本文通過基于緊格式線性化的無模型學習自適應控/r/n(MFLAC)/r/n方法在/r/npH/r/n值控制中的應用研究/r/n,/r/n分析當系統(tǒng)參數(shù)變化時/r/n,/r/n系統(tǒng)的輸出對給定期望值的跟蹤情況/r/n,/r/n證明此控制方法在酸堿中和反響過程中應用的魯棒性、快速性等。/r/n4.3/r/n.1/r/nP/r/nH值控制系統(tǒng)模型/r/n實際生產(chǎn)過程中的中和反響過程是非常復雜的/r/n,/r/n這里考慮的被控對象選用通用化非線性動態(tài)模型如下：/r/n〔8〕/r/n〔9〕/r/n其中/r/n是水平衡常數(shù)/r/n;/r/n為溶液的濃度/r/n,/r/n定義為/r/n為輸出溶液的/r/npH/r/n值。被控對象的近似離散化模型表示為/r/n:/r/n/r/n/r/n〔10〕/r/n式中/r/n,V/r/n為反響容器的容積/r/n,/r/n單位為/r/nL;/r/n為酸的流量/r/n,/r/n單位為/r/nL/min;/r/n為堿的流量/r/n,/r/n單位為/r/nL/min;/r/na/r/n為酸的濃度/r/n,/r/n單位為/r/nmol/L;/r/nb/r/n為堿的濃度/r/n,/r/n單位為/r/nmol/L;T/r/n為采樣周期/r/n,/r/n單位為/r/nmin;/r/n為緩沖劑的流量/r/n,/r/n這里作為系統(tǒng)的干擾輸入信號。由/r/n(/r/n2/r/n)/r/n式解得輸出溶液的/r/npH/r/n值為/r/n:/r/n〔11〕/r/n由上述方程可知由/r/n到/r/n的變化導致了嚴重的非線性/r/n。/r/n4./r/n3/r/n.2/r/n仿真研究及穩(wěn)定性分析/r/n至此/r/n,/r/npH/r/n值的非線性時變系統(tǒng)/r/n,/r/n通過/r/n(/r/n4/r/n)/r/n式的控制率來控制/r/n。/r/n偽偏導數(shù)通過/r/n(/r/n6)/r/n式根據(jù)/r/npH/r/n值控制系統(tǒng)數(shù)學模型的輸入輸出信息/r/n(8/r/n)/r/n至/r/n(11/r/n)/r/n式在線估計/r/n,/r/n通過仿真取得了好的過程響應/r/n。/r/n所給出的被控對象動態(tài)數(shù)學模型僅用于受控系統(tǒng)/r/nI/O/r/n數(shù)據(jù)的產(chǎn)生/r/n,/r/n不參加控制器的設計/r/n。/r/n因此即使系統(tǒng)自身參數(shù)發(fā)生變化/r/n,/r/n對控制器并無影響。系統(tǒng)的參數(shù)選擇為/r/n:a=0.004mol/L,b=0.001mol/L,V=/r/n2L/r/n,T=1min,/r/n=0.112/r/n5L/r/n/min/r/n。仿真初值設為/r/n,/r/n,/r/n,/r/n重設值時取為/r/n0.5,/r/n=0.00001,/r/n步長序列/r/n=1,/r/n=1.5,/r/n采/r/n樣周期取為/r/n1min/r/n。如果設置權重常數(shù)/r/n=1,/r/n=500000/r/n,/r/nMatlab/r/n下的仿真結果/r/n如圖/r/n4.1/r/n所示/r/n,/r/n具有好的控制效果和非常小的跟蹤誤差。系統(tǒng)穩(wěn)定性好/r/n。/r/n圖4.1權重常熟/r/nμ/r/n=1，/r/nλ/r/n=500000時PH值/r/n響/r/n應特性/r/n當設置權重常數(shù)/r/n=1,/r/n>500000/r/n后/r/n,/r/n雖然超調(diào)可減小/r/n,/r/n但延時加大/r/n,/r/n且/r/n/r/n越大延時越大/r/n,/r/n<300000/r/n后/r/n,/r/n延時減小/r/n，/r/n但超調(diào)增大/r/n，/r/n當/r/n<21000/r/n后/r/n,/r/n系統(tǒng)開始不穩(wěn)定/r/n,/r/n由此可見/r/n,/r/n的調(diào)節(jié)范圍很寬/r/n,/r/n從/r/n21000/r/n到/r/n1000000/r/n內(nèi)可調(diào)。/r/n/r/n在第/r/n1000/r/n個采樣點時/r/n,pH/r/n設定值由/r/n7/r/n變?yōu)?r/n8/r/n,/r/n系統(tǒng)能夠很快地到達穩(wěn)態(tài)/r/n,/r/n響應曲線如圖/r/n4/r/n.2/r/n/r/n所示。/r/n圖4.2權重常熟/r/nμ/r/n=1，/r/nλ/r/n=500000時改變PH設定值后系統(tǒng)的響應特性/r/n對系統(tǒng)參加方差為/r/n0.1/r/n的隨機干擾/r/n,/r/n只要稍微的調(diào)節(jié)參數(shù)/r/n就可得到如圖/r/n4.3/r/n/r/n所示的好的控制效果/r/n。/r/n由于/r/n是關于參數(shù)估計變化量的懲罰因子/r/n,/r/n可以限制非線性直線電機系統(tǒng)進行線性替代的范圍。/r/n限制了控制量的變化/r/n,/r/n因此可以間接限制偽偏導數(shù)值的變化。從以上仿真結果可知/r/n,/r/n當適當?shù)倪x取權重常數(shù)/r/n、/r/n,/r/n可以改變系統(tǒng)的動態(tài)特性/r/n,/r/n使無模型學習自適應控制在/r/npH/r/n值控制中的控制效果到達很好。為了演示本文方法的優(yōu)越性/r/n,/r/n應用經(jīng)典的/r/nPID/r/n控制技術進行了仿真以便與本文所述方案進行比擬。控制結果的比擬見圖/r/n4.4/r/n/r/n所示。其中/r/nPID/r/n的參數(shù)為/r/n，/r/n,/r/n已調(diào)整到最正確。從仿真結果可知/r/nPID/r/n控制響應速度較慢/r/n,/r/n有較大的時滯/r/n,/r/n另外/r/n,/r/nPID/r/n參數(shù)調(diào)整非常的麻煩/r/n,/r/n須特別小心/r/n,/r/n稍微的變化都有可能使控制效果不好/r/n,/r/n產(chǎn)生震蕩/r/n,/r/n甚至失穩(wěn)。/r/n圖4.3/r/n權重常熟/r/nμ/r/n=1，/r/n系統(tǒng)參加干擾后，調(diào)節(jié)/r/nλ/r/n=/r/n7/r/n00000時/r/n時的/r/nPH/r/n的/r/n響應特性/r/n圖4.4/r/n無模型自適應控制與PID控制結果比擬/r/n在本文中/r/n,/r/n將基于緊格式線性化的無模型學習自適應控制方法應用在/r/npH/r/n值控制中/r/n,/r/n該算法能對大時滯、強非線性的/r/npH/r/n值進行有效控制/r/n,/