污水處理過程中PH值的無模型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

1、I / 43污水處理過程中 PH 值的無模型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要我國的水資源地區(qū)分布極不平衡，導(dǎo)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(jì)發(fā)展的重要因素。環(huán)境污染是造成我國水資源緊的另一個(gè)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(yán)重的污染。如何使水資源得到保護(hù)，污水得到與時(shí)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。本文介紹了無模型控制器又稱非建模自適應(yīng)控制器的基本理論和近年來在理論和應(yīng)用方面研究的進(jìn)展，無模型控制器的設(shè)計(jì)途徑是一種非典型的途徑。該途徑的特點(diǎn)是：建模和反饋控制一體化，沖

2、破經(jīng)典PID的概念和控制器設(shè)計(jì)的線性框架，采用了功能組合設(shè)計(jì)方法。建模與控制一體化的手續(xù)，是設(shè)計(jì)出來的控制器具有一定的結(jié)構(gòu)自適應(yīng)性。本次設(shè)計(jì)的這個(gè)污水處理系統(tǒng)將提高污水處理的質(zhì)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(dòng)強(qiáng)度隨之降低，盡量滿足出水水質(zhì)要求。同時(shí)，與某些大型污水處理設(shè)備相比，系統(tǒng)要運(yùn)行可靠，投資大為降低。關(guān)鍵詞：污水處理；無模型控制器；建模與控制一體化；功能組合；結(jié)構(gòu)自適；應(yīng)用II / 43TheThe SystemSystem DesignDesign ofof ModelModel FreeFree ControlControl inin TheThePro

3、cessProcess ofof SewageSewage TreatmentTreatment AbstractAbstractChinas unbalanced 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 wat

4、er resources is another important reason. At present, about 1 / 3 of industrial 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 resour

5、ce by the effective use of once again has become an important issue facing of our 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

6、model free controller is a non - classical .The character of this approach is that :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 comb

7、ination has been used. The III / 43method of unity of modeling and feedback control such 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 redu

8、ction in labor intensity decreases, fully meet the effluent quality requirements. Meanwhile, some large-scale sewage treatment equipment, system to run reliably, much less investment.Keywords:Keywords:municipal wastewater treatment; Model free controller ; Unity of modeling and control ; Function co

9、mbination ; Adaptation of structure ; Application. IV / 43目 錄摘要 IABSTRACTII第 1 章引言 11.1 污水處理研究現(xiàn)狀 11.2 無模型控制簡(jiǎn)介 31.2.1 無模型控制方法的定義 31.2.2 典型無模型控制方法的簡(jiǎn)要綜述 41.2.3 無模型控制方法的應(yīng)用 51.2.4 無模型自適應(yīng)控制（MFAC）的基本原理 71.2.5 無模型控制律的設(shè)計(jì)途徑 8第 2 章污水處理工藝流程 112.1 序批式活性污泥法（SBR）工藝簡(jiǎn)介 112.1.1 SBR 國外發(fā)展與應(yīng)用概況 112.2 SBR 的工作原理 12V / 432

10、.3 SBR 污水處理工藝 13第 3 章污水處理電氣控制部分 163.1 污水處理電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 163.2 控制系統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)備 163.3 污水處理電氣控制總體方案說明 163.4 污水處理電氣控制原理圖設(shè)計(jì) 173.5 SBR 污水處理系統(tǒng)電氣工藝設(shè)計(jì) 20第 4 章 PH 值的無模型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 224.1 PH 值的無模型自適應(yīng)控制方案 224.1.1 無模型自適應(yīng)控制技術(shù)簡(jiǎn)述 224.2 無模型學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制的設(shè)計(jì) 244.2.1 單入單出非線性系統(tǒng)的緊格式線性化 244.2.2 基于緊格式線性化的無模型學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制控 254.2.3 基于緊格式線性化的無模型學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制

11、偽 264.3 PH 值控制中的仿真研究與性能分析 274.3.1 PH 值控制系統(tǒng)模型 274.3.2 仿真研究與穩(wěn)定性分析 284.4 PH 值的控制目標(biāo) 324.5 系統(tǒng)投運(yùn)后的效果 32第 5 章總結(jié) 33參考文獻(xiàn) 34VI / 43辭 361 / 43第 1 章引言1.1 污水處理研究現(xiàn)狀 我國污水處理面臨著水污染嚴(yán)重，污水治理起步晚、基礎(chǔ)差、要求高的形勢(shì)。近些年，污水處理的建設(shè)有了很大發(fā)展，截至 2005 年 6 月底，全國 661 個(gè)城市建有污水處理廠 708 座，處理能力為 4912 萬噸，是 2000 年的兩倍多；全年污水處理量 1628 億，比 2000 年增加了 43。污

12、水處理率達(dá) 457。但絕大3m多數(shù)污水處理能力滿足不了實(shí)際需要，全國還有 297 個(gè)城市沒有建成污水處理廠，其中，地級(jí)以上城市 63 個(gè)。包括人口 5O 萬以上的大城市 8 個(gè)；位于重點(diǎn)流域、區(qū)域“十五”規(guī)劃圍的城市 54 個(gè)。全國 5 萬多個(gè)城鎮(zhèn)。370 多萬個(gè)村莊，9 億多人口居住地尚無污水處理設(shè)施。 與國際相比，我國污水處理率較低，其主要原因是我國的污水處理廠建設(shè)滯后。據(jù)資料介紹，美國現(xiàn)在平均每1萬人就擁有1座污水處理廠，英國和德國每70008000人擁有1座污水處理廠。而我國城鎮(zhèn)人171中，平均每150萬人才擁有1座污水處理廠。據(jù)建設(shè)部通報(bào)的全國污水處理情況。目前已建成的污水處理廠，除

13、正在調(diào)試運(yùn)行的外，尚有不能正常運(yùn)行的，其原因主要有：第一，對(duì)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(yùn)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(fèi)，或收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)和征繳率低，污水處理設(shè)施運(yùn)行經(jīng)費(fèi)難以保障。第三，污水收集管網(wǎng)建設(shè)滯后，污水處理廠運(yùn)行負(fù)荷率低，甚至難以運(yùn)行。第四，地方配套資金不落實(shí)，影響污水處理廠調(diào)試運(yùn)行。2 / 43另外，還有部分污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模偏大，過度超前，造成設(shè)施能力部分閑置不能充分發(fā)揮效益。城市污水處理的主要方法有物理、化學(xué)、物理化學(xué)和生物方法。這些方法可以單一使用，也可以針對(duì)不同的污水水質(zhì)組合使用。污水生物處理法是l9世紀(jì)末出現(xiàn)的污水治理

14、技術(shù)，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(xué)法起輔助作用。目前我國污水處理廣泛使用的水污染治理技術(shù)有傳統(tǒng)活性污泥法，延時(shí)曝氣活性污泥法，SBR，AB，UNITANK和氧化溝工藝，AO和等。這些工藝被證明是行之有效的OA2水污染控制技術(shù)。我國污水處理普遍采用的上述工藝是歐美等發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)六七十年代根據(jù)歐洲國家排放標(biāo)準(zhǔn)制定的工藝。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后。一些西方國家污水處理率達(dá)到90以上每年僅有一兩個(gè)城市污水處理廠的建設(shè)項(xiàng)目，污水處理市場(chǎng)需求萎縮，失去了開發(fā)新工藝的動(dòng)力。而我國污水處理新技術(shù)開發(fā)仍有巨大的需求和動(dòng)力。王凱軍認(rèn)為：在最近一個(gè)時(shí)期

15、，我國污水處理廠主要以延時(shí)曝氣的氧化溝和SBR工藝為主是不適合我國國情的。對(duì)于我國這樣一個(gè)污染嚴(yán)重、資源短缺的發(fā)展中國家。先進(jìn)的處理工藝開發(fā)應(yīng)適合我國國情，遵循高效、低耗和低成本的原則。目前我國污水處理工藝的發(fā)展趨勢(shì)是高效反應(yīng)器的發(fā)展，其中對(duì)沉淀和分離性能的改進(jìn)，生物的量和質(zhì)的提高，是高效反應(yīng)器發(fā)展的要點(diǎn)。開發(fā)各類效率高、投入低、可達(dá)到一定治理深度的城市污水處理新技術(shù)。對(duì)于經(jīng)濟(jì)尚不夠發(fā)達(dá)而污染急待治理的我國，尤其是對(duì)于沒有污水處理的17000多個(gè)建制鎮(zhèn)，在一段期都具有重要意義。其中以厭氧-好氧生物處理工藝、流化床和曝氣生物濾3 / 43池等為代表的低耗、高效工藝有望滿足這一需求。 隨著工業(yè)的不

16、斷發(fā)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(yán)重污染，使環(huán)境保護(hù)問題日益成為影響和制約人類社會(huì)發(fā)展的因素之一。因此，建立高度自動(dòng)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(shè)備能夠長(zhǎng)期安全可靠地運(yùn)行，無模型控制器以其技術(shù)成熟、可靠性高、安裝靈活、擴(kuò)展方便、性價(jià)比高等一系列優(yōu)點(diǎn)，在污水處理自動(dòng)控制中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。1.2 無模型控制簡(jiǎn)介1.2.1 無模型控制方法的 定義 無模型控制理論與方法是指“控制器的設(shè)計(jì)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(xué)模型的任何信息的控制理論與方法 。目前,有關(guān)無模型控制方法國外己有一些標(biāo)志性的成果 應(yīng)

17、該指出,應(yīng)用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的控制方法盡管其作者宣稱也是無模型控制方法,但嚴(yán)格意義上講,它們不是無模型控制方法,為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)需要受控對(duì)象的部分信息， 而且,廣義上講,神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)就是系統(tǒng)的模型,系統(tǒng)變化時(shí)，網(wǎng)絡(luò)需要重新訓(xùn)練另外,模糊控制方法也不屬于無模型控制方法,因?yàn)?廣義上講,這一規(guī)則也是一種模型,需要對(duì)受控系統(tǒng)非常深的了解。同時(shí),當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生較大的變化時(shí),規(guī)則需要重新給出，因此,按照無模型學(xué)術(shù)上講,它們不屬于無模型控制方法。無模型控制方法由兩部分組成,即基本的無模型控制方法部分和功能組合控制方法部分。無模型功能組合控制方法部分是用功能組合途徑設(shè)計(jì)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

18、塊組合的思想 , 以被控對(duì)象對(duì)4 / 43控制方法的功能要求為導(dǎo)向 , 而不是先考慮建立被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)途徑 , 即所謂功能組合途徑。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(yù)調(diào)控制方法、控制作用轉(zhuǎn)向加速控制方法、強(qiáng)制穩(wěn)定控制方法、前饋控制方法、時(shí)滯控制方法、串級(jí)調(diào)節(jié)控制方法與正反作用控制方法等。每項(xiàng)單元控制方法均由相應(yīng)的控制方法模塊表示 , 每個(gè)單元控制方法模塊都有相對(duì)應(yīng)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(yīng)用功能模塊組合的思想 , 在控制器的設(shè)計(jì)中 , 需要注意控制器的各種功能模塊

19、 , 包括線性控制功能 , 也包括非線性控制功能。在應(yīng)用無模型控制方法時(shí) , 根據(jù)被控對(duì)象的不同 , 選取不同的功能模塊 “組裝” 起來就行了。顯然 ,這種控制器對(duì)被控制對(duì)象的適應(yīng)性更強(qiáng)。 控制方案的設(shè)計(jì)是否合理 ,是能否解決難控環(huán)節(jié)控制問題的一個(gè)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(gè)重要因素。1.2.2 典型無模型控制方法的簡(jiǎn)要綜述按給出的無模型控制理論與方法的定義，目前國外已存在的典型無模型控制方法有類控制技術(shù)與相關(guān)的方法控制和基本的控制方法的文獻(xiàn)非常多,并且己經(jīng)在實(shí)際中得到了最廣泛的應(yīng)用。到目前為止,工業(yè)過程控制中，最重要的仍然是控制 ,該方法是標(biāo)準(zhǔn)的無模型方法 然而

20、該類方法的多年理論分析和實(shí)際應(yīng)用都表明,控制技術(shù)在處理具有強(qiáng)非線性 、時(shí)變性和具有周期性擾動(dòng)的系統(tǒng)控制問題時(shí)其控制效果不甚理想,不具有學(xué)習(xí)功能,不具備對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化的適應(yīng)性針對(duì)控5 / 43制利用誤差的過去 、現(xiàn)在和變化趨勢(shì)的線性加權(quán)和控制策略的缺點(diǎn),京清教授提出了非線性的概念,并且進(jìn)而發(fā)展出了一系列理論成果,如跟蹤微分器 、擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器 、自抗擾技術(shù)等,使得傳統(tǒng)的無模型控制技術(shù)又有了本質(zhì)的改進(jìn)和豐富,并且在實(shí)際中己經(jīng)得到了成功的應(yīng)用。無模型自適應(yīng)控制 ,是侯忠生在其博士論文中提出的,其基本思想是利用一個(gè)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(dòng)態(tài)線性時(shí)變模型緊

21、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(shí)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(jì)系統(tǒng)的偽梯度向量,從而實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)的,該種方法控制器設(shè)計(jì)，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,就能夠?qū)崿F(xiàn)受控系統(tǒng)的參數(shù)自適應(yīng)控制和結(jié)構(gòu)自適應(yīng)控制。該方法已經(jīng)在一些假設(shè)條件下，就其中的基于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。目前,此類無模型自適應(yīng)控制方法己經(jīng)在鑄模、電機(jī)、化工、溫度、壓力等領(lǐng)域 ,城市快速路交通控制陽 、工程結(jié)構(gòu)減震 、板材成形中得到了成功的應(yīng)用,而且已經(jīng)獲得了中國技術(shù)發(fā)明專利實(shí)際應(yīng)用、仿真研究和理論證明，并且能夠處理具有強(qiáng)非線性和

22、時(shí)變性系統(tǒng)的控制問題。1.2.3 無模型控制方法的應(yīng)用無模型控制方法的應(yīng)用方式，目前在工業(yè)生產(chǎn)中，自動(dòng)化設(shè)備主要應(yīng)用的是國外引進(jìn)的集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。在應(yīng)用部分都沒有收到滿意的效果。幾乎所有應(yīng)用裝置都沒能得到所希望的控制效果。原因是它們的基本單元控制回路算法仍然脫離不開 。如果基本單元控制回路不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定閉環(huán)控制，整個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)先進(jìn)最優(yōu)控制是不可能的。舊算法對(duì)于非線性、大時(shí)6 / 43滯、強(qiáng)耦合系統(tǒng)的控制一般是無能為力的,所以目前想提高控制效果，就成了一個(gè)難題。無模型控制技術(shù)的應(yīng)用解決了這個(gè)難題。以無模型控制技術(shù)為基礎(chǔ)的無模型控制方法軟件包和無模型控制工作站 ,能很好的

23、對(duì)不能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)定控制的環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)定控制。這恰恰補(bǔ)救了大量國外產(chǎn)品的不足 ,所以社會(huì)效益，經(jīng)濟(jì)效益十分重大。（1）無模型控制方法系列產(chǎn)品能夠?qū)Ψ蔷€性、大時(shí)滯、強(qiáng)干擾、時(shí)變與強(qiáng)耦合系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)穩(wěn)定控制。(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，對(duì)系統(tǒng)較難實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的環(huán)節(jié)可以簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)定控制。無模型控制方法的理論和應(yīng)用研究方興未艾。我們將把進(jìn)一步的理論研究重點(diǎn)放在加強(qiáng)控制方法的穩(wěn)定性、抗干擾能力、解耦能力、跟蹤速度以與簡(jiǎn)化參數(shù)組態(tài)等幾方面:(1)定性方面增加強(qiáng)制穩(wěn)定功能可以使系統(tǒng)從一般穩(wěn)定性達(dá)到指數(shù)穩(wěn)定。(2)抗干擾能力在算法中加進(jìn)抗干擾模塊，可以對(duì)外部干擾進(jìn)行濾波和

24、屏蔽， 從而使抗干擾能力由原來的較強(qiáng)變?yōu)榫哂袕?qiáng)的抗干擾能力。(3)解耦能力在軟件算法中改進(jìn)解耦模塊功能，增強(qiáng)解耦能力，使之對(duì)強(qiáng)耦合系統(tǒng)具備解耦的能力。(4)跟蹤速度進(jìn)一步完善功能算法的組合功能,縮短調(diào)整時(shí)間,加快跟蹤速度可以由原來二個(gè)周期穩(wěn)定提高到一個(gè)周期穩(wěn)定。(5)組態(tài)參數(shù)在算法中加大算法集成度 ,盡量簡(jiǎn)化泛模型的系統(tǒng)包括無模型7 / 43控制算法的所有功能,對(duì)大時(shí)滯、強(qiáng)干擾、強(qiáng)耦合、時(shí)變、非線性都有很好的控制效果。1.2.4 無模型自適應(yīng)控制（ MFAC）的基本原理考慮對(duì)于任意一步時(shí)滯的離散時(shí)間動(dòng)態(tài)系統(tǒng)S，設(shè)和)(),1(kyku是系統(tǒng)在相鄰時(shí)刻的兩組觀察數(shù)據(jù)，并假定,則必存)1(),(k

25、yku)() 1(kuku在S,使得下式成立： （1）)1()()()() 1(kukukkyky式（1）稱為系統(tǒng)S的泛模型，稱為泛模型的特征參量。在（1）式中，)(k形式上是一個(gè)動(dòng)態(tài)線性系統(tǒng)。然而，任何系統(tǒng)本質(zhì)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(dòng)態(tài)線性化（1）式的替代在合理的圍，就必須對(duì)控制的輸入的變化量加以限制（一般)(ku假設(shè)，,其中b的大小根據(jù)系統(tǒng)的非線性的強(qiáng)弱來具體確定。系統(tǒng)的非線bku)(性越強(qiáng)，b的值越小；反之越大） 。否則，的變化量較大，這種代替將不再)(ku合理。 注1：控制率算法的作用有兩個(gè)：其一它限制了輸入量的變化，從而

26、使得泛模型代替非線性系統(tǒng)比較合理；其二避免了控制律中的分母可能出現(xiàn)為零的奇異情況。這是一個(gè)很重要的參數(shù)，仿真結(jié)果表明它可以改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。從控制律中可以看出，在K時(shí)刻唯一不知道的參數(shù)是特征參量；對(duì)于時(shí))(k變參數(shù)估計(jì)方法有很多。下面我們根據(jù)控制律給出基于對(duì)稱相似性理論的)(k參數(shù)估計(jì)方法。注2：從控制律和特征參量的估計(jì)算法來看他們的結(jié)構(gòu)具有相似性。 （1）式8 / 43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(xué)模型的限制，僅僅用系統(tǒng)的IO數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)控制律。實(shí)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(yīng)，真正意義上實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)自適應(yīng)。不但如此，控制律還具有遞推形式使得

27、他具有學(xué)習(xí)能力，不在需要系統(tǒng)具有持續(xù)的激勵(lì)。解決了傳統(tǒng)自適應(yīng)控制中的辨識(shí)與控制兩者之間的矛盾。相對(duì)于傳統(tǒng)的PID控制和先進(jìn)控制算法，MFAC具有以下優(yōu)點(diǎn)：1） 無需過程精確定量知識(shí)；2） 不需要針對(duì)某一過程進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)；3） 控制律結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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)?？偟膩碚f，MFAC算法就是由泛模型（1）式的估計(jì)算法和控制算法在線交互進(jìn)行、而組成的。當(dāng)經(jīng)過估計(jì)值以后，即可以用控制律把系統(tǒng)進(jìn)行反饋控制，控制的結(jié)果將進(jìn)行一組新的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在已有的數(shù)據(jù)中添加這一組新的數(shù)據(jù)，用特征參量進(jìn)行估計(jì)。如此下去，就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制。1.2.5 無模型控制律的設(shè)計(jì)途徑無模型

28、控制方法的核心是無模型控制律,它的設(shè)計(jì)途徑由以下兩部分構(gòu)成:用建模與控制一體化途徑設(shè)計(jì)無模型控制律的基本形式 依據(jù)建模與自適應(yīng)控制的一體化途徑，可得到模型未知系統(tǒng)S的建模與反饋?？刂埔惑w化途徑的框架如下:(1)依據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)和泛模型)1()()()() 1(kukukkyky利用適當(dāng)?shù)墓乐捣椒ǖ玫降墓乐?)(k)(k(2)尋求的向前一步的預(yù)報(bào)值 ,一個(gè)簡(jiǎn)單的方法就是取 1)(k2)(k9 / 43=在尋求控制律時(shí) ，依據(jù)泛模型導(dǎo)出控制律，我們把它記成， 1)(k2)(k)|(|/()()() 1()(201kakyykkukuk（3）把控制律作用于系統(tǒng)得到新的輸出，于是得到了一組新的數(shù)據(jù) ,。)

29、(),2(kuky在這組新數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上重復(fù) （1） ， （2） ， （3） 。即可又得出新的數(shù)據(jù) ,如此繼續(xù)下去。可以證明 ，只要系統(tǒng)S滿足一定的條件，在)1(),2(kuky這種手續(xù)的作用下系統(tǒng)S的輸出將逐漸地逼近。)(kyy把控制律稍加改寫就可得出無模型控制律的基本形式： （3）)|(|/()()() 1()(201kakyykkukuk在控制律（3）中，控制參數(shù) a是一個(gè)小正常數(shù) 。它的存在避免了分母為0 ,是特征參量的估值，A而且是非負(fù)的參數(shù)。1)(k)(k用功能組合途徑設(shè)計(jì)出無模型控制律的一般形式 無模型控制律的一般形式是：= +1k +nk1kY,mkkU1,) / )(ku) 1

30、( ku1)(k)(0kyy (Dk) 2|)(|ka其中部分是一個(gè)適當(dāng)?shù)暮瘮?shù),它表示控制律的功能組合,而(.)Dnk1kY = )(,.,1(nkykymkkU1 = ; )(),.,1(mkuku10 / 43其中,A 和 是無模型控制器的組態(tài)參數(shù)。構(gòu)成途徑是：（1）以被控對(duì)象對(duì)控制方法的功能要求為導(dǎo)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。（2）把可能用算法表示的原功能用算法表示，實(shí)踐證明，絕大多數(shù)的功能元 ,都能用算法表示，例如離散時(shí)間。調(diào)節(jié)器的遞推形式就包含了三個(gè)功能元。（3）所有功能單元構(gòu)成的集合記作 E，并稱其為功能空間。),(11kUYD

31、mkknkk就是定義在上 E 的適當(dāng)?shù)暮瘮?shù),是該函數(shù)所含的參數(shù)向量。 從理論上可以證明無模型控制律的基本形式在滿足不太苛刻的條件下具有很好的收斂性質(zhì)。由基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(shè)計(jì)出了四類無模型控制方法,這四類無模型控制方法基本上覆蓋了過程控制現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的各種難控現(xiàn)象，使得相應(yīng)的問題迎刃而解,它們是、大時(shí)滯、強(qiáng)干擾系統(tǒng)的無模型控制方法、強(qiáng)耦合系統(tǒng)的無模型控制方法高階非線性大時(shí)滯系統(tǒng)的無模型控制方法、時(shí)變系統(tǒng)強(qiáng)制穩(wěn)定的無模型控制方法。11 / 43第 2 章 污水處理工藝流程2.1 序批式活性污泥法（SBR）工藝簡(jiǎn)介2.1.1 SBR 國外發(fā)展與應(yīng)用

32、概況1.序批式活性污泥法（SBR）工藝的發(fā)展序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor,縮寫為SBR）以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，近年來在世界各地得到發(fā)展。人們對(duì)它的研究逐漸增多，在20世紀(jì)80年代，國外對(duì)其研究進(jìn)入了工業(yè)化生產(chǎn)階段。20世紀(jì)80年代末我國的一些科研單位與大專院校也對(duì)其展開了研究，并在實(shí)際工程中開始應(yīng)用。最初的活性污泥工藝采用間歇式，稱之為Fill-and-draw（充排式）系統(tǒng)。1893年Wardle處理生活污水所采用的就是這種充排式工藝。1914年，Arden和Lackett首次提出活性污泥法這一概念時(shí)，采用的也是這種系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)，他們使用容積為2L、3L的燒瓶進(jìn)

33、行試驗(yàn)研究，將原本與微生物絮體混合，然后進(jìn)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(yùn)行方式，并且證明可以達(dá)到很好的處理效果。隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)SBR的生化動(dòng)力學(xué)與其在工藝上的優(yōu)越性有了更深的了解。20實(shí)際50年代初，美國Hoover與其同事對(duì)SBR法處理制酪工業(yè)廢水進(jìn)行了探索。20世紀(jì)70年代，美國印第安納州大學(xué)的Irvine教授對(duì)SBR和連續(xù)流活性污泥處理工藝作了系統(tǒng)的比較研究后，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(duì)SBR法的研究和應(yīng)用工作，使SBR法在世界圍得到了越來越深12

34、 / 43入的研究和越來越廣泛的應(yīng)用。2.我國SBR工藝的發(fā)展我國于20世紀(jì)80年代中期開始對(duì)SBR進(jìn)行系統(tǒng)研究與應(yīng)用。1985年虞壽樞等為市吳淞肉聯(lián)廠設(shè)計(jì)并投產(chǎn)了我國第一座SBR廢水處理設(shè)施；永松等人也展開了對(duì)SBR特性的研究；在SBR的控制技術(shù)方面，建筑大學(xué)的永臻等人對(duì)SBR反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算機(jī)控制參數(shù)進(jìn)行了研究；華北市政工程設(shè)計(jì)研究院在SBR的基礎(chǔ)上開發(fā)出了一種稱為DAT-IAT的新型SBR工藝。隨著SBR在國的廣泛應(yīng)用，國SBR專用設(shè)備的研究也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，開發(fā)出了一系列的設(shè)備。國家環(huán)保總局還把SBR專用設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化和系列化列為“八五”和“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目。目前，SBR工藝在我國工業(yè)

35、廢水處理領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，已經(jīng)建立了SBR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。 、 、 、 、 、 、 、等地已有多座SBR處理設(shè)施投入運(yùn)行?？梢钥闯觯琒BR是一種高效、經(jīng)濟(jì)、管理簡(jiǎn)便，適用于中、小水量污水處理的工藝，具有廣闊的前景。2.2 SBR 的工作原理活性污泥法利用微生物去除有機(jī)物。首先需要微生物將有機(jī)物轉(zhuǎn)化成二氧化碳和水以與微生物菌體，反應(yīng)后需要將微生物保存下來，在適當(dāng)時(shí)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(jìn)行這一過程的，污水首先進(jìn)入反應(yīng)池對(duì)混合液進(jìn)行沉淀，與微生物分離后的上清液外排。而SBR則是通過在時(shí)間上

36、交替實(shí)現(xiàn)這一過程，它在流程上只設(shè)一個(gè)池子，將曝氣池和二沉池的功能集中在該池子上，兼行水質(zhì)水量調(diào)節(jié)、微生物降解有機(jī)物和固液分離等功能。13 / 43在SBR的運(yùn)行中，每個(gè)周期循環(huán)過程即進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排放和待機(jī)都是可進(jìn)行控制的。每個(gè)過程與特定的反應(yīng)條件相聯(lián)系（混合/靜止，好氧/厭氧） ，這些反應(yīng)條件促進(jìn)污水物理和化學(xué)特性有選擇的改變，這些改變使出水得到了完全的處理。2.3 SBR 污水處理工藝SBR 污水處理技術(shù)是一種高效廢水回用的處理技術(shù)，采用優(yōu)勢(shì)菌對(duì)城市生活污水進(jìn)行處理，經(jīng)過處理后的中水可以用來澆灌綠地、花木、沖洗廁所與車輛等，從而達(dá)到節(jié)約水資源的目的。SBR 污水處理系統(tǒng)方案力求達(dá)到設(shè)備

37、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(duì)菌群代產(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(jié)構(gòu)處理池以降低溫度對(duì)處理效果的影響。同時(shí)，SBR 廢水處理技術(shù)工藝參數(shù)變化大，硬件設(shè)計(jì)選型與設(shè)備調(diào)試比較復(fù)雜，采用先進(jìn)的無模型控制技術(shù)可以提高 SBR 污水處理的效率，方便操作和使用。SBR 污水處理系統(tǒng)分別由污水處理池、清水池、中水水箱、電控箱以與水泵、羅茨風(fēng)機(jī)、電動(dòng)閥門和電磁閥等部分組成，在污水處理池、清水池、中水水箱中分別設(shè)置液位開關(guān)，用以檢測(cè)水池與水箱中的水位。污水處理的第一階段：當(dāng)污水池中的水位處于低水位或無水狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)閥會(huì)自動(dòng)開起納入污水。當(dāng)污水池納入的污水至正常

38、高水位時(shí)，電動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)閉，污水池中污水呈微氧和厭氧狀態(tài)。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 pH 值并對(duì)污染物進(jìn)行高效除污，即好氧處理過程。整個(gè)好氧14 / 43（曝氣）時(shí)間一般需要 68h。在曝氣管路上安裝了排空電磁閥，當(dāng)電動(dòng)閥門自動(dòng)關(guān)閉后，排空電磁閥開起，羅茨風(fēng)機(jī)延時(shí)空載起動(dòng)，然后排空電磁閥延時(shí)關(guān)閉。曝氣風(fēng)機(jī)在無負(fù)荷條件下起動(dòng)和停止，能起到保護(hù)電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)的作用。經(jīng)過0.5h 的水質(zhì)沉淀，下達(dá)起動(dòng) 1#清水泵指令，將沉淀后的水泵入到清水池。當(dāng)清水池中的水位升至正常高水位時(shí)，1#清水泵自動(dòng)停止運(yùn)行。這時(shí) 2#清水泵自動(dòng)起動(dòng)向中水箱泵水，當(dāng)水箱中

39、達(dá)到正常高水位時(shí)，2#清水泵自動(dòng)停止運(yùn)行，這時(shí)中水箱的水全部完成處理過程。如上所示，當(dāng)中水箱水位降至低水位時(shí)，2#清水泵又自動(dòng)起動(dòng)向中水箱泵水。當(dāng)污水池中的水位降至低水位時(shí)，電動(dòng)閥門會(huì)自動(dòng)打開繼續(xù)向污水池納入污水。如此循環(huán)往復(fù)。 圖 2.1 污水處理系統(tǒng)示意圖15 / 43SBR 污水處理技術(shù)針對(duì)污水水質(zhì)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(yīng)有參數(shù)可修正功能，以滿足污水處理的要求。16 / 43第 3 章 污水處理電氣控制部分3.1 污水處理電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 （1）控制裝置選用無模型控制器作為系統(tǒng)的控制核心。 （2）可執(zhí)行手動(dòng)自動(dòng)兩種方式，應(yīng)能按照工藝要求編輯程序并可實(shí)時(shí)整

40、定參數(shù)。（3）為了設(shè)備安全運(yùn)行，考慮必要的保護(hù)措施，如電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)、控制系統(tǒng)短路保護(hù)等。3.2 控制系統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)備SBR 污水處理系統(tǒng)中所使用的動(dòng)力設(shè)備（水泵、羅茨風(fēng)機(jī)、電動(dòng)閥） ，均采用三相交流異步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)和電磁閥（AC220V 選配）選配防水防潮型。1#清水泵：立式離心泵 LS50-10-A，揚(yáng)程 10m，流量 29，1kW。hm32#清水泵：立式離心泵 LS40-32.1，揚(yáng)程 30m，流量 16，3kW。hm3曝氣羅茨風(fēng)機(jī)：TSA-40，0.7/min，1.1kW。3m電動(dòng)閥：閥體 D97A1X5-10ZB-125mm，電動(dòng)裝置 LQ20-1，AC380V，60W。3.3 污水

41、處理電氣控制總體方案說明（1）SBR 污水處理系統(tǒng)控制對(duì)象電動(dòng)機(jī)均由交流接觸器完成起、停控制，電動(dòng)閥電動(dòng)機(jī)要采用正、反轉(zhuǎn)控制。（2）污水池、清水池、中水水箱水位檢測(cè)開關(guān)，在選型時(shí)考慮抗干擾性能，選用電極考慮耐腐蝕性。（3）電動(dòng)閥上驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，其部設(shè)有過載保護(hù)開關(guān)，為常閉觸點(diǎn)，作為電17 / 43動(dòng)閥過載保護(hù)信號(hào)，無模型控制器控制電路考慮該信號(hào)邏輯關(guān)系。（4）1#清水泵、2#清水泵、羅茨風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)閥電動(dòng)機(jī)分別采用熱繼電器實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，其熱繼電器的常開觸點(diǎn)通過中間繼電器轉(zhuǎn)換后，作為無模型控制器的輸入信號(hào)，用以完成各個(gè)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的過載保護(hù)。（5）羅茨風(fēng)機(jī)的控制要求在無負(fù)載條件下起動(dòng)或停機(jī)，需要

42、在曝氣管路上設(shè)置排空電磁閥。（6）主電路用斷路器，各負(fù)載回路和控制回路以與無模型控制器控制回路采用熔斷器，實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。 （7）電控箱設(shè)置在控制室。控制面板與電控箱的電器板用 BVR 型銅導(dǎo)線連接，電控箱與執(zhí)行裝置之間采用端子板連接。3.4 污水處理電氣控制原理圖設(shè)計(jì)1.主電路設(shè)計(jì)SBR污水處理電氣控制系統(tǒng)主電路如圖3.1所示。主回路流接觸器 KM1、KM2、KM3 分別控制 1#清水泵 M1、2#清水泵 M2、曝氣風(fēng)機(jī) M3；交流接觸器 KM4、KM5 控制電動(dòng)閥電動(dòng)機(jī) M4，通過正、反轉(zhuǎn)完成開起閥門和關(guān)閉閥門的功能。電動(dòng)機(jī) M1、M2、M3、M4 由熱繼電器 FR1、FR2、FR3、FR4

43、 實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。電動(dòng)閥電動(dòng)機(jī) M4 控制器還裝有常閉熱保護(hù)開關(guān)，對(duì)閥門電動(dòng)機(jī) M4 實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)。QF 為電源總開關(guān)，既可以完成主電路的短路保護(hù)，又起到分段三相交流電源的作用，使用和維修方便。熔斷器 FU1、FU2、FU3、FU4 分別實(shí)現(xiàn)各負(fù)載回路的短路保護(hù)。FU5、FU618 / 43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(hù)。圖3.1 污水處理電氣控制系統(tǒng)主電路圖2.交流控制電路設(shè)計(jì)污水處理系統(tǒng)交流控制電路如圖3.2所示?？刂齐娐酚须娫粗甘?HL1。無模型控制器供電回路采用隔離變壓器 TC，以防止電源干擾。隔離變壓器 TC 的選用根據(jù)無模型控制器耗電量配置，可以配置標(biāo)準(zhǔn)型、電壓

44、比 1：1、容量 100VA 隔離變壓器。1#清水泵 M1、2#清水泵 M2、曝氣風(fēng)機(jī) M3 分別有運(yùn)行指示燈HL2、HL3、HL4，由 KM1、KM2、KM3 接觸器常開輔助觸點(diǎn)控制。閥門電動(dòng)機(jī)風(fēng)機(jī)2 泵 （清水）（污水）1 泵 KM5M4 M3 M2 M1 L6L5NNFU5FU6TSRQFFR4FR3FR2FR1FU43KM4FU33KM3FU23KM2KM1FU1319 / 43圖3.2 污水處理系統(tǒng)交流控制電路圖4 臺(tái)電動(dòng)機(jī) M1、M2、M3、M4 的過載保護(hù)分別由 4 個(gè)熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4 實(shí)現(xiàn)，將其常閉觸點(diǎn)并聯(lián)后與中間繼電器 KA1 連接構(gòu)成過載保護(hù)信號(hào)，KA

45、1 還起到電壓轉(zhuǎn)換的作用，將 220V 交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流 24V 信號(hào)送入無模型控制器完成過載保護(hù)控制功能。上水電磁閥 YA1 和指示燈 HL5、排空電磁閥 YA2 分別由中間繼電器 KA2 和KA3 觸點(diǎn)控制。3.主要參數(shù)計(jì)算斷路器 QF 脫扣電流。斷路器為供電系統(tǒng)電源開關(guān)，其主回路控制對(duì)象為電感性負(fù)載交流電動(dòng)機(jī)，表示采用第三種接地方式注：電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)排空電磁閥上水閥指示上水電磁閥羅茨風(fēng)機(jī)2 泵提示（清水）電源指示隔離變壓器1:1220220+241432123-152-212-143-132-121-1151 泵提示（污水）20 / 43斷路器過電流脫扣值按電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的 1.7 倍

46、整定。SBR 污水處理系統(tǒng)有 3kW負(fù)載電動(dòng)機(jī)一臺(tái)，起動(dòng)電流較大，其余三臺(tái)為 1.1kW 以下，起動(dòng)電流較小，而且工藝要求 4 臺(tái)電動(dòng)機(jī)單獨(dú)起動(dòng)運(yùn)行，因此可根據(jù) 3kW 電動(dòng)機(jī)選擇自動(dòng)開關(guān) QF 脫扣電流：QFI，選用=10A 的斷路器。AAAIINQF102 .1067 . 17 . 1QFI熔斷器 FU 熔體額定電流。 FUI以曝氣風(fēng)機(jī)為例， ，選用 5A 的熔體。其余熔體額AAIINFU55 . 222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 2A。3.5 SBR 污水處理系統(tǒng)電氣工藝設(shè)計(jì)（1）先根據(jù)控制系統(tǒng)要求和電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)，確定電器元器件的總體布局以與電控箱裝配板與控

47、制面板上應(yīng)安裝的電器元器件。本系統(tǒng)除電控箱外，在污水處理設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)安裝的電器元器件和動(dòng)力設(shè)備有：電磁閥、水位開關(guān)、電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)閥（含閥位控制器）等。電控箱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(shè)計(jì)安裝的電器元件有：控制按鈕、開關(guān)、各色指示燈等。（2）依據(jù)用戶要求滿足操作方便、美觀大方、布局均勻?qū)ΨQ等設(shè)計(jì)原則，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。21 / 43圖 3.3 電控箱電器板元器件布置圖圖 3.4 電控箱電器面板元器件布置圖HL1HL13HL14HL16HL4HL11HL9HL7HL

48、5HL12HL10HL8SC6HL3HL2SC1SC5SC4SC3SC2SB1SB2線槽線槽線槽線槽線槽JDO-端子板FR4FR3FR2KM5KM4KM3KM2FR1KM1IRPLCOUTTCKA3KA2KA1FU6FU5FU4FU3FU2FU1QF22 / 43第 4 章 PH 值的無模型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 PH 值的無模型自適應(yīng)控制方案由于 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(jiǎn)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(yīng)控制技術(shù) MFA （Model Free Adaptive） 。根據(jù)pH值處理過程的

49、時(shí)變和非線性特性, 將基于緊格式線性化的單入單出非線性離散時(shí)間系統(tǒng)的無模型學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制方法應(yīng)用在帶有時(shí)滯的pH 值中和反應(yīng)過程中。控制器的設(shè)計(jì)是無模型的, 是直接基于稱為偽偏導(dǎo)數(shù)的向量, 此偽偏導(dǎo)數(shù)是通過一種新型參數(shù)估計(jì)算法, 根據(jù)酸堿中和反應(yīng)系統(tǒng)的輸入輸出信息在線導(dǎo)出的。此無模型控制方法非常適用于實(shí)際的模型參數(shù)難以辨識(shí), 且是時(shí)變的非線性系統(tǒng)。仿真控制驗(yàn)證了該方法對(duì)不確知?jiǎng)討B(tài)的非線性pH 值的控制具有魯棒性強(qiáng)、響應(yīng)速度快和控制精度高的優(yōu)點(diǎn),性能好于傳統(tǒng)的PID 控制。4.1.1 無模型自適應(yīng)控制技術(shù)簡(jiǎn)述無模型學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制(MFLAC)在19931994 被提出,其基本思想是利用一個(gè)新引入

50、的偽梯度向量的概念, 用一系列的動(dòng)態(tài)線性時(shí)變模型, 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), 并僅用受控系統(tǒng)的I/O 數(shù)據(jù)來在線估計(jì)系統(tǒng)的偽梯度向量, 從而實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)的無模型學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制。目前已成功應(yīng)用于煉油、化工、電力、輕工等領(lǐng)域10與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(yīng)控制無需受控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型, 在線估計(jì)參數(shù)23 / 43少、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn), 所以對(duì)控制理論在實(shí)際中的應(yīng)用具有重要的意義。而傳統(tǒng)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)需要辨識(shí)受控系統(tǒng)的模型參數(shù)或者是辨識(shí)受控系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)等辨識(shí)環(huán)節(jié)。MFA 控制是自動(dòng)控制領(lǐng)域中一種全新的理論和技術(shù)，它為解決工業(yè)過程中的復(fù)

51、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(shù)是與 PID 和自整定 PID、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)控制等流行方式是完全不同的。MFA 技術(shù)不同與傳統(tǒng)控制技術(shù)的方面可歸納為： （1）所有過程的信息都已包含在輸入輸出的信號(hào)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； （2）通過無事先訓(xùn)練的快速強(qiáng)制學(xué)習(xí)等方式，使 MFA 控制器能夠準(zhǔn)確把握過程對(duì)象當(dāng)前的特征，產(chǎn)生更合理的對(duì)策，從而獲得理想的調(diào)節(jié)控制結(jié)果。 MFA 控制技術(shù)主要的應(yīng)用圍：采用傳統(tǒng)控制手段難以控制的非線形、 大滯后、 強(qiáng)耦合和時(shí)變系統(tǒng)。MFA 控制技術(shù)對(duì)于 pH 加大滯后過程有其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

52、（1）僅需大致估計(jì)曲線的折點(diǎn)和滯后時(shí)間，輸入陡峭段和平穩(wěn)段的 Kc， MFA 就可以進(jìn)行有效地控制（2）有效控制流入速率和 PH 值的變化（3）自適應(yīng)并補(bǔ)償大的增益改變?cè)谝话愕膽?yīng)用場(chǎng)合使用 MFA（PH）模塊控制器，利用其默認(rèn)值就可以得到比較穩(wěn)定的投運(yùn)效果。簡(jiǎn)單的 pH 模塊可以抵抗的滯后過程，當(dāng)時(shí)2T2T24 / 43可將 MFA 的 Time-Varying 模塊設(shè)為 Enable，然后估計(jì)出最大和最小的滯后時(shí)間，填入模塊參數(shù)表就可以得到滿意的控制效果。4.2 無模型學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制的設(shè)計(jì)被控系統(tǒng)可以通過下列單入單出非線性離散時(shí)間方程來描述:（1）)(),.1(),(),(),.1(),()

53、 1(nukukukunykykykyfky , 分別表示系統(tǒng)k 時(shí)刻的輸入與輸出, 分別表示系統(tǒng)未知的階)(ky)(kunynu數(shù), 是未知的非線性函數(shù)。(.)f4.2.1 單入單出非線性系統(tǒng)的緊格式線性化緊格式線性化是在以下三個(gè)假設(shè)條件下完成的。假設(shè)1 系統(tǒng)(1) 式對(duì)某一系統(tǒng)有界的期望輸出信號(hào) ,存在一有界的可行) 1( ky控制輸入信號(hào), 在此控制輸入信號(hào)的作用下, 系統(tǒng)輸出等于期望輸出。此假設(shè)是對(duì)受控系統(tǒng)的基本假設(shè)。假設(shè)2 關(guān)于系統(tǒng)當(dāng)前的控制輸入信號(hào)的偏導(dǎo)數(shù)是連續(xù)的, 它包括了一(.)f)(ku大類非線性系統(tǒng)。假設(shè)3 系統(tǒng)( 1) 式滿足對(duì)任意的k 和有:0)(ku)(| ) 1(|

54、kubky其中 , b 是常數(shù)。此假設(shè)是對(duì)系) 1()()(),() 1() 1(kukukukykyky統(tǒng)輸出變化量的限制。定理1 對(duì)非線性系統(tǒng)(1) 式, 如果滿足假設(shè)條件13,那么當(dāng)時(shí), 0)(ku25 / 43一定存在一個(gè)稱為是偽偏導(dǎo)數(shù)( Pseudo-Partial- Derivative, PPD) 的向量, 使得: (2)()() 1(kukky并且|，其中b 是一個(gè)常數(shù)。bk | )(|定理1 的證明, 其中的偽偏導(dǎo)數(shù)是一個(gè)時(shí)變參數(shù),如果采樣周與的值)(ku均很小時(shí), PPD 可以看成是一個(gè)慢時(shí)變參數(shù)。且與的關(guān)系可以忽略, 因此)(ku理論上是能夠設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的。同時(shí)它的

55、結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單, 它將一個(gè)復(fù)雜的SISO 非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成一個(gè)帶有單參數(shù)的線性時(shí)變系統(tǒng)。4.2.2 基于緊格式線性化的無模型學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制控制率算法為保證表示一般非線性系統(tǒng)的(1) 式由動(dòng)態(tài)線性化(2) 式合理替代, 必須限制控制輸入的變化量, 除在算法中要保證以外, 由于自適應(yīng)控制)(ku0)(ku系統(tǒng)是在動(dòng)態(tài)閉環(huán)方式下工作, 還必須在控制率算法中加入可調(diào)參數(shù), 用以限制的變化, 使其變化不能太大。)(ku考慮如下控制輸入準(zhǔn)則函數(shù): (3)22| ) 1()(| ) 1() 1(*|)(kukukykykuJ此準(zhǔn)則函數(shù)中引入的目的, 是使控制輸入量的變化受到限2| ) 1()(|kuku制,

56、且能克服穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差。其中是權(quán)重系數(shù)。將( 2)式帶入( 3) 式, 對(duì)求導(dǎo), 并令其等于零, 得:)(ku (4)( )() 1(*)() 1()(2kkykykkukuk26 / 43其中是步長(zhǎng)序列。k在(4)式中的作用是限制了的變化, 保證了(2)式對(duì)(1)式的合理替)(ku代圍, 因此可以間接限制偽偏導(dǎo)數(shù)值的變化。同時(shí)可以避免控制率算法( 4) 式中分母可能為零的情況。是一個(gè)非常重要的參數(shù), 后面的仿真結(jié)果表明它可以改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。從(4) 式可知, 此類控制率與受控系統(tǒng)參數(shù)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)階數(shù)無關(guān), 僅用系統(tǒng)I/O 數(shù)據(jù)設(shè)計(jì), 這正是無模型自適應(yīng)控制的優(yōu)勢(shì)所在。4.2.3 基于

57、緊格式線性化的無模型學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)算法實(shí)踐證明用傳統(tǒng)的參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)則函數(shù)推導(dǎo)出的參數(shù)估計(jì)算法在估計(jì)參數(shù)時(shí), 估計(jì)值常常變化太快, 或者對(duì)某些突變的采樣數(shù)據(jù)過于敏感, 而對(duì)自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的非線性系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)算法必須滿足在線控制的快速性要求。且線性化圍不能太大。新的估計(jì)準(zhǔn)則函數(shù)如下:（5）) 1()()1()() 1()()(220kkkukkykykJ其中表示系統(tǒng)的真實(shí)輸出, 是關(guān)于參數(shù)估計(jì)變化量的懲罰因子, 通過它)(0ky的適當(dāng)選取, 可以限制非線性系統(tǒng)進(jìn)行線性替代的圍。準(zhǔn)則函數(shù)( 5) 式中由于項(xiàng)的引入, 懲罰了參數(shù)的變化, 且由于(5)式中僅考慮了第2)1()(kkk個(gè)采樣

58、時(shí)刻, 故由準(zhǔn)則函數(shù)推導(dǎo)來的參數(shù)估計(jì)算法應(yīng)具有對(duì)時(shí)變參數(shù)的跟蹤能力。通過極小化推導(dǎo)過程9, 得到如下偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)算法: （6）) 1()1() 1()()(1() 1()(2kukukkykukkk27 / 43，若或 （7）) 1 ()(k)(k) 1(ku(7)式是為了使定理4.1 的條件得到滿足,同時(shí)也為了使參數(shù)估計(jì)算法具有更強(qiáng)的時(shí)變參數(shù)跟蹤能力。在(4) 、（6) 、(7) 式中,，,( 0, 2) ,是權(quán)kk,重因子,是充分小的正數(shù),是的初值。) 1 ()(k由于上述控制方案比傳統(tǒng)的自適應(yīng)控制方案在線調(diào)整參數(shù)少, 計(jì)算量小, 系統(tǒng)偽偏導(dǎo)數(shù)是唯一在線調(diào)整的參數(shù), 因此能適應(yīng)系統(tǒng)快速性要

59、求, 且易于實(shí)現(xiàn)。4.3 PH 值控制中的仿真研究與性能分析pH 值是酸堿中和反應(yīng)中對(duì)溶液酸堿度的定義,中和反應(yīng)過程是將酸溶液、堿溶液和緩沖劑混合在一個(gè)固定體積的容器中，系統(tǒng)的輸入是堿的流速、緩沖)(tu劑流速和酸的流速)(tF,系統(tǒng)的輸出是排出溶液的pH 值。假設(shè)酸的流速)(t)(ty和容器的體積V是固定不變的, 通常最終目的是通過控制堿的流速來控制排)(tF出溶液的pH 值。不可測(cè)得的緩沖劑流速可以作為系統(tǒng)的干擾來處理。)(tpH 較低或較高時(shí), 變化非常緩慢, 而在接近中性時(shí), 即pH 在7 左右時(shí), 添加的中和劑稍有變化, 就能引起pH值較大幅度的變化。又由于反應(yīng)過程一般在大容器中進(jìn)行

60、, 從中和劑加入到pH 值變化需要時(shí)間較長(zhǎng), 這一嚴(yán)重的非線性與時(shí)滯特性給pH 值控制帶來極大的困難, 不僅難以控制準(zhǔn)確, 而且還浪費(fèi)大量中和劑。本文通過基于緊格式線性化的無模型學(xué)習(xí)自適應(yīng)控(MFLAC) 方法在pH 值控制中的應(yīng)用研究, 分析當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí), 系統(tǒng)的輸出對(duì)給定期望值的跟蹤情況, 證明此控制方法在酸堿中和反應(yīng)過程中應(yīng)用的魯棒性、快速性等。28 / 434.3.1 PH 值控制系統(tǒng)模型實(shí)際生產(chǎn)過程中的中和反應(yīng)過程是非常復(fù)雜的, 這里考慮的被控對(duì)象選用通用化非線性動(dòng)態(tài)模型如下： （8）)()()()()()(111tybtutyatFtdtVd （9）wtytyKty)()(11