广义预测控制在污水处理系统中的研究与应用 74页

ＴＰ２巧離值ｆｔ碼１００５８；分樊聲，：．‘，離—書－；—＾ｉＢｉｍｍＥｎｍｍｎ１＾ｐ．Ｈ■ｌｆＷＩｉｉ；：Ｍ＾Ｗ／謹ｌｉ！＇＇＾－－－：ｆｃ／ｖ：：．．’”；一．解－＇－弓－，１．鄉ｊ柳＂＂１：－巧巧■；Ｖ：覃Ｊ．凑Ｓ；毒Ｊ：＾ｊ宴｜弓■’．．亥：Ｍ圈广义预测控制在污水处理系统中的、：＂———＇—－＂＾＂＂＝。－—：，—ｒ：＾车－一主是－＊－放产遠＝苗一？一４一．＿－＇＇Ｈ－究与应＾／爹？變相马＇ｗ－工程ｒ變ＭＭ：控制科学与：郭家军．巧着姓名：．；’ｒ指辱教师；：：黄埼兰＼山；ｈ；；；；，；ｊ－－－完成曰麵：２０１７０１１４；＂八＇’＂＇－－呈：；５：Ｖ：：：占毫畫！玄？．：；■＾：：Ｖ：Ｔｒ論：；气：；．．薄，＇韩鷄麗\n独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研巧工作和取得的研究成果，除了文中特别加（＾＾示注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料一。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。’学位论文作者签名；郭《军签字日期：例节２巧《曰学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津工业大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津工业大学可将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行，并采用影印、、汇编Ｗ供查阅和借阅检索缩印或扫巧等复制手段保存。同意学校向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：：签字曰期年２月２Ｓ曰签字曰期：２〇ｒ年２月２《曰ｉ\n学位论文的主要创新点本文主要创新点如下：一Ｈ中和阶段的化学反应机理Ｈ、通过分析污水处理过程中ｐ及ｐ值控制的非线性、大滞后的特性，推导搭建出关于污水处理阶段ｐＨ值控制的数学模型。二、根据广义预测控制的基本理论，在ｐＨ值控制数学模型的基础上，设计将广义预测控制算法嵌入到控制系统回路中并使用，ＭＡＴＬＡＢ对算法进行处理，提高ｐＨ值控制系统的调节速度和精度。－ＷＳ、结合ＳＩＭＡＴＩＣＳ７３００控制器与组态软件ｉｎＣＣ的特点采用ＤＤＥ通讯技术，实现上位机监控软件ＷｉｎＣＣ服务器与ＭＡＴＬＡＢ客户端的数据交换。最终将广义预测控制算法应用于污水处理的控制系统中。\n摘要近些年来一，水污染己经严重制约了我国经济的可持续发展和些地区人民的正常生产生活，因此大为发展污水处理事业迫在眉睫。科技的进步Ｗ及我国在水处理技术方面的迅速成长，也不断提升了对污水处理过程中的智能化水平的要求，因此使用最新的自动化工业控制技术和智能化仪器设备对整个污水处理过程进行监控势在必行。论文Ｗ天津市大港某污水处理厂过程控制系统的设计开发过程为背景，首、先，详细介绍污水处理过程的工艺流程及核屯环节的处理特点，确定整体控制系统构架及网络结构，完成硬件的设计，。然后完成ＰＬＣ控制程序的编写和上位机ＷｉｎＣＣ监控画面的组态开发，完成整个污水处理工艺的自动化控制系统设计。针对污水处理中的重要环节，ｐＨ中和滴定过程的控制难点进行算法研充，由于Ｈ中和阶段的高度非线性和不确定性，基于经典控制理论的传统ＰＩＤ控制ｐ方法，难Ｗ取得满意的控制效果。通过分析ｐＨ中和过程的化学反应机理结合广义预测控制算法的结构特点，建立对象的控制模型，推导出基于西口子ＰＬＣ控制系统的ｐＨ中和广义预测控制器，并给出实现过程。仿真结果表明，采用广义预测控制对ｐＨ值的控制效果优于传统ＰＩＤ，实际现场应用也证明该方法的有效性。关键词：污水处理；ｐＨ中和；化Ｃ控制系统；组态；广义预测控制江业现场总线\nＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｒｅｃｅｎｔｅａｒｓｗａｔｅｒｏｌｌｕｔｉｏ打ｈａｓｓｅｒｉｏｕｓｌｉ：ｅｓｔｒｉｃ１：ｅｄｔｈｅｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｙ，ｐｙｄ＇＇ｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＣｈｉｎａｓｅｃｏｎｏｍｙａｎｄｔｈｅｐｅｏｐｌｅｓｎｏｒｍａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｌｉｆｅｉｎｓｏｍｅａｒｅａｓＴｈｅｒｅｆｏｒｅｉＵｓｅ地ｅｍｅｌｕｒｅ打ｔｔｏｄｅｖｅｌｏｐ化ｅｓｅｗａｅｔｒｅａｔｍｅ打ｔｉｎｄｕｓｔｒ．Ｗ化．，ｙｇｇｙ化ｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔ；ｅｃｈＢ〇ｌｏｇｙａｎｄ化ｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｔ；ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＣＯ打ｓｔａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆｉｎｔｅｌｌｉｅ打ｃｅｉｎｔｈｅｒｏｃｅｓｓｏｆｇｐｓｅｗａｅｔｒｅａｔｍｅ打ｔｒｅｕｉｒｅｍｅｎｔｓｓｏｔｈｅｕｓｅｏｆｔｈｅｌａｔｅｓｔｉ打ｄｕｓｔｒｉａｌｕｔｏｍａｔｉｏ打ｃｏｎｔｒｏｌｇｑ，ａ化ｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｉ打ｔｅＵｉｇｅ打ｔｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｆｏｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｉｘｏｉｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆ化ｅｓｅｗａｇｅｉｓｖｅｒｙｎｅｃｅｓｓａｒ．ｙＩｎｔｈｉｓａｐｅｒ，ｔａｋｉｎ呂ｔｈｅｄｅｓｉｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓＣＯ打ｔｒｏｌｓｙｓｔ：ｅｍｏｆａｐｇｓｅｗａｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｉｎＤａａｎ呂ＤｉｓｔｒｉｃｔｏｆＴｉａｎｉ打ａｓｔｈｅｂａｃｋｒｏｕｎｄ．Ｆｉｒｓｔｏｆａｌｌｔｈｅｇｇｊｇ，ｐａｅｒｉ打ｔｒｏｄｕｃｅｓ化ｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｅｗａｇｅＩｒｅａｔｍｅ打ｔｐｒｏｃｅｓｓａｎｄ化ｅｋｅｙｌｉｎｋｏｆ化ｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓＤｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｃｏｎｔｒｏｌａｒｃｈｉ１；ｅｃｔｕｒｅｔｏｂｕｉｌｄＰＬＣｐｇ，ｃｏｎｔｒｏｌｎｅｔｗｏｒｋｃｏｍｌｅｔｅｔｈｅｄｅｓｉｎｏｆｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅ．ＴｈｅｎｗｒｉｔｅｄｏｗｎｔｈｅＰＬＣ，ｐｇ，ｃｏｎｔｒｏｌｒｏｒａｍｏｆｔｈｅｌｏｗｅｒｃｏｍｕｔｅｒａｎｄｔｈｅＷｉｎＣＣｃｏｎｆｉｕｒａｔｉｏｎｓｃｒｅｅｎｏｆｔｈｅｐｇｐｇｈｏｓｔｃｏｍｕｔｅｒａｎｄｆｉｎａｌｌｃｏｍｌｅｔｅｔｈｅｄｅｓｉ打ｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃＣＯ打ｔｒｏｌｓｓｔｅｍｏｆｔｈｅｐ，ｙｐｇｙｓｅｗａｇｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓ．Ｉ打ｖｉｅｗｏｆｔｈｅｓｅｗａｇｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐＨ打ｅｕｔｒａｌｉｚａｔｉｏ打ｔｉｔｒａｔｉｏ打ｉｓｄｉｆｉｃｕｌｔｔｏｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｒｅｓｅａｒｃｈ．ＤｕｅｔｏｔｈｅｈｉｇｈｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙａｎｄｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙｏｆｐＨａｎｄｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｃｌａｓｓｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｉｙｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ，ｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｃａｎｎｏｔｇｅｔａｏｏｄｃｏｎｔｒｏｌｅｆｆｅｃｔ．ＢａｎａｌｚｉｎｔｈｅｃｈｅｍｉｃａｌｒｅａｃｔｉｏｎｇｙｙｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＨａｎｄｃｏｍｂｉｎｉｎｗｉｔｈｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｐｇｇｒｅｄｉｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌａｌｏｒｉｔｈｍＴｈｅｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｏｂｅｃｔｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄｔｈｅｐｇ．ｊ，ｐＨａｎｄｔｈｅｇｅ打ｅｒａｌｉｚｅｄｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂａｓｅｄｏ打ＳＩＥＭＥＮＳＰＬＣｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｒｅｄｅｒｉｖｅｄ．Ｔｈｅ巧ｓｕｉｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｅｆｅｃｔｏｆｔｈｅＨｖａｌｕｅｉｓｍｏｒｅｅｆｅｃｔｉｖｅｐｔｈａｎｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌ，Ａｎｄｔｈｅｅｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆ化ｅｍｅ化ｏｄｉｓａｌｓｏｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｂｙｒａｃｔｉｃａｌｆｉｅｌｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．ｐＫｅｗｏｒｄ：ＳｅｗａｅｔｒｅａｔｍｅｎｔＰＨｎｅｕｔｒａｌｉｚａｔｉｏｎＰＬＣｃｏｎｔｒｏｌｓｓｔｅｍＣｏｎｆｉｕｒａｔｉｏｎｙｇ，，ｙ．ｇ，Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｒｅ出ｃｔｉｖｅＣＯ打ｔｒｏｌＩｎｄｕｓｔｒｉａｌ巧ｅｌｄｂｕｓ，，ｐ\n目录一第章绪论１１．１课题的研究背景及意义１１．２国内外污水研究现状及发展趋势２１．３污水处理中的难点３１４．４本文所做的工作及安排第二章污水处理系统的工艺分析５２．１污水的基本概念５２．１．１污水的水质指标５２．２污水处理工艺概述６．．２２１污水处理的基本方法７２．２２．污水处理的基本流程７２．３污水处理工艺中的ｐＨ中和阶段８２．３．１Ｈ值的基本定义８ｐ２．２．３Ｈ中和反应的特性分析９ｐ２．３．３污水处理ｐＨ中和阶段工艺１２２．４本章小结１３第Ｈ章污水处理控制系统的硬件设计１５３．１污水处理控制系统设计的步骤与方法１５３丄１污水处理工程设计的步骤１５３丄２污水处理控制系统设计的方法１５３．２污水处理控制系统硬件设备的选择和配置１６３．２．１ＰＬＣ控制器的选择１６３．２２基于ＭＯＤＢＵＳ协议ＣＰ３４１通讯１７．下的模块３．３污水处理控制系统需求分析及设计１９３３１．．污水处理控制系统的需求１９３．３．２污水处理控制系统姐成２０３．３．３控制系统控制方式的选择２２３．３．４污水处理具体设备及工艺的控制流程２２３．４本章小结２７第四章污水处理的广义预测控制系统方案设计与仿真２９４．１预测捏制概述２９１\n４３１．２广义预测的基本原理４巧．２．１广义预测的对象模型４．３广义预测控制在污水处理ｐＨ中和阶段的研究３５４Ｈ中和３５３．：！ｐ过程模型的建立４．３．２系统仿真实验及控制性能分析３６４．４本章小结３９第五章污水处理控制系统的软件设计及广义预测控制的应用４１５．１４１污水处理控制系统的程序设计５丄１下位机ＰＬＣ程序程序的设计４］５丄２Ｈ中４３和反应池控制程序的设计ｐ５．２上位机ＷｉｎＣＣ组态画面的创建４５５．２．１上位机组态软件的介绍４６５．２．２组态界面的绘制４７５．３上位机组态监控软件ＷｉｎＣＣ与ＰＬＣ之间的通信的实现５０５．４ＷｉｎＣＣ与ＭＡＴＬＡＢ相结合实现广义预测控制在污水处理过程应用．．．．．．５３５．４．１ＤＤＥ通信简介５３５．４．２ＷｉｎＣＣ中ＤＤＥ通信的设置５４在关于５．４．３ＭＡＴＬＡＢ支持的ＤＤＥ功自ｇ５４５．４．４ＷｉｎＣＣ与ＭＡＴＬＡＢ之间ＤＤＥ通信的建立５５５．５污水处理控制系统实际运行分析％５．６５７本章小结第六章总结与展望巧６．１本文总结巧６．２展望６０１参考文献６６５发表论文和参加科研情况说明６７致谢２\n第一章绪论第一章绪论１．１课题的硏究背景及意义水是地球的生命之源，面对有限的水资源，世界人口的急剧增多，ｔｕ及现代工业社会的急速增长，水资源短缺和水环境污染逐渐成为严重限制人类发展的瓶一大人口国的中国颈。对于全球第，水资源的匿乏更是雪上加霜，据有关新闻报Ｗ一道我国人均的淡水总量仅为２４００吨，仅仅达到全球每人平均的四分之，在一水资源方面全球排名仅位百名Ｗ后，属于全世界各国中淡水资源储存含量极度口一一］口３些偏远山区戈壁地区水资源的开发利用难度匿乏的国家。另方面，对于一极大，，，而有裝则因为人口密度极大降水量较少这些地区缺水问题很严重一，北京个亿大约占我国的华北区域为例、河北、天津Ｈ个省市的总人口大概为全国总人口的８％，经济规模约是全国经济总量的１１％但是这个地区的淡水总量，却还只不到全国淡水总量的１％，根据有关新闻提供的统计数据显示目前该地区水资源的年利用率达到近１０９％，远远超出自然环境自我回复的能力，也就是说该地区的淡水资源只会持续减少下去，依照目前的水资源使用情况持续下去，华北地区维持正常的生产生活每年要占用生态用水将近９０亿吨。如果用被广泛＂＂一一熟知的木桶理论来类比个地区淡水资源的承载能力的话，就是说个木桶，所能容纳最大水量的多少是取决于那个最短的木板而不是最长的那么，这个地区在发展过程中所能达到的最大经济总量则由各种化会资源、自然资源中最为不＂水＂＂足的那个因素来决定的，显而易见，资源己经成为华北地区发展最为瓶＂一颈的项，在不久的将来会严重了制约该地区的发展。尽管我国的可利用的水资源匿乏而且还在处于不断的减少的状态中，但是对于水环境的污染却十分的严重，加之基础处理设施建设的不到位、监察管理的不力Ｗ及人民群众认识的局限性，内陆水域的江河湖泊和近陆的海域都有不同程度上的水污染一。虽然部分地区开展清理整治活动取得了定的改善效果，但是随着我国工业化程度的不断提升、城镇化建设的持续向前发展化及超特大城市规模不断的扩展，因此如果不对水环境加Ｗ治理保护，在可预见的未来水环境污染会越来越严重。水资源的污染不仅影响人们的正常生产生活，危害人们的人体健康，更给我国的经济发展造成损失，每年我国，根据相关部口的长时间硏究结果表明Ｗ％￣有高达１．５３．０％的ＧＤＰ损失是因为水体受到污染造成的。因此，合理利用淡水资源，加强治理水环境污染，提倡节约缓解淡水资源的使用紧张状况，碗护淡水资源的可持续使用，进行城市和工业污水处理是为我国１\n天津工业大学硕±学位论文未来国家和人民的发展实现经济发展目标的关键，尽管国内目前大力发展的污水处理事业短期内在数量上取得了不错的效果，但是就目前而言，大城市的污水处理再利用率相对于世界其他国家还比较低，在国家十五规划中提出，未来五年一要是城市污水的处理率达到整体的５０％距离这目标任务还很艰巨，传统的污，水处理系统尽管能产生较大的社会效益，但是运行的人力物力成本较高，经济效益低，国家环保总局提供的调查统计显示，我国目前六千多套污水处理设施中，２４％仅有的设备处于良好运行状态，随着计算机自动化技术的进步，使用现代化的控制设备替代人来监控污水处理，提高污水处理设备的半自动化和无人化程度，节省资源，，、减少浪费提高污水整个系统的运转水平和效率具有十分重耍的意义。１．２国内外污水研究现状及发展趋势一次工业革命进入蒸汽时代人类社会在经过第、第二次工业革命电气时代及科技革命后人类的社会生产力得到了极速的提高，人们的生活水平也有了质的飞跃，但是伴随而来的就是各种污染，其中最为严重的就是水资源的污染，近凡十年来随着受污染的环境越来越多的进入人们的视线，引起人们的普遍关往。世界各国也纷纷重视起环境的保护和污染的治理一，如今个国家的发展水平不再只靠一经济的发展水平一个因数来衡量，环境的好坏适宜居住的指数也占很大部分比例，，在西方发达国家由于他们的经济发展较早，群众的受教育水平较高，因而对于水污染的治理也较好。加之西方的有关水环境保护的法律法规较为完善，其一城市和工业的污水处理己经形成了个完整的体系，尤其是在污水处理的基础设施建设方面更更是经验丰富，相对于西方在东半球的日本、韩国地区。由于其也处于和西方发达国相似的狂会、经济环境和政府的大力投入扶持，因此这两个国５家的在污水处理方面的技术经验很多［］。特别是日本由于其高度发达的工业技术水平，其在污水处理方面的应用了许多先进的自动化控制技术更是其他国家所不能比拟的。由于各方面的原因，我国在污水处理方面的起步较晚和发展数度较慢，进入一些行业的转移一本世纪Ｗ来，随着西方国家的发展方式的转变和，些被发达国家所淘汰的落后产能行业和一些污染非常严重的产业也陆陆续续的转移到我国境内一，方面这些企业的确对我国的经济发展提供了巨大的支持给中国带来的ＧＤＰ的增长，但是粗放的管理、相关法律法规的缺少监管不到位和不加约束的扩张也给中国的环境带来的巨大的破坏，在环境的治理尤其是在水污染的治理方面，我国还处于全面落后的状态因此大力发展现代化的污水处理事业我国还有Ｗ一一很长的路要走，般来说，现代化的污水处理系统现对于传统的系统都拥有２\n第一章绪论下几个优势：一、自动化程度高在工业控制领域，随着现代工业控制技术的推广和发展，基于计算机的开始在污水处理行业得到普遍的应用，提高了整个行业的无人自动化的水平，采用工控机作为上位化与下位化ＰＬＣ相结合实现智能化管理，大大提高了整个污水处理系统的运转效率再加上各种工业现场总线的应用也提升了系统的控制的及时７］［性和远传性。二、安全可靠性高现代化的污水处理厂无论其针对的服务对象是处在偏远地区的工业污水处理厂还是城市的生活污水处理厂一一，安全可靠是第位的。个可靠的处理厂关系到一个工业园区的正常运转或一方辭众的正常生活。因此，高度的安全可靠性是一必备的特点之。Ｈ、处理效率高一由于工艺落后等原因，当下国内有相当部分的污水处理设施的效率都很低一下，尤其是在些经济落后地区这些设施相当于摆设，根本不能发挥污水处理的基本作用，和西方发达国家相比有很大差距。而现代化的污水处理设施的效率很高，能大大提髙每天的污水处理的量减轻当地的环境压力。四、能耗低节能减排是当今时代的主题，现代化的污水处理系统能很大程度上做到节能节能意味着更少的运营成本，更有利于污水处理设备的长期使用。尽管我国的目前的污水处理在工艺上、技术上、管理上还与世界先进水平有不小的差距，但是随着我国经济的不断发展，科技水平不断的进步。１＾１及不断引进国外先进的设备、技术和自我不断改进的生产工艺。我相信我国的污水处理事业在今后会有质的飞跃。１．３污水处理中的难点一随着我国工业化程度的不断提升，在些高污染的化工工业中所产生的工业一废水越来越多，工业污水般指化工、冶炼、造纸等工业产生的有毒污水高浓度工业、有机化工、草酸、制药、含盐量髙的污水等，送些工业大多含有工业强酸、强碱［＾＾及很多对生物有毒性的物质，它们的ｐＨ值远大于或远小于中和值７，如果这些污水不经过任何处理就直接排放到自然环境中将会造成生态危机，因此对污一水中的酸和碱进行中和，控制污水的ｐＨ值是控制污水处理过程中污水排放的个重要标准，根据我国的相关法律法规规定，经过处理的污水的ｐＨ值必须在６－．５８．５之间才被允许排放到自然界，Ｈ值中和过程是，因此在污水处理过程中ｐ３\n天津工业大学硕±学位论文污水处理控制问题的重中之重，其直接关系到整个污水处理控制系统的控制效果Ｗ的好坏。一然而，因为化学上的酸碱中和反应是个极其复杂的过程其所反映出来的高一＝度时变和非线性是个控制难题，当污水的ｐＨ值临近的ｐＨ７的中性值时反应增益极高，在此附近向反应池中投入中和反应药物会引发整个环境的ｐＨ值巨幅，而当ｐＨ值远小于或远大于７Ｈ值变化时，加入中和反应物ｐ的变化又很小，一鉴于般的污水处理厂中ｐＨ中和池都是规模较大的反映容器，使得在实际ｐＨ一Ｗ中和过程中般都存在大滞后的问题，这个问题不仅给控制系统带来极大的难题，同时也经常浪费许多中和药物，同时考虑到污水中含有大量的固体颗粒物等［Ｗ、现场的外界温度变化对反应的影响，因此：杂质，ｐＨ值相对于其他变量如温度，对其展开的控制方法的研究具有很、流量等被认为是最难加控制的参数强的现实意文。１．４本文所做的工作及安排本文天津大港某污水处理厂控制系统项目为背景７－３００ＰＬＣ，基于西口子Ｓ及组态软件Ｗ一一ｉｎＣＣ软件设计出套集自动控制、计算机软硬件为体的智能化控制平台，并研究将广义预测控制替代传统Ｐ阻控制运用到污水处理ｐＨ中和阶段的方法，实现对ｐＨ中和的更精确快速的控制本文主要研究内容和章节安排如下：第一章简耍介绍本课题的研究背景及国内外研巧近况，并对污水处理广自动控制系统进行了简要的分析，并结合研巧对象简要分析污水处理控制系统中的ｐＨ中和阶段难点进行综述。第二章研究分析自动化污水处理系统的整个工艺流程，并着重对ｐＨ中和，明确整个污水处理的控制工艺流程过程的反应机理进行说明和深入分析。第Ｈ章根据第二章的分析确定控制工艺制定污水控制系统的控制方案，并完成ＰＬＣ控制系统的硬件设计工作。ＰＣ第四章首先对预测控制进行简要介绍，并着重对广义预测控制算法Ｇ算法进行详细的推导，针对ｐＨ中和的反应机理和广义预测算法的特点建立数学模型，使用工具ＭＡ化ＡＢ对其进行仿真并分析控制效果。第五章完成污水处理控制系统软件部分的设计最后总结设计出ＭＡＴＬＡＢ与上位机监控软件ＷｉｎＣＣ通过ＤＤＥ通信实现的方法步骤。第六章对本文所做的内容进行简要的总结，并对此后研究的发展给出了展望。４\n第二章污水处理系统的工艺分析第二章污水处理系统的工艺分析２．１污水的基本概念人类任何发展都离不开水，经过人们利用的水都会被多多少少的污染，产生于人们的日常生活及工业生产中，因为在使用后受到污染而失去再次利用的功會旨需要被净化处理的水体称做污水，按照产生的设备来源不同可将污水分为生活和工业污水都不能直接排放到大自然中必须要经过污水处理去除一，任何污水，些大自然不能通过自身的恢复系统降解的杂质污染物，符合相关的排放标准后才能［＂］加Ｗ释放。２．．１１污水的水质指标一水质（ｗａｔｅｒｕ址ｔ）是指水体Ｗ及水体内包含的物质起所表现出来的性ｑｙ一质，水质指杨作为个标准用来定义不同的水质所呈现的内容、种类和成份。按一照环境相关的法律法规般可讲水质的指杨划分为物理、化学、生物Ｈ大类型：，１．物理性指标通常指能通过人的感官就能察觉到的指标。（１）温度有些工厂排放的工业污水的水体温度都远髙于正常水体，若这些污水不经处理就直接排放会引发自然水体的热污染，最终致使自然界水，影响水中生物生存环境的水质恶化。（２）色度未受污染的自然水体是无色透明的，但是未经处理的污水因为含有各种金属离子或者人类合成机化合物而呈现各种各样的颜色。（３）嗅和味大部分受污染的水体由于各种有机物的腐烂会发出难闻的气味。（４）固体物质固态物质共分为悬浮性物质、胶体性物质、溶解性，悬浮会附着管道内壁造一成水道的阻塞，，在些极端情况下可能会引起管道破裂影响居民和企业的供排水一。除此之外，些具有挥发性的固状物随着其不断的分解也逐渐成为水体污染的原因。２．化学性污染指标化学需氧量ＣＯＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＯｘｙｇｅｎＤｅｍａｎｄ）是判断污水中化学性污染指５\n天津工业大学硕±学位论文标多少的衡量标准，ＣＯＤ的需求越高表明水中的化学性污染物越多水体的受污＋－一２＋ＮＨＮ０染水平越严重。无机的需氧污染物比较少，主要是些扣户、Ｆｅ、４、２、２－ＣＮ－Ｓ、等无机盐离子。而绝大部分需氧型污染物物是各种有机物，在水中微生物分解有机物污染物所消耗的氧气量被称为生物需氧量ＢＯＤ（Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ一一０巧ｇｅｎｄｅｍａｎｄ），因此在些特定的环境下，需氧物般就是指有机物本身，无机物可忽略不计。有充足的硝化细南存在时发生硝化作用，如虚线部分所示Ｘ含氮有机物生化需氧量，肥孤＇／／Ｉ／／＾３／Ｉｍ户Ｉ观細化細，通微強／？／Ｂ孤培育期开始后的日８天２－图１典型污水Ｂ０Ｄ处理曲线图３．生物指标一些化工企业排放的污水中富含氮在、磯等是植物和微生物生长所必需的营，这些污水如果直接排放到自然水体中会导致水体的富营养化元素，促使西葫芦ｔＷ等藻类Ｗ及大肠杆菌等细菌大量繁殖，形成生态污染现象。当水域中的氧含量耗尽时又引起藻类的大面积死亡，水中的ＢＯＤ值剧増，恶化环，导致水体腐败境。形成恶性循环造成严重的环境污染。２２．污水处理工艺概述总的来说一，城市和工业污水进入污水处理厂后，般首先利用大自然的力量微生物强大的新陈代谢功能将污水中可能的有机物污染物进行降解，生产有污染的气体物质，、液体物质Ｗ及类似生物活性污泥的固体物质然后再经过物理、化学的作用后，将污水中的有害成分转化为对环境没有破坏性的物质使水体达到法＾律所规定的排放标准，可１＾释放到自然界中的过程叫做污水处理。６\n第二章污水处理系统的工艺分析２２．１．污水处理的基本方法上节介绍的污水里含有的不一现代的污水处理工艺多种多样，对应着样类型的污染物，正常情况下根据工艺要求可Ｗ分为四类方法：物理处理方法：根据不同物质之间具有不同的物理特性（如：质量、密度、溶解性、、溶点等）利用格栅、纱网、离屯机、沉淀池等污水处理设备分离除去污、水中呈悬浮状态和不溶解漂浮的固体物质。包括的主要的方洁有：气浮蒸发、截留、重力分离等。化学处理方法是根据一些水处理方面的化学反应向污水中投入不同的化学一药剂或者将不同类型的工业污水按照定比例相混合让两者进行化学反应，转化或分离水体中的污染物使其转化成对环境无影响的物质，常用的化学处理方法氧一化还原法，、电渗析法、中和萃取法等化学方法常常用于般工业巧业里工厂排１１３放的污水。一些我们认为的污染物在微生物眼里就是食物生物处理方法：在污水中，因此利用受污染水体中的微生物的降解代谢作用，清除污水中成悬浮和胶状的有机污染物一，使水体得到清理净化。生物法需要在适当时机使用定的人为干预措施，使水体环境尽可能的满足微生物生长和繁殖，尽最大可能发挥生物的活性提高污一水处理的效率：，生物降解净化的方法般包含所列的种类自然生物处理法；厌氧生物还原法和活性污泥法。２．２．２污水处理的基本流程一在设计污水处理０：程时需要结舍实际的情况来选择处理工艺，般来说有Ｗ下凡点；１．污水处理厂的的地理位置。２．进入污水处理厂的污水预估流量。３。．所处理的污水有何特性及所要达到的排放标准４．该污水处理厂的经济和社会效益如何。一为了法到最大的污水处理效果，在实际的污水处理项目中很少仅仅使用单一。种方法。为了达到某些目的，往往是几种方法的结合使用Ｗ本文的项目背景－２天津大港污水处理厂项目为例图２，该污水处理厂处理的污水成份比较复杂，一不是单的处理工艺能解决的。可分为初级预处理、次级再处理、Ｈ级处理。（１）初级预处理初级预处理主要使用的是物理设备和手段的将污水中的颗粒较大的漂浮物一般ＢＯＤ＝＝－质，３０％ＳＳ５０％６０％，通过设备主要为格栅、沉砂池、悬浮物质，及沉淀池等车间从水体中去除。７\n天津王业大学硕±学位论文２）（次级再处理一污水经过的初级预处理后，只是清除了些固状悬浮物，水体水质往往还达不到规定的可排放标准，因此需要在次级次级再处理中应用生物的手段或化学的＝＝手段清除水体中的胶状污染物和易反应性物质，ＢＯＤ９０％，ＳＳ９０％；此阶段主要有ｐＨ中和车间、ＣＡＳＳ反应室、生物反应接触间、二次沉淀房构成。采用的典型设备车间主要有生物曝气池和二次沉淀池［Ｗ。（３）Ｈ级处理或高级处理一经过上步的次级再处理后，受污染水体的水质状况已经发生了巨大的改一一些特殊的工业污水处理变，对于己经满足了定的排放条件，对于，需要经过二一级后再进步对水体采取处理，彻底消除水体中最难处理的高污染重金属离子和氮憐等。由于污水处理过程中残留的污泥里包含数量惊人的高致病性细菌和病一原体如果直接排放将对环境形成再次的污染，，因此将其排入消毒池或回流到沉淀池再次处理后排出，经过脫水技术的处理，污泥将进行销毁。筛除砂碌污泥剩余污泥ｔ个个个＾，，；＾■■格栅＞沉砂池？初沉池声曝气池■？二沉池■消毒池每＾Ｌ剩余污泥—＾回流活性朽泥柯选择）；亏＾尼图２－２天津大港污水处理厂污水处理工艺流程图２．３污水处理工艺中的ｐＨ中和阶段２．３．１Ｈ值的基本定义ｐＨ值是用一ｐ来衡量溶液酸碱度的个物理量，指的是氨离子的浓度指数。其＂标准定义是的离子数所含氨氧根离子浓度的负对数［］。表示为具体的数学公式２－（１）如式所示：＋－肿＝－＝如ｆｉ〇ｇ／ｒ或打１〇（２－１）［］［］下面Ｗ水的电离平衡方程式来进一步说明ｐＨ值，。在常温条件下未离解的＋水分与离解产生的Ｈ和０吐之间保持如下的平衡关系：巧。－６［Ｉ］二－气１．８２ｘ１０（２２）权〇］８\n第二章污水处理系统的工艺分析＋－上式可Ｗ看到纯水的理解度很小也０、Ｈ、ＯＨ，的单位是摩尔浓度，从［］［］［］所Ｗ因为水的离解造成的水分子的减少可Ｗ完全忽略不计，在纯水或者稀释溶液一个常数中，水分子的摩尔弄高度可认为是，，即在化水分子的重量得出：权ｔ２ｊ＝證＾＝５５．３（腳／／王）（２－３）１８＾￣－？＝－ｈ０Ｈ１．８２Ｘ１０（２４）［＼］－－对（２３）、（２４）进行运算的＋－＂＝＝－抒饼ｒＫ，１．００８ｘ１０（２５）［］＂［］上式中，Ｋｗ水在室温下的电解平衡常数。由于纯水是中性的且水分子电解（２－分离出来的数目是相等的，因此公式５）可写成：＋－＂＝ｉｒ＝１００８ｘ１－好饼ｒ．０（２６）［１］［ｆ＋－－７＋＞７因此在纯水中Ｈ的浓度约为１０ｗ〇／／ｔ。当町ｌ〇ｍｏ化溶液呈现酸性。反］＋－７之＜ｗｏ化溶Ｈ（２－７，当町１０。使用ｐ符号代表溶液的酸碱性）］液呈现碱性，公式如所示：＝－ｒ－ｌｏ７二（２７）挪ｇ［］２．３．２Ｈ中和反应的特性分析ｐ根据化学反应原理的解释，碱，水的形成是由酸性物质电离出的氨离子性电ｔＷ＝７离出氨氧基离子发生化学反应，这就是中和反应的实质。当ｐＨ时，游离在－水中的Ｈ＋和ＯＨ单位体积水内的数量刚好一一样形成个动态的平衡，此时便被称为是水的化学酸碱平衡点。通过物质的电力平衡定律我们可Ｗ知道，在任何溶液中的电荷是应该时刻处于均衡的状态的，ｐＨ中和的过程和酸碱发生化学平衡是相同的就是各种显阳性与显阴性的离子进行作用的过程一，般情况下，我们采取酸碱滴定的方法来测量溶解的ｐＨ值。整个过程就是向酸液或碱液中滴加化学性质相反的物质，从而使物质的ｐＨ值发生相反改变的过程。１因此本文为了分析ｐＨ中和机理特性，也进行了相关的实验使用ＨＣ溶液和ＮａＯＨ溶液进行了酸碱中和滴定实验，用酸液中和碱液。实验表明，酸碱中和过程的最终班值与很多因素有关，例化酸碱液的浓度、温度等。但是，影响因素最大的是两溶液的浓度差一。为此，针对该因素，做了个混合溶液的ｐＨ值与１９［］２－所加酸液量关系的实验。如下图３所示为混合溶液值与酸碱液浓度差的特性曲线。从图中我们了解到，的中和过程并非是线性变化的过程。特别是当班值９\n天津工业大学硕±学位论文－＝７即将接近班时，静态增益会变得很大，即便是加入少量的化学药剂也会导致ｐＨ值出现剧烈的波动口Ｗ；但是当ｐＨ值远大于或远小于中和点值时，静态增益就会变的很小，加入较多的化学药剂也只能使ｐＨ值发生较小的改变。其非线性突出表现的非常明显，通过Ｗ上论述，我们可Ｗ发现过程增益在中和点附近会变得很大，对轻微的扰动也会表现得非常灵敏。这就表明，当反应过程受到的干扰很小时，整个反应过程也会受到很大的影响，会严重改变所得到的性能结果。滴定实验效果如下图２－３所示：ＰＨ值牟１４．■？７．—０酸滴定疊图２－３酸碱滴定实验效果图一由于各种条件的参与在现实的污水处理过程中，ｐＨ中和阶段是个反应非常繁杂的过程，因此为了便于研究有送方面的专家根据物理和化学动态平衡的法，贝！Ｊ提出了在持续拔拌反应蓋系统（ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙＳｔｉｒｒｅｄＴａｎｋＲｅａｃｔｏｒ）模型能较为准确的反映ｐＨ中和反应物质的动态变化，本文借助此模型分析ｐＨ中和过程的原理。－－Ｉ控制器１１１ＩＩＩＩＩ１ＩＩ．＇１＾Ｕ—ｊＩ碱１揽拌器１ＩＩＩＷｚ进曰废水化Ｃ）ｌ．＂－尚＇反应池——？ＸＩ酸度图２－４连续攪拌反应蓋系统模型图中参数如下：巧一污水中酸（碱）的流量中和药剂入流碱（酸）流量，即控制量Ｕ拍１０\n第二章污水处理系统的工艺分析—Ｃ／污水中酸（碱）的浓度Ｇ－中和药剂入流碱（酸）的浓度Ｆ—反应蓋的容积在图中ｐＨ检测变送器是负责实时收集经过反应池处理过的对象的ｐＨ值，经过ＰＬＣ的模拟量采集模块传送到控制器，经过ＣＰＵ的处理运算得到相应的输出控制量的大小，在经过现场通信网络将数据回传给相关阀口等被控对象执行对口１应的动作。整个控制系统有两套不同的执行回路，根据传感器测得的数据情况自动选择不同的执行回路，最终目的是为了使控制要求得到实现即是出口污水的ｐＨ值达到设定要求，整个的过程是在下位机ＰＬＣ中执行，通过工业现场总线技术监控人员就可Ｗ在控制室通过上位机监控软件的监控画面一目了然的观察整个的现场设备的运转情况和实时的现场数据ＰＳ。对ＣＳＴＲ物理模型的实验解析都是在想象实验条件所有的条件都达到理想状态的情况，任何过程都是按照理论分析得到的公式所运行，完全排出可能出现的外界干扰，这种情况下，ＣＳＴＲ的模型可区别为静态、动态模型。静态非线性模型用来演示所有化学反应物达到化学平衡，动态模型是为了表现当ＣＳＴＲ受到外部干扰出现反应物的浓度出现的动态变化时的反应。用来真实条件下实际的ｐＨ中和过程可能出现的状况，在这种条件下，动态数学模型的写为：反应蓋中需要排进的酸酌总量与排出的差值就是反应蓋中酸值总共的改变值－８，如公式（２）；－ＣＸ＝Ｆ－马的的＋（２８）［巧巧的］。ｉ字ａｔ同样对于碱性溶液来说，反应蓋中需要排进的碱的总量与排出的差值就是反口３］２－９：应蓋中碱值总共的改变值，如（）所示巧灼＋－９［巧灼巧的ｋ孚口）ａｔ－－８－根据公式（２）、（２９）即可推导出ＣＳＴ艮系统的动态控制数学模型如（２１０）所示：Ｃ－Ｆ＝＋／巧的的＂ｉ每［巧（）ｋ－＜（２爱１０）巧的〔－＝的＋Ｍ的ｈ２ｈｄｔＩ＝—；－－－－ｊｃ、（２令３，中和公式口８９可将口１０）化简得公式１１）：。而）口）ＸＩ\n天津工业大学硕±学位论文＝－－＋少任１的１）仁＞化的杉２）巧ａｔ２．３．３巧水处理ｐＨ中和阶段工艺本文的滨海污水处理厂的Ｈ中和处理工艺是一个多级中和过程工艺流ｐ，其一２－５程如图所示，包括前端的调节池，第中和反应池和第二中和反应池。其王艺流程是，工厂的碱性废水与酸性废水进入调节池レ，进行初步的废水中和ッ及沉Ｐ４］淀，废水停留时间约为３０分钟。在调节池中废水的值大概降到１１到１２。之后由提升录将废水从调节池送到流向第一反应池的管道，此时如果检测到废水的一一ｐＨ值达到工艺要求，打开流向下级处理的电磁阀，否则打开流向第反应池的电池阀一。在废水流向第Ｈ反应池时检测其流量，和反应池内的ｐ值，经过计算的到所要添加中和剂的流量一，执行机构是计量累。在第级反应池内ｐＨ值应该达到工业要求。然而，废液可能产生堵塞或溢流，所Ｗ需要地兰个中和反应池。经过第Ｈ个中和反应池后一，废液达到排放标准，废水进入下级处理过程。计量累汁靈聚Ｌ．＾ｐＨ控制、撥拌器。＋１。１＾￣Ｊｈ＜ｈ＾＾＜调节池．．ＴＨ．１雌制下－－级处理口酸性废水图２－５天津大港污水处理厂Ｈ中和工艺图ｐ＋污水处理ｐＨ值控制的基础是化学上的Ｈ、０巧中和理论，两者有相同点也有各自的特殊之处。大部分情况下，待处理污水的化学特性由于各种实际的因素都是处于变化之中么呈现酸性要么呈现碱性一，往往，要个很小的外界干扰导致污水的ｐＨ或者流量发生变化后，由于这种原因致使有关ｐＨ值的控制很难达到一理想状态一，对控制系统是个严峻的考验。因此ｐＨ值控制系统是个需要进行２５［］深入研究的课题。１２\n第二章污水处理系统的工艺分析２．４本章小结本章主要介绍了污水及污水处理的基本定义概念，重点讲述污水处理的工艺，并分析本文所参照的天津大港污水处理厂的实际项目工程所采用的Ｈ级处理工艺的具体构架，为接下来的研究工作打好基础。１３\n天津工业大学硕±学位论文１４\n第Ｈ章污水处理控制系统的硬件设计第Ｈ章污水处理控制系统的硬件设计３．１污水处理控制系统设计的步驟与方法３丄１污水处理工程设计的步驟一一般来说，个污水处理项目工程设计工作按照时间顺序可Ｗ划分为三个不同一些质量要求的阶段，项目研讨论证、确定初步设计方案Ｗ及详细设计阶段。对于一，次的论证和实验严格规范且缺少先例经验的项目在确定方案后还要对其进行再，一确保万无失。＾１充采用泣种方法可，，协｛＾分发挥利用现有资源明确责任主体调各部口的功能口６］保证工程项目的有序进行，也为Ｗ后的项目验收提供方便。一第步的研讶阶段主要的职能是为后的工作做准备，包括项目的各种相关材料的采集汇总、可行性研讨论证等，完成项目大体的网络架构的搭建。一工作第二步根据上步完成的，对整体的网络构架进行细化，详细分析系统的，制定分部的控制要求，各个部分的工艺的内容，给出大体的控制流程图确定捏制方案。第Ｈ部依据拴制方案结合项目本身的实际情况选择控制系统的软硬件设备的型号和数量Ｗ及工业现场的设备。设计详细的控制电气原理图和现场接线图等部分。３１２．．污水处理控制系统设计的方法控制系统作为污水处理工程中最重要最核也的部分，当这个工程的工艺方面设计的方案定型后，就要进行现代化的控制系统方面的设计，总的来说，控制系统的创建有下列的步骤：（１）了解污水处理的具体工艺流程控制系统设计人员通过与工芝设计人员的沟通协商，完全了解控制部分所要完成的任务并分析整个全局和具体的车间污水处理工艺流程一，起探讨制定控制方案针对控制部分可能出现的难题进行设想解决相关的疑惑。（２）制定具体的控制方案，创建控制流程图对现场实际情况进行考察，根据现场实际的设备种类型号Ｗ及工艺布局，编写监控数据表和管道王艺图纸（Ｉ／Ｏ的种类、干湿，确定需要控制的对象类型、数目巧\n天津工业大学硕±学位论文节点的数目、有源无源信号的多少）。（３）对控制器的器件设备进行硬件选型一工业领域不同于一般的民用领域，可靠安全是第位的，针对污水处理过程中的现实条件确定使用工控领域常用ＰＬＣ作为整个系统的控制器结合上位机监控软件构成完整的控制体系。（１）控制系统电气方案的实现口］完成上述的准备工作后，就要进入具体的设计工作了，根据相关的标准进行电气图纸的设计包括现场控制防爆柜的内外部造型的设计、控制柜内器件卡槽的摆、控制回路的走线放布局、接线端子的摆放等等。另外还有现场就地仪表和执行机构与控制柜内控制器的通信连接线路走势也要进斤慎重的考虑。（５）控制系统软件部分的开发在硬件方面的工作完成后，接下来就要开发相关的程序了，首先是下位机ＰＬＣ的控制程序的编写，根据前面得到的控制逻辑和控制要求编写相关的程序，实现控，制效果；其次是上位机监控画面的创建在整个的设计过程中这个部分是至关重要的，因为上位机是人与控制系统进行直接接触的中介，通过上位机的监控现场操作人员能直观的了解整个控制系统的运行状况并对控制系统进行操作，在远离现场的控制室使用现场的仪器设备。（６）控制系统的测试与应用在控制系统设计的最后是关于系统的调试，在前面这些步骤中，所有的都是在理论层面上的工作，在实际的污水处理现场由于各种方面的原因有些设计可能别不能达到现场的控制要求，因此需要在整个设计的最后到现场进行实地测试。３．２污水处理控制系统硬件设备的选择和配置３．２．１ＰＬＣ控制器的选择现代化的污水处理控制系统的核瓜是控制器ＰＳ］，控制器的选择至关重要。污水处理系统由于其本身相对于其它行业有很多特殊的地方，地处位置偏远、现场的处理环境恶劣、现场的仪表设备种类繁杂数目众多，而且由于其从事的污水处理工作内容的特殊性，决定这各行业的控制系统必须要满足能很长时间不间断的安全正常运行的条件，，如果系统的抗干扰能力不足稳定性不够。导致系统出现状况停止运，影响该区域群众的正常生产生活行将对当地的环境造成严重的生态灾难。因此选择的控制器要满足下的条件：１己\n第三章污水处理拴制系统的硬件设计１．能承担系统赋予的控制任务，并保证能不出差错及时带的执行相关的控制动作。２一．具有数据汇总采集和定的处理能力。３．能应对复杂恶劣的工作环境，能够长时间不间断的确保控制系统高效的运转。４．支持多种多样的工业通信方式，使控制系统能与不同厂商的各种器件设备相匹配完成最先进技术设备的应用。５．模块化设计，能在某个模块出现状况时能迅速拆解和更换不中断系统的运转。根据上述要求，本文的基础天津大港某污水处理厂控制系统选择德国西口子Ｉ－３００ＬＣ作ＳＩＭＡＴＣ系列Ｓ７Ｐ为控制器设计控制系统。该控制器凭借极离的可靠性、强大的的网络通信能力、有力的价格优势被越来越多的应用到我国的工业化建设当中。３．２．２基于ＭＯＤＢＵＳ协议下的ＣＰ３４１通讯模块一般的污水处理厂的占地面积都比较大，每个车间之间Ｗ及与拴制室的距离都比较远，导致整个厂区的现场设备的分布都比较零散。如果将需要采集的设备信息都通过通信电维的方式直接接入控制室不仅浪费物为财力，更会由于通信电缆的长度过程导致控制器接收到的信号失真，影响控制系统的正常运巧。因此采用分布式现场总线的形式对现场数据进行采集更适合污水处理控制系统的开发。首先将现场的数据信息采集到总线式的Ｉ／Ｏ模块中，再使用Ｍｏ批ＵＳ工业通信协议传送到控制柜机架上的ＣＰ３４１模块，实现整个污水处理厂所有的信号实时准确采集，最终到达Ｐ９］期望的控制效果。Ｍ一款真正意义ｏｄｂｕｓ是由Ｍｏｄｉｃｏｎ公司在上世纪屯千年代发明的，世界上第－ＲＳ－２３２－上的工业现场总线协议。该协议支持传统的、ＲＳ４２２、ＲＳ４８５Ｗ及工业Ｗ太网通信接口，当在整个的ＭｏｄＢｕｓ工业通信网络中进行通信时，此协议会决定每个控制器和被控设备需要知道的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Ｍｏｄｂｕｓ协议发出。在其它网络上，包含了Ｍｏｄｂｕｓ协议的消息转换为在此网络上使用的顿或包结构，这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址。、路由路径及错误检测的方法带有智能终端的可编程控制器和上位机计算机通过公用的通信线路或局部专用线路进行连接，用来实现控制系统中各个期间设施之间的信号交流和各种数据的采集和监控，是全球１７\n天津工业大学硕壬学位论文公认的一个行业规范，基于Ｍｏｄｂｕｓ总线协议，任何设备只耍是支持该协议都可Ｗ搭建成工业控制网络Ｐ气一ｏｄＢｕ一Ｍｓ通信协议中般分为两种通信模式：种是ＡＳＣＩＩ和ＲＴＵ惦端终端设备，送两种模式与上位机的通信能为相差不大，用户主耍根据具体的需求选择使）一一，在常用的ＭｏｄｂｕｓＲＴＵ用的模式模式中，通信采用的是主从的技术即在个协议中仅仅存在一个设备能作为控制主站，其余的只能作为从站组建到网络中，全部－的数据交流都在主站中进行。如图所示的Ｓ７３００ＣＰ３４１模块连接示意图如上图３－１所示：ＦｉｌｅＥｄｉｔＶｉｅｗＯｐｔｉｏｎｓＨｅｌｐ鸟通ＩＰｒｏｔｏｃｏｌ＾；ＣＩＩｊＳＩ出ｊｙｊｙｙ／ｎＨｙｉｘＰｒｏｔｏｃｏｌＱ一！ｊＪ一…ｏｒ車ｒｅｓ５ＦＩｆｈｅｌｐ．：；＼ＳＴｍｌｊ图３－１ＣＰ３４１模块的通信建立配置一西口子Ｓ７－３００３４系列ＰＬＣ的专用ＣＰ１通信模块是种基于全开工串行通信方式的模块，通过这个模块控制器能远距离的接收数据，完成与远端仪器设备的数据一刖交换，般采用Ｍｏ加ｕｓＲＴＵ总线的形式进行网络的搭建，在网络中大部分情况一，ＰＬＣ作为主站负责接下收类似现场智能仪表的适传数据并进行处理。作为个模块其配置可－［＾在Ｓ７３００的编程软件ＳＴＥＰ７中进行并可进行相关参数的配置。如３－２图所示：巧\n第Ｈ章污水处理控制系统的硬件设计＊°？？重亡兰Ａ＊．—？Ｊ＞一－一－，：马ｖＧ工王ａｉｓｍｓｓｉｎ立ａｃｅ＾Ｔｒｉ１ｅｃｅｉｖ工打；ｉｉｔ主Ｒｌ；ｇＤｔｔｅｒｆａ瓦雪Ｉ１ＩＩ＇一〇￡ａｅｃｅｘ＾＾ｅＭｅｓａｇｅＦ——－————？———＂’，。—Ｅｎｄ工ＤｓｉＴＱｎｉｅ：：！＾Ｒ：寞；畫……＇？－…＇ｘｒａ＂ｆ＊ＯｎＥｉｒ〇￡ＣｈａｃｔｅｒＤｅｌａ＾ＣｈａｒａｃｔｅｒＤｅｌａｊ養：巧与Ｉｐｙｙ｜＊＊＂■—＂：£日ｎＲｅｃｅｉｔ〇￡Ｆｉｘｅｄｇ；Ｔｉｍｂｅｒ〇￡ＣＫａａｒ貧ｐ：Ｙ；；：Ｏｅｃｅｉ〇￡ａｃＩｎ丘ｐｔＥｎｄＣｈａｒｔｅ１＇誓－—ｍ—？——＾—Ｓｅｄｉａｒａｃｔｅｅ＾：ｆｅＣｌａｒＦｒａ；；ｐｐＴｒｓｕｓｍｉｓｓｉｏ打区ａＤａｔａＳｔｏＰａｒｉｔ：ｔｔ色Ｉｊｐｙ￣￣￣—‘ｇｅｏｃｉ＾ｓｉｒ，！ｂｐｊｓ＾‘｜｝臣；ｌｊ痛定取消巧助Ｉ！Ｉ－２图３ＣＰ３４１通讯配置界面３３．污水处理控制系统需求分析及设计３．３．１污水处理控制系统的需求通过分析天津污水处理厂的特点及要求总结出其控制系统相应的需求。为了确ｒｎｅ、保整个项目能正常运行，选择工业Ｗ太网（Ｉｎｄｕｓ杜ｉａｌＥ化ｅｔ）作为监视操控中屯里的上位计算机与分布在全厂各处的控制房中ＰＬＣ之间进行通信的方法。由于各个分口２］一控制系统之间几乎没有什么关联，所当任何部分出现状况不能正常工作时不会影响其他部分的正常生产处理。整个系统使用的软件通信模式和硬件的规格都具有行业标准且在控制系统初期就考虑到今后系统的维护和拓展，因此当某个设备出，减少维护的人力物力成本现故障时可Ｗ使用任意支持该标准的相似设备加Ｗ替换。该污水处理控制系统的需求如下；（１）安全稳定性＊该污水处理系统需要７２４连续运转，因此控制系统也要能在各种的条件环境中保持正常的使用。满足相关的设计规定，［Ｍ及国家的相关法律法规。除此之外整个系统还应该具有王业产品的耐使用，防护性好，，维修护理简单容易进行系统配置等特点。１９\n天津工业大学硕±学位论文２（）自我故障错误检测：一一安全在工业生产中始终处在第的位置，基于污水处理过程的特殊性，需要一个安全的控制系统作为保障定的自我故障错误检测功能，，这个控制系统耍具有对在运行过程中时刻出现的故障错误信息进行自我检测并在上位计算机中通过图像或声音传达给监控人员同时利用控制器自身的保护机制对故障信息做出相应的动，确保控制器自身和现场仪表设备的安全作。（３）标准化及拓展性：在控制系统设计初期就耍考虑到该系统的标准化和拓展性问题一，对于个标准一化的控制系统无论是在硬件还是软件义面都是个必需的条件，标准化意味着更好一一口３レ］，的维护，当个器件发生故障时就可义立即更换为同类型的设备减少控制系统的维护时间一。拓展性是在设计的前期就预留定的空闲Ｉ／Ｏ点数和通信接口为Ｗ后控制系统的检修维护和扩展提前考虑周全。３．３．２污水处理控制系统组成考虑到本污水处理广项目现场的实际情况Ｗ及现有硬件设施的条件，此控制系＂＂统的整体控制网络采取监视集中化，控制分布化的结构。整个网络大体上有设备应用层、监视控制层、服务管理层组成。ＰＬＣ控制器被安放在在厂区的固定位置，针对现场仪表设备数目众多，的分控制室内、散布整个处理厂区的特点采用现场的仪表器件通过Ｍｏｄｂｕｓ－ＲＴＵ现场总线的方式与控制室内的ＰＬＣ进行数据的采集与控制；而中央控制室内的上位机则通过工业Ｗ太网的高速通信光纤对下位机ＰＬＣ实５＾口］时的监控和发送相关的执行命令。（１）设备应用层设备应用层是指底层的检测机构和执行机构，其中包括各种自动化带有远传功一能检测仪表，、水栗、投放药物的机器、鼓风机、卸料机等等这些设备般都带有一ＰＬＣ定的通信能力，控制站中通过线缆将实时的数据和运行状态发送到。（２）监视控制层监视控制层主要包括分布在园区特定位置的ＰＬＣ控制站和中央控制室内的上、３化Ｃ位机，此层是整个控制系统的核屯部分，个控制站中都有各自的控制柜和供电系统：。分别负责各自控制任务主要有水循环控制站、生化反应处理站、残留污，上位机则负责整个系统的监控泥处理中私站。水循环控制站，：主要对工序中的前几个步骤（相关的液位）实施监控另外现一些阀ｎ的控制也在这个站中场的水累和。２０\n第Ｈ章污水处理控制系统的硬件设计生化反应处理站，生化反应处理中包括很：该站中的ＰＬＣ２的功能是最重要的多如：ＣＡＳＳ池、ｐＨ中和池、加氯消毒池等，主要负责采集控制正在接受处理污水中的ＣＯＤ＞。２ＰＬＣ的、Ｈ值的参数的变化并加１控，完ｐ（＾制成污水处理的主要工作号１具体控制包含下列几种：（）根据测量实时进入污水处理厂的待处理水体的流量调一定的平衡的目的（２）控粗细格栅的相关位置达到控制其前后液位保持。对生化反、应中屯的几台鼓风机的进风量大小进行控制，因为生化反应的原因需要对反应池内Ｄ－的水体吹入大量氧气加快处理的进程，根据测得的ＣＯ／ＢＯＤ的数据通过４２０ｍＡ的电流信号控制变频器０－５０ＨＺ的输出进而控制风机的运行功率达到控制进风量的控制。残留污泥处理中也站：此站负责的是污水处理最后部分的扫尾工作，对处理过的剩余污泥相关的车间的运转进行调控。－３该污水处理厂控制系统的大体网络构架如下图３所示：二Ｉ信息管理层＾—二一Ｉ咚＿产—＇軍，＾Ｉ操作监控层ｌＯＯＭｂ／ｓ光纤工业臥太网现场控制层ＩＳ７－３００－－７３００Ｓ７３ＱＱＩ｜ｗ３－Ｂ乳呈．２異－，ｉｉｎａ飄２感誦Ｊ熙悼Ｊ１Ｉ｜私＾ｌａ國：：ｐ歷ｐ圆圆圆，＞ＩｊＩＩＩＩ２５３－２１巧－！ＭＢ些ＩｇｆｌｆｌＭ３２；目田ｆ！Ｉ胃；琴琴！进水站生化站污泥站图３－３控制系统网络架构图（３）服务管理层服务管理层的位于中和控制中也，主要指的是上位机控制系统软硬件的部分包括：电脑。，、传真机、路由装置服务于整个系统是人和机器进行交流的中介。可Ｗ在服务管理层全面的对整个控制系统实施调度监控。２１\n天津工业大学硕±学位论文３．３．３控制系统控制方式的选择根据本污水处理广项目现场的实际情况Ｗ及现有硬件设施的条件，对于具体的现场设备我们选择现场就地手动控制、分控制站中工业触摸屏（ＨＭＩ）的控制、部一分系统的全自动控制、中央控制室的远程人为干预控制，这四种控制方式有定的优先级别的区别，其中现场就地手动控制的级别在这几个当时是最高的，采取送些措施的最终目的是为了保障污水处理系统的安全运行，避免事故的发生。一（１）现场就地控制：在污水处理的工业现场每个设备旁都有个设备控制柱，通过切换控制柱上的就地远程开关旋钮来转换现场设备的就地远程控制，在就地的ＰＬＣ情况下，只能通过现场的控制柱上的开关来控制设备启停和参数设置此时远程无法发送相关的控制指令。２）：（分控制站中工业触摸屏（ＨＭＩ）的控制在各个ＰＬＣ控制分站中都配备了一个西口子工业触摸屏Ｓｍ０００圧レ一ａｒｔ１作为简单的画面和参数显示义及些控制权限方便控制系统的维护和设备的检修。（３）：部分系统的全自动控制顾名思义就是在没有人为干预的情况下，实现系统的自动化运行一些初始化工作Ｗ及系统运行所必须的条件发出。在操作人员完成一自动运行的指令后，控制系统么按照ＰＬＣ控制程序中所编写的指令进行自动完成些流程的动作。在平时的工作中可Ｗ节省相关的人力。当然，当系统出现状况发出相关的故障报警时还需要监控人员进行确认和解决。４）中：（央控制室的远程人为干预控制在中央控制室里，操作人员不用抵达实际生产现场就可通过上位机监控软件对现场的仪器设备实施远程的监视和控制。３．３．４污水处理具体设备及工艺的控制流程污水处理的过程很复杂，在整个的处理工艺中用到仪器设备也种类繁多，采用不同处理工艺的污水处理厂使用的设备也不尽相同，但是也有相同的部分，天津大港污水处理厂项目所用到的关键主要设备需要控制大体上包括粗细格栅的控制、进出水累的控制、引风机和鼓风机的控制、污泥粟的控制Ｗ及ｐＨ中和反应的控制流程。）（１粗细格栅控制一，污水中往往含有大量的杂物污水处理格栅是种可＾＾＾自动拦截并清除水体中各种类型悬浮物题的水处理专用设备，广泛应用于城市的污水处理过程中，在控制一系统自动运行的条件下，关于格栅的控制可分为两种形式，。第根据污水水位大２２\n第Ｈ章污水处理控制系统的硬件设计小的控制，在污水处理的过程中格栅的两侧各放置有液位传感器用来测量两边的液位大小，根据ＰＬＣ程序中的设定大小，当两边的水位差值到达执行条件时，ＰＬＣ将发出运行指令格栅自动运行进行工作直到液位回到设定值１＾＾内停止。第二，时间设定，在ＰＬＣ控制程序中通过延时启动和延时停止指令直接规定格栅的运行周期和运一行时间，这种方法般针对污水处理厂的污水来源固定或变化很小的时段。除此之。夕ｈ，污水处理厂的工作人员也可Ｗ随时使用手动开关肩动或停止格栅的运行一在设备工艺中，格栅和螺旋固体压缩机是在体的，。当格栅运行时压缩机也随之运行负责对格栅分离出来的固体杂物进行压缩方便接下来的处理。整个的开启一顺序是先开启压缩机进行预热运行，在其运行段时间后再启动格栅机。关闭时依３－４所示照相反的顺序进行。格栅系统的工作流程如图。■＂咨葡岳制方栅控制方式１式２，＿—，、／、＾１一》＜＾自动模５＾＞￣．＞就地控制自动模＾／＾＼／、丫丫ＹＹＩ￣￣＊＾＾，Ｉ！一格栅机运行＾ｉ检测液位羞Ｉ＂格栅机飾ｋ＇！停止＾’—————￣！ＩＩ！＇、人．、Ｉ＇看止啸旬＼－裔于设蒼Ｎ＇／、＇到？／、、、，值？ＬＪ＇Ｔｙ格栅机挣止Ｉ图３－４格栅系统工作流程（２）进出水粟的控制水累是所有水处理行业中必不可少的一种设备是进行水处理的基础。天津大港污水处理厂也用到了许多水累用来控制污水在整个厂区内的流动循环，对水粟的控一制般是根据相关的液位检测仪器测得的信息进行相关的动作，当系统设定某个工２３\n天津工业大学硕±学位论文艺反应车间内的污水液位为一个定值时，当ＰＬＣ收到的传感器检测到的液位低于这个值时就对水粟发出运行命令；当ＰＬＣ收到的传感器检测到的液位高于这个值时就对水粟停止运行命令（对于出水粟刚好相反）。由于每个处理环节都配备有几个水粟同时处于待机状态，在系统运行的过程中，编写ＰＬＣ控制程序时专口编写统计每个水系总共运行的时长，根据具体的控制耍求对所有的水粟进行轮番的使用，使每个水累的平均使用时间都大致相等，有利于各个水粟的硬件状态得到最大的发挥和避免资源的浪费，确保每台水粟都处于最后好的状态。－其控制流程图如图３５所示：水泉控制Ｉ启动１＃水粟ＩＪ？Ｎ－ｒ２ｓ—停粟ｎ惡延时６０ｓｊＩ报警指示图３－５进出水累的控制流程图（３）鼓引风机风机是为了向正在处理的污水中吹入氧气使污水中的生物作用和化学反应得充分快速的进行一，加快污水处理的效率。般的风机的控制都是通过变频器的设定来实现的。根据王艺设计的要求在程序中设定不同阶段所要使用的鼓风机的转速的，在化Ｃ中写好响应的转换程序－大小，通过控制器模拟量输出模块输出４２０ｍＡ的电流信号对应到变频器的０到５０Ｈｚ的频率进而控制风机的转速大小。相较于传统的开关量控制电机的启停而不控制电机的转速，这种方法更为符合当今社会所倡导２４\n第Ｈ章污水处理控制系统的硬件设计的建设节能减排社会的相关指示，而且根据现场测回的污水中的氧气含量的数据与一风机的控制形成个控制回路，能更好的实现污水中关于氧含量的控制，实现氧含量的稳定，保证后续王作的正常进行。（４）污泥系流进污水处理厂里的待处理水体经过各种污水污水处理工艺的处理会残留各种的污泥，，这些污泥中含有大量的有害物质因此整个污水处理系统中对残留污泥的处理直接关系到整个污水处理的成败至关重要，这个处理过程中中污泥累的控制是一关键，也和其他的水累样，污泥索也是依据相关的污泥的相关液位来实现控制的。在系统开始进行控制时首先对污泥池内的液位进行自动检测得出数据传送到控制器中，若是比设定的液位值的最值还要低时，说明需要打开污泥粟进行调节，根据程序中所设定的时间运行。如果在到达设定时间之前就达到了设定的最高值那就要关闭污泥粟进行报警一一。而当液面值直小与最低值时说明需要直进行抽取作业知道３－６所示满足相应的设定要求。污泥累的控制流程如图。污泥回流系▼检测污泥池水位、位？立？ＹＹｆＶＶ＾斤始定时开始定时启动污泥回流粟ＹＩＹ停止污泥回流累报警Ｉ■图３－６污泥泉拉制过程工艺流程图（５）ｐＨ中和反应池的控制位于生化反应车间的ｐＨ中和反应阶段是控制系统中的控制难点，整个的控制过程为；在开始阶段阶段先需要对每个部分进行初始化还原操作，待初始化化完成２５\n天津工业大学硕±学位论文一，开启污水排放水累、ｐＨ检测仪、污水漏合器后、药物投放器等。使污水从上个处理车间流入到ｐＨ中和反应池中，然后开启相关的仪表设备和数据采集装置，将污水中的各个参数数据收集到ＰＬＣ控制器中进行处理，得到相关的计算量后，ＰＬＣ数据发送模块将要执行的阀口开度大小时间等命令发送给执行机构进行动作再此过程中液位检测装置要时刻检测反应池中的液位大小变化防止污水的溢一出，经过段的反应时间后，污水中的Ｈ值己经达到设定的控制要求后ｐ，将反应池中的污水排一口６出到下个处理车间］，接下来循环进行上述步骤。送个部分叛及的执行机构和现场智能仪表较多整个的控制流程如下图３－７所示：１开始－―Ｔ初始化Ｉ启动运行设备＾！值／？／关巧水累值达标ｐＨ？Ｉ＾＞Ｎ？￣大于设定值？ｉ！／ＶＩＮＮ和一＾．开后阀ＨＡ开启阀０Ｂ＼￣￣阳值达标Ｃｆ？＞ｈｔＹ关话阀‘’ｌ］Ａ关巧阀ｌＢＩ４…Ｌ－…………丄Ｔ＇’、结束广ＩＶ．图３－７Ｈ中和反应池的控制结构图ｐ２６\n第Ｈ章污水处理控制系统的硬件设计３．４本章小结本章首先详细介绍了该污水处理控制系统的设计步骤和方法，通过分析工艺特Ｓ－点选作则ＩＭＡＴＩＣＳ７３００ＰＬＣ作为该控制系统的控制器，并使用该系列ＰＬＣ的通信模块ＣＰ３４１完成控制系统网络的搭建，然后分析该项目工程的具体控制需求，选挥合适的控制解决方案。最后再针对具体的控制任务制定具体的控制流程图，完成口７］整个控制系统的硬件部分的组建。２７\n天津工业大学硕上－学位论文２８\n第四章污水处理的广义预测控制系统方案设计与仿真第四章污水处理的广义预测控制系统方案设计与仿真４．１预测控制概述一些先进控制一样首先脱胎于某个实验理论预测控制不像其他，然后随着理论研究的深入再慢慢的被人们应用于实际的王业生产中．预测控制本身就是起源于实际的工业控制在引进了一，当其系列其它学科的思维方式、研究成果巧在实际的工，并业控制领域中不断的进步和完善一，逐渐成为种新型的计算机控制技术。上世纪五十年代随着战后世界经济的恢复和发展，现代控制理论也随着诞生。纵观过程控制理论的整个发展的历程状态空间法为代表的现代控制理论创立？些像卫星及在工业过程上的应用，大大推进了现代自控技术的发展。尤其是在、飞行器等高科技控制领域更是获得了举世瞩目的成果，世界的。但是在近几十年来工业制造规模不断扩大一、生产水平不断提高，在些特殊行业中被控对象的复杂程一直在提升度和非线性都非常的高，因此对现有的自动控制技术的要求也。现代控制理论在实际工业生产中的应用的局限性越來越多，大概的原因有Ｗ下几点：１（）要想很好的在实际工程中应用现代控制理论就必须建立对控制变量进行精准的数学建模。但是实际的工业现场不像实验室的环境，其具有很多不可控的因素一影响着正常的工业生产，因此很难确立具体精确的数学模型。即便对于些被控变量实现了模型的建立也会由于其过于庞大的模型结构Ｗ及工业控制的现实条件而无法得到理想的控制效果。２（）现实中的工业生产过程纷繁复杂，可能影响生产过程的因素很多，致使实际工业生产中往往具有非常高的非线性和时变性，。因此在这种环境下依据实验得到的建立的模型开发出来的的最优控制系统只是理论上的在实验室环境中的最优，当将其应用到现实中的工业生产过程之后就无最优控制可言在一些极端的情况下，下也可能适得其反，不仅不能优化控制效果反而使原有的效果降低严重的导致工厂无法正常运转。—（３）般的控制理论大都是基于单个的变量的模型来进行控制的分析研究。在这种条件下，Ｗ实验室为基础的实验结果十分令人满意。但是随着现代工业技术的发展，生产的产品精密程度也越来越高有些在过去可能无法想象的因素在当代的生，产中可能就会严重干扰王业过程的正常运转，因此要想得到良好的控制效果就必须２９\n天津工业大学硕±学位论文在设计控制方案阶段就必须将其作为一个控制因素考虑在内，满足多变量、多目标和有约束的条件。而这恰恰是最优控制理论最薄弱的环节，最难满足的控制条件。由于上述种种原因导致现代控制理论在现代的实际工业工程项目中只有很少的成功应用先例一。但是实际中对好的控制效果的需求又很迫切，工业过程控制急需些新的理念和方法来优化现有的控制系统。为了更好的应用于实际的工程项目，新的控制方法必须具有一下特点：１、需求数学模型不能过于复杂。２、控制系统在未知的变量作用下也能实现优秀的控制效果。３、控制算法易于推导，运算的速度不能过于缓慢，用来满足王业生产中的实时控制要求。现实的应用需求给传统控制领域提出了更高的要求，驱使人们去发现创造更符合实际应用的对模型要求不高、控制效果优秀、能的控制算法，结合当代社会科技，计算机在工业控制领域得到了广泛的应用水平的迅猛发展，得益于计算机的强大运算能力使很多前人们无法解决的难题都能利用计算机实现，在这样的时代环境中诞生了基于现代计算机控制技术为基础的预测控制算法。预测控制的基本思想如下图４－１所示：ｉＬ过去＊将来……―－——……设定值…哦平点林ｋｙｉ）／￣！ｉ。是＋，１（巧＾■＇＇？ｉＩＩ！１［１ｋ－ｋ＋Ｎｌｋｋ＋１＂ｋ＋Ｎｋ＋Ｎ＾＾控制时域Ｎ＂最小预测时域式￣＊最大预测时域４－图１预测控制的基本思想图中Ｕ（ｋ＋１为系统预测时域范围内各采样时刻療动优化的控制量，）ｙ化为当前，ｋ＋ｉ．采样时刻的过程输出ｙ是系统预测时域范围内各采样时刻模型的预测输出；（）；３，３０\n第四章污水处理的广义预测控制系统方案设计与仿真一Ｎ，Ｎｉ为系统的最为系统跟踪设定值的条平滑参考轨迹，ｕ为系统的控制时域长度小预测时域长度，Ｎ２为系统的最大预测时域长度。非线性预测控制就是基于非线性内系统的输模型作为基础，根据过去的系统输入输出结果来预测未来某段时域范围目标函数模型得到现在和＾＾后的出，再经过系统的约束条件＾及预测误差再次优化一的数，再利用新测得时域范围内各采样周期的最优控制量。在下采样时刻到来时Ｐｓｕｗｉ据重新对该过程进行优化控制。４．２广义预测的基本原理一广义预测控制作为种近几年迅速发展起来的预测控制算法，适用范围较广，一，并是种通过在线辨识获得模型参数，再利用模型参数实现未来预测和滚动优化一且在最小方差自校正控制的模型预测、最小方差控制等原理基础上而发展起来的一些系统干扰很多且，对于种自适应模型预测控制算法。对具体的模型的要求很低干扰类型复杂多变稳定性差的控制过程具有很强的适应能力。４－２所示其控制系统框图如图。设定值■＋’ｙ（，ｙ），ｊ轨迹－三参考？ｉ＿＿Ｉ［■ｉｍ＾ｉｍａｅＩ表）Ｉ１Ｉ＿Ｉ「在线校正＞１Ｌ－—＾—Ｉ＂巧）１预测模型＾少（巧）；图４－２广义预测控制系统框图１．预测模型一广义预测控制是种基于模型的控制，预测模型最大的特征是对未来的系统输未来的输入和输出要有预测功能，即根据被控对象过去的输入输出信息预测出系统一，也可Ｗ是些、传递函数出，可Ｗ是系统的状态方程。预测模型的形式多种多样，就可Ｗ作为预测控制的预测分布的参数数据，只要是有预测系统未来动态的功能模型。２．滚动优化３１\n天津工业大学硕±学位论文一一预测控制实质上是种预测未来的优化控制算法，使某目标函数最优，进而来确定未来的控制量及预测输出量，此目标函。用目标函数來确定系统未来的状态数必须要包括系统过程信息和未来信息。通常情况下，可取控制对象输出在未来采一一样时刻跟踪某期望轨迹的方差，给定，并使此方差最小也可Ｗ要求控制量在某范围内最小等等。３．反馈校正由于所建的预测模型不可能精确的描述系统的动态特性，还会出现模型是被的情况，。而且实际系统中经常存在时变性、随机干扰性等因素。预测模型的输出与一系统的实际输出必然存在偏差，这时就需耍个反馈校正环节将送个偏差反馈回滚动优化过程中，使优化得的不仅仅是预测模型，还将系统的反馈信息作用于系统的未来动态中。这样便减少了预测模型输出与实际输出之间的偏差。反馈校正使系统。具有了闭环控制的特性，提高了预测控制系统的鲁棒性通过Ｗ上对非线性预测控制原理的分析，有力的证明了非线性预测控制更加符合ｐＨ中和反应过程的不确定一个原因性与时变性的实际情况，这也是本文选用广义预测控制的。４．２．１广义预测的对象模型关于广义预测算法中两种预测模型分别如下：受控自回归滑动平均模型．ＣＡＲＭＡＣ－Ｍ－（ｏｎ甘ｏｉｌｅｄＡ山０民巧ｒｅｓｓｉｖｅｏｖｉｎｇＡｅｒａｇｅ巧ｎ受控自回归积分滑动平均模－－Ａｖ［側［叫［＂］型ＣＡＲＪＭＡ（Ｃｏｎｔ；ｒｏｌｌｅｄＡｕｔｏ民巧ｒｅｓｓｉｖｅｉｎ化ｇａｔｅｄＭｏｖｉｎｇｅｒａｇｅ）。Ｈ中和：在污水处理ｐ过程中，两种常见的随机干扰是当污水中的某个参数含量由于来源污水成份的变化导致的睹增可归结为阶跃扰动和化学反应中可能出现的布朗反应。在此条件下使用ＣＡＲＩＭＡ模型对系统进行研究分析比较合适。因此本课题采用ＣＡＲＩＭＡ模型来对ｐＨ中和过程进行研究。其离散型差分公式如下所示：－－１ｉ二一之公１－）ＺＣ？ａ（４１＜仁＋２４（））（）（〇／－ｉ１＝Ｗ不被控对象的输入值ｌ－＾似、＞似和似分别表、输出值和白噪声值，Ａｚ表巧＾－公－／差分算子。．且、的多项式仁＾是后移算子ｑ，－―！］二—＾１１＋之Ｈ＋幻仁）巧－１…巧二文４－２＋Ｈｈ（）却…＿—ｉｉＣｚ二＋—ｌ＋ｑｒ（）３２\n第四章污水处理的广义预测控制系统方案设计与仿真由于在实际押中和过程中，Ｗ干扰巧处于实时变化的状态，为了突出问题和１（简化运算，因此可令：：！片＾，可得广义预测的性能指标函数为：－１二－ＡＭ－１？＾Ｓ｛＋＋２ｒ＋／［（ｙ－）於畑艺兰Ａ（）ＰＷ）（４３）片片式中，巧是被控对象的输出。为了获得第ｊ步后输出抑哨的最优预测值，Ｎ是预测时域，结传勺满足Ｗ下条件：＇＇＇＝…－４幻Ｚ《＋＋＋（４）（）；如如－１二…＝Ｚ如（ｊ２，３，，Ｎ）如）此时使用Ｄｉｏｐｈａｎｔｉｎｅ方程：＿－－－ｉＪ＇＝－５１ｚｚａ＋ｚＺ（４）与（中（）巧（）－－－－－１＇１＾１＝方＇Ｚ．Ｚ＋２好乙／（衫仁）巧（）／）－－／＝ｉ２－，，，／，其中，７，，Ｗ并且巧巧６巧为关于ｇ的多项式，阶次分别为户，《。，／灼－／６。－１’＇三．．．与＾１＋＋＋《户（）如州—１．．仁＋知＋．＋。４尸—－－１＇州二．１＋Ｚ＋２备＿各，巧（）／戸以＇＇．．＝．．ｚ＆＇＇Ｈ＋月Ｚ＋＋ＡＺ（）０，ｉ，＋ｉ＇，／，，，，，ｉ－运算左右两边都乘ｒ－对公式（４１）进行＾／Ａ入公式（４５）可｛巧（），并代化简的到在ｋ时刻后ｊ步最优预测ｐＨ值为－－－１’’１＝－Ｚ＾＂１？＿６ｙ杉＋ｙ＇＋＋ｆＺ＋＋Ｚ＇＋（４）。）马（Ｋ仁）（？／）（碱（■／）／）与（）由公式（４．１）、（４．３）、（４．５）可得＝－－－ｙｔ＋ＧＡｉ／ｆ＋＼＋Ｆ＞ｔ＋Ｈ＾ｕｔ＼＋ＥＣｏｔ＋（４７）ｉｊ）（ｊ）｝｛）ｉ）ｊｉｊ）＾ｊｊ忽略时间ｔＷ后的白噪声Ｅ脚的）后，则巧时刻ｙ（ｔ＋ｊ）的最优预测值的向量形式可写为：３３\n天津Ｘ业大学硕±学位论文＝—－Ｇｕ＋／＋ＷＡｗ／１＋怎（４８）ｙ巧）（）（其中：Ｔ■＝．．．＋－Ｉ／Ａｗ／．．Ｖ，Ａｗ／［（，〇］（）Ｔ．．．ｆ＝．巧．Ａ［］，－］ｉｆ＝好［二．．．１４十１怎．＾十ｊＶ心）：，心）［马＼，］各００Ｓ］各０＇Ｇ＝…各Ｗ－ｉ各－．Ｙ２各０，，■？．－．客巧－１客－—．Ｙ２各ＡＷ＂｜＿，＿Ｔ＝．．．ｆ－ｌ＃４３）定义＋．？＋根据Ｗ上定义公式（可写成ｋ（），，义（八，）］ｒ＾二－－９）？八．）＋＂＜？＂ＷＪ－＾＇－ｌ＇ｘＮ矩阵＝＝．．＇其中０是Ｎ：ｅｄｉａｇ之＋ｚ＋＋并且｛０（）｝ａ０，斯＝航．．．０吕，０｛如如｝．＝出巧０．．．〇＝．．．／２乂／谷如，，，｛｝Ｆ，Ｈ值的输出参考轨迹，在通常情况下，参考轨迹取９是误差系统矩阵ｒ是ｐ一当前时刻实际输出值与参考值的阶指数形式：＇＝１－＝－－－０＜〇ｙ＋。．／＋口＜！／１２ｒ■／），少（，），，，，仁（）乂（）－－其中，４８）４），Ｊｙｓ是ｐＨ输出的设定值。将公式（代入（９则向量取得最小值时的得到系统的最优控制律可写成：３４\n第四章污水处理的广义预测控制系统方案设计与仿真—＇＇－－－－／估＼＂／＋口（４１０）＝护６＋护巧１打（］＜？〇）［六）（）Ｓ如（＝ｉ＼４．３广义预测控制在污水处理ｐＨ中和阶段的研究４．３．１ｐＨ中和过程模型的建立本课题论文中参考设计的污水处理ｐＨ中和阶段的预测控制的原理结构如下图ｔ＂Ｉ４－３所示，污妃Ｈ值干犹控制量输出值閒閒设定值似）＋ｉ１雌Ｉ—■＾＾？＾＾？参考轨迹？ＧＰＣ控制器？巧中和过程ＨＳＨ＾—？离线辨识ＩＣＡＲＩＭＡ预測模型图４－３污水处理Ｈ中和阶段的预测控制的原理结构图ｐＨ中，根据第二章对ｐ和反应机理的分析，可分析推导整个反应过程的数学模型４－－１１（４２）所示：如（）、１鱼拉＝（－。／—化：Ｆ／４１Ｆ＋１［〔＋的Ｖ的的２，（ｄｔ－２－’（４１）＇ｉ４＇（＇＂））＝－ｌ（雄１０Ｐ）４－）、－－，如（１３将（４１１）、（４１２）离散化得到了ｐＨ中和过程的离散化数学模型－（４１４）所示：＝—化：７（４－３２１）ｘＡ＋１ＦＡ＋；！：ｃＡ＋（）（）（Ｆ（０，３５\n天津工业大学硕±学位论文‘＂２＇，ｘ－ｘ＇Ａｌｏｇｌ０ＪＡ１０２．５ｘｌＯｙ）４ｌ（）（］〇ｅ口＾［＇ｙ＿（４１４）ｌｏｇ１０．，由上述数学模型可Ｗ得到，控制器输出的ｐＨ值ｙ的由状态变量Ｘ阳所决定当Ｆ（４－１１酸液或碱液的流量为定值时，Ｘ的可Ｗ通过公式）中的Ｕ（ｔ）来实现调节，因此从推导过程看到整个中和反应过程表现出来的非线性很严重，而且当ｐＨ值非常＾＝７１］接近阳的控制值时整个的控制效果变化非常惊人。根据上面推导出的的ｐＨ值控制系统的数学模型及对广义预测控制的基本理论的详细分析，可Ｗ得到如下的离散时间非线性模型来描述：ｘ二ＸＪＪ（４－１５）ｋＡ）ｗ．ａｋ＝Ｘ＋４－１）ｙＳｓ（６ｋｉ，），ｋ，，化为ｋ时刻操作变量，其中坂为ｋ时刻状态变量（即为输入变量）ｙｋ为时刻被控变量。设当前输出的预测值与测量值之差为ｂｋ，即＇＝－－ｙ（４１７）ｈ＾ｙ，根据上式经过模型校正后的未来ｊ步模型预测输出为－＝．＋（４１８）乃．＋各化＋）／至此建立了Ｈ中和反应过程的广义预测模型。ｐ４．３．２系统仿真实验及控制性能分析４５Ｈ［］为了验证广义预测控制算法对ｐ值控制的效果，本文通过搭建数学模型的ＭＡＴＬＡＢｉｌｉ形式，使用软件的Ｓｒｍｉｎｋ仿真工具对控制系统进行仿真实验，仿真研究针对的是酸性污水处理环节，通过投入碱性药剂进行中和，达到污水处理的目的，Ｈ中２－和化学反应机理的分析公式１１），可根据第二章有关ｐ（结合本章的论述换算为：ｆＡ－—Ｆ＝’。６。＋巧〇（＞的）（〇（ｙ（〇）－＜（４１９）＾－挪＇（＂）州ｙ的＝！〇＿１〇乂３６\n第四章污水处理的广义预测控制系统方案设计与仿真－４建立起的ｐＨ中和反应模型如下图（４）所示：—酉ｒｔＢｉｗｄｅ＾Ｃ３ｉ旅巧打Ｈ＂＾〇￣Ｉ§打如，ＫＤ－．、Ｏｔｕ？唯ＩＩｆ；ＨＴＣｆｉｔｌ￣￣￣￣－＝０￣￣Ｓ。ｔＰ化１，口Ｍｔ？ｔｏ１Ｉｒ：ｅｇ忙１？！化。ＩＳｕｂｓ焊抑Ｉ？７￣￣１ＩＩ［：＇２＼．如１，（ｒ）？Ｈ＿＿｜＇ｉｆＨ１ＦＷｄｕ出。巧洗，５巧图４－４Ｈ中和反应机理模型ｐ４－５对应的污水处理控制系统中的ｐＨ值控制系统的仿真模型如下图所示：＾１巧Ｊｉ？巧Ｉ１Ｉ－＊＾卿。ｒｖｉ＾＞ＩＩ，，？贿？＋？邸鸿邻ｔ？？｛）１ｌ￣Ｈ？ｐ？诉ｉＪ？ＬＩＩＩ—￣＊ＩｒＩｆｎ衝１［树ＵＤｓＩ？巧巧权ｊｐｅ？故■－ｆＨｆｄｌｅｓｅｎｃｅｐｒａｅ１ＧＡＬ－ＫＤｊＯｕｌｔ？ｓ昨巧ＩＩ］输＞Ｉ￣？Ｓ骑ｔ＾的？＂离Ｓｉｆｂ５ｎｔ＞ｊＩＣｉｏｎｓｔａｎＩＩＩｊ？１＞Ｉ１ｙ餐—Ｃｗｉｓａｎｌ／｝。＇。，？巧城沁ＩＩＣｓｎｓｔａ地■？巧厂ｍＫＮＭＰＣｔｅ！图４－５Ｈ值控制系统的仿真模型ｐ－４对于图４Ｉｎｉ为系统的被控量即反应过程所需投入的中和药物的量，要完成－整个仿真实验，首先需要对各个变量进行参数设定，具体数据如下表（４１）所示：３７\n天津工业大学硕±学位论文表４－１初始参数设定值参数类型初始设定值参数类型ｉ初始设定值反应池体积ＶＩ２Ｌ８比／ｍｉｎＦ２碱化液浓度水自平衡Ｏ－＾．Ｏｌｍｏｌ／１？Ｉ０ｅｌ４ｍｏｌ／ＬＣ吊数Ｋａｌ０ｏｉｍｏｉ０８．／Ｌ柔化因子ａ．Ｌ２＝ｐＨ值的控制目标为ｐＨ７，确定上述参数后将广义预测控制与传统ＰＨＤ控制的４－６仿真结果进行对比如下图所示：！Ｉ３Ｉ１１１１ＩＩ［ＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ－Ｐ－７ＩＤ．２…－Ｓｅｔｖａｌｕｅ－－７．１／＼＼Ｉ？！？，＼厂—．－…－…—了ｒ…１当／５６－；－．９６－－．８（，７６—．７－ｅ．ｅ｜６．５０１２３４５６７８９１０Ｔｉｍｅ：ｔＵｎｉｔ：ｍｉｎ（）图４－６广义预测控制与传统ＰＩＤ控制的仿真结果进行对比一户３００－在ｓ时间对控制系统施加个干扰后得到的仿真控制图如下图４７所示；３８\n方案设计与仿真第四章污水处理的广义预测控制系统Ｉ＊Ｉ＇Ｉ７＇ｉＴ．３１１ＧｅｎｅｒａｉＣｏｎｔｌｉｚｒｅｄｉｃｔｏｎｒｏｌｅｄＰＰ－ＩＤ７－．２ＳｅＡｔｖａｌｕｅ／＼—７－．１ｆ＼＼Ｉ￣￣￣－，．一—７Ｊ各＇＇＇＜Ｄ－Ｉ６－．９／吾ｒ－＿Ｉ－６．８＼：＼１］＿６．７ｋ！－６－．６ｊ１１＞－－—Ｉ！？ｃ１１１ｉ１０己６７８９１０１２３４Ｔｉｍｅ；ｔ（Ｕｎｉｔ：ｍｉｎ）图４－７广义预测控制与传统ＰＩＤ控制施加干扰后的仿真结果进斤对比Ｈ通过仿真图形可Ｗ看到，针对污水处理ｐ值的控制广义预测控制系统的调节时间更短、超调量更小更稳定，在追踪ｐＨ值的轨迹上，广义预测控制由于传统ＷＤ。控制，广义预测控制表现出更好的抗干扰能力。当出现外界干扰时４．４本章小结本章详细描述了广义预测控制算法的来源和发展，给出了明确的推到步骤并结合第二章中关于ｐＨ中和过程的分析，提出了关于广义预测控制在污水处理过程中，Ｈ立系统的预测控制器，并推导出相关的数学模型最后使ｐ值控制的控制策略，建用ＭＡＴＬＡＢ软件中的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真工具进行仿真实验得到仿真图形，经过实验分ＰＩＤ控制在污水处理的ｐＨ值控制方面具有更析，表明广义预测控制相对于传统的好的控制效果和抗干扰能力。３９\n天津工业大学硕±学位论文４０\n广义预测控制的应用第五章污水处理控制系统的软件设计及用第五章污水处理控制系统的软件设计及广义预测控制的应－Ｃ天津大港污水处理厂控制系统采用的是西口子Ｓ７３００系列ＰＬ作为控制器，Ｗ（、电磁阀口、水上位机监控软件采用ｉｎＣＣ。将污水处理现场的执行机构如电机累等日反应池温度、流量、液位、）的数字量信号和现场就地仪表的模拟量信号巧ＰＬＣＣＰＵ并上传到上位机中，实现对整个污水处理ｐＨ值等）等过程数据采集到的厂的智能化管理。５．１污水处理控制系统的程序设计５丄１下位机化〔程序程序的设计一Ｗｏｗｓ系统的针对Ｓ７－３００／４００、ＳＴＥＰ７编程软件是款西口子开发的基于ｉｎｄＣ编程软件，是西Ｍ７、７等控制器和基于ＰＣ的ＷｉｎＣＣ的编程、监控和参数设置的，主要为用户开发ＳＩ，功能非常强大口子系列工业软件ＩＭＡＴＣ的较重耍的组成部分工具来使用。ＳＴＥＰ７控制程序所使用，同时也可作为实时监控用户程序执行状态的－１：程序的构成如图巧）所示ＳＩＭＡＴ忙截理黑通讓组燕饋巧组态ｆ号鑛鱗器編覇谣言硬轉蔭鶴占：１貧标准软轉包＾看．一Ｉ，５－ＴＥＰ７图１Ｓ程序网络结构图Ｐ定义程序，前者主在ＳＴＥ７程序中，程序可分为两种固化系统程序和用户自ＣＰＵ要用来执行控制系统运斤所必须的程序其与具体的控制要求没有关系，例如：ＰＬＣ程序、处理ＰＬＣ自主诊断、刷新Ｉ／Ｏ模块的过程影像表、调取运行用户自定义４１\n天津工业大学硕±学位论文运行过程中的错误、调节ＰＬＣ通讯等。而后者是用户根据具体的控制要求自定义的程序主要完成如一：实现控制要求、对采集数据进行处理等。般情况下，我们所编写的程序也大都包括这两种程序。ＳＴＥＰ７软件的编程语言使用的是国际通用的ＰＬＣ编程语言主要包括Ｗ下几种：梯形图（ＬＡＤ）、指令表语言（ＳＩＬ）、功能模块图语言（ＦＢＤ）、顺序功能流程图语言（ＳＦＣ）及结构化文本语言（ＳＴ）。ＬＡＤ、ＳＦＣ和ＦＢＤ是最为常用。１．梯形图语言（ＬＡＤ）梯形图是一种最为形象容易理解的ＰＬＣ编程语言，其来源于传统工业控制系统中的继电器和接触器，符号也是相关的电气符号的转化因此也是被使用最多的ＰＬＣ编程语言一。梯形图通俗易懂，但是对于些及其复杂的控制要求使用梯形图进行编程比较麻烦容易造成使用者的逻辑混乱。２．功能模块图语言（邱Ｄ）功能图是一种与数字逻辑电路符号非常相似的ＰＬＣ编程方式，类似其中的与或非关系对应不同的功能模块，具有较强的直观性，方便编写逻辑复杂的控制程序。３．顺序功能流程图语言（ＳＦＣ）一是种的语言形式和高级汇编语言的助记符很相似一，个完整的命令由操作码和操作数组成一，对于些具有汇编基础的工作人员具有很强的适应能力，且适合使用手持编程设备对控制器内的程序进行创建和修改，操作便捷节省时间，容易记忆一和掌握且与梯形图等语言有一对应关系易于两者之间的转换。，，一‘在ＳＴＥＰ？中用户的自定义程序般都被放置在被称为媒的结构中包括：组织块（０Ｂ）、功能块（ＦＢ）、数据块（ＤＢ）、功能（ＦＣ）。它们之间的关系如下图５－２所示：￣撼作凉窺——ｒ１１１Ｉ１郎ＤＢ￣￣争Ｉ夺＊＂＊１幸ｔＪ’１＿＿ｉ＾＾：；弟ＦＢ与巧ｆｃｚｔＳＦＣ瑕削饼｛；ＡＩ过巧盤织块＿ＬＬ＾ｊ而ＳＦＢ图５－２程序块关系图４２\n第五章污水处理控制系统的软件设计及广义预测控剖的应用台’确保整个其中，组织块（０巧是用户自定义程序与系统进行数据交换的平０Ｂ块可Ｗ分为数个有区别的类型对应控制系统程序地安全运行，根据系统的不同ＢＳＦＢＦＣ、ＦＣ。不同的０块０Ｂ块可Ｗ使用、Ｓ不同的优先级，但是作为系统程序对应着不同的系统功能，例如：０Ｂ１是主程序循环执行块，作为整个ＰＬＣ程序的开一始７－３００化Ｃ在上电运行第步都要执斤０Ｂ１。，任何Ｓ，功能块ＦＢ和功能ＦＣ里的程序可有用户自由定义，两者功能差不多但是每个４６［］ＦＢ都有对应的数据块ＤＢ用来存储其专有的过程运行数据备调用。２Ｈ中和反应池控制５．１．程序的设计ｐＨ中和反应池是大港污水处理厂处理污水的重要环节，在ｐＨ中和反应池对经ｐ过上几步处理过的污水进行酸碱中和满足国家排放标准，因此ｐＨ中和反应池的控制系统也是整个污水处理控制系统的关键，控制系统的性能直接决定了整个污水处Ｓ７－３００ＰＬＧＨ中和阶段的运行，系统米用西ｎ子作为理厂的处理能力。为了保障ｐ境需求Ｉ／ＯＨ中和池现场的数，采用分布式模块采集ｐ控制器，并考虑到现场的环字量（电机和粟的运行或故障状态等）信号、模拟量温度、压力和鼓风机的运行频０ＰＲ０Ｆ－１ＩＢＵＳＤＰ协议实现数据的传输。率等）信号。控制器与分布式通过－其网络组态如下图５３所示：＇：：＾＾……．，：＞：＇、＇化：。’古芒：苗＞：＞这奶掛站贈巧族：＾嘴＇＾＾＾＾＾度毎苗絕＾．＾＾＾＾＊、．＂，芦给＇的：巧甲皆省巧苗￡苗护、々麟嫂站资＾＾＾＾＾＾＾＆＾、专弟載ｐｒ巧ｉ■＂＂■■＾ｐ；……——ｉ＿推皆！｜紀‘；；；？１扫４〇？巧式，寥於Ｖ：—１巧Ｔ；，…！ＳＩＭＡＴＩＣ３００（１）ｉＩｇｎ品：产己］ｉＩＩｊ巧：因因Ｉ＇ｔ■＝＾ＩＩ＇‘１ＳＩＨＡＴＩＣＰＣ站点（）３Ｉｊ巧字ＩｉＳｉｉＭＩ…－Ｉ５３－１議巧１；Ｉｉｌｆｆｐ！Ｉ，Ｉ—＇ｔ■Ｐｉｈ＝ｒｎｅ（ｉ．；；ｋ－＂＂。＇玉巧１；１。１這化＂＊１。扣別ｇ書ＩｉＩ！＇Ｉ图５－３ｐＨ中和反应池控制站化Ｃ网络组态图５－的分布式Ｉ／Ｏ的硬件组态如下图４所示：由于现场要传送的数据较多，采用４３\n天津工业大学硕±学位论文任）插入（Ｉ）ＰＩＴ视图１１ｔｙ：￡口州）帮助㈱喃站点的编揖）选项）窗图？－：□法登螺ｉ＃电曲幽巧ｌ１廊：號ｌ＾ｊ＇。—ＩＡ－？节邮１抓ｓａ）ｉＴ１氏严言！：ｒＦ主巧系說（１）４。１品１＿ＪＥ＿＿．．－－二’，ｉ画１Ｐ；．＜．！ＩＭ－？Ｉ感巧）１５３２；Ｉ与：．．插．憤块．．订：贵号．．．Ｉ．．．日地址注择）１￣．ｒｒ“一＂＇＇￣＇＇￣－－愚Ｉ出妨３巧巧巧３２ＭＣＳ－［没孤煎４５？￣＇￣＊Ｉ＊Ｉ￣￣＾Ｔ－－＾ＣＩ３２ｋＤＣ２４Ｖ６ＥＳ７３２１ｌＢＬＱＯＯＡＡＯ０＾ＴＩ＇＇＇－－５ＩＤＩ３２ｋＤＣ２４Ｖ６ＥＳＴ３２１ｌＥＩＤＯＯＭＯ４．．．Ｔ＇——＂－－：一ＤＣ２４Ｖ／〇心ｉ三：６ｉｉＯ．．．：５邮３过，己日ＥＳＴ３泣１皿：日ＣｊＡ０３￣￣１１－－７ＡＩ８ｘｌ３Ｅｉｔ站巧３３１１ｉ邸０２０ＡＥ〔＾．．２Ｉ，，１—抽Ｓｘ－－８ＩＳＥｉｔＳＥ巧３３１１邸日２０诚０函庐＇￣—ＩＩ－－＇９ＡＩ￡ｉｘ巧Ｂｉｔ陆Ｓ７３３１１邸此ＯＡＢＯ如４．．．；＇￣￣１１－＋－１０ＡＩ８ｘｌ３Ｂｉ１ＩＩ．巧己７３３１邸Ｃ旺０ＡＫ３２Ｏ．．．；￣－－１ｉａＩ＆陆５７３：１：；巧Ｂｉｔ３１１旺］２日证日３３日．．．：；Ｉ｜｜－—－－２Ｔ２巧｜Ａ０８；：１２Ｂｉｔ站巧３並日曲０００诚０．．．£ｉ｜图５－４分布式Ｉ／Ｏ硬件组态图一些如在ｐＨ中和反应池控制系统中有ｐＨ检测仪、温度计等测量设备、液位计－２０ｍＡ－采集到的现场数据都是４的电流信号，而Ｓ７３００模拟量采集模块将其转化为０－２７６４８范围是的整数，在程序中需要将其进行转换成我们所熟知的实际ｉｎｔ型数据参数。假设实际工程数据的上限为ＷＺ／Ｍ，下限值为ＺＯＺ／Ｍ，控制器内部整＿＿型数据的上下限为必１、Ｋ，，系统采集到的整型数据位ｗｒ（ｗ），分析可知系统转化ｆ／ｒ后工程值ｏ为：＝ＩＮＴＩＮ－Ｋ－ＭＯＵＴＫ！ＬＩＭＬＯＬＩ＋ＬＯＬＩＭ｛｛））｛，＿）＿，＿工程数据与控制器采集到的整型数据转换的程序实现如图５－５所示。在程序块中，＃Ｗ０是模拟量通道数据，＃Ｗ１＃／Ａ口分别为工程数据的上下限值，＃ＯＬＴ为工程实际值。通过程序转换即可在模拟量模块采集到数据之后来得到现场实际的工．４４\n测控制的应用第五章污氷处理控制系统的软件设计及广义预程数值。的ＲＣＭＰ巧８Ｍ。＾ｆＤ！－＂１領ｎＥＨＥ瓶——陆ＳＨＯ０妨抑；ＪＩ册５．－＇４巧別１Ｍ－巧０抑－ｍ师日挪１：化沿舶—顿姻ＵｅｍｐｊｏｕｔＬｓｔｅ＇０００００００ｓ＋．０００—Ｉ蛇＞ＭＯＶＥＣＭＰＲ｜—ＨＯ－：抑Ｅ：｜－巧石ＭＰ日—ＯＴ巧Ｅ—Ｉ化巧抓巧巧Ｕ厂００日ｅ＋．如如ＯＱＯ－ＩＨ２程序段２：禄题：ＲＤＩＶＳＵ白Ｒ－孤阳抑０—ＥＨｆ巧４故牛－２．０＊！—巧１抑Ｉ巧抓巧谢Ｉ０ＵＴ＃ＴＥＨＦ７０４－ＩＨ１Ｏｐ巧化２－ＩＨ抓邮巨－ＩＨ２：３：程序段：标题邱〇口＂—§＾—＾）：一邸１＾邸＾牌淵邮９打ＥＨＦ９－１化Ｔ撕讯３ｆ，１Ｆ８－０的抓押Ｅ－－ＥＨＰＳＥ１化ｉｍ日Ｉ１Ｕｉ机掛；：厂广励邮：画了－工邸巧－股－限图５－５Ｓ７－３００ＰＬＣ模拟量转换程序截图＾５２上ｉｎＣＣ组态画面的创建．位机Ｗ工业朝着可视化’基于王业控制计算机的监控组随着过程、智能化方向的发展态软件也被越来越多的应用到工业过程控制系统中，通过在上位机的监视和操作对工业生产过程进行实时的管理’达到安全高效的自动整个，监控各项工业流程指标一控制下功能：。因此上位机组态软件监控系统应满足１．现场数据的实时采集和处理能力过程工业最重要的就是要对其能进行实时监控，在工业生产过程中会产生大量理，进而输出、采样和预处的检测信息数据，上位机要对这些数据进行必要的测试到各个执行机构中，现场工厂人员能通过对采集到的数据的分析把握生产过程的状况。２．监控判断能力一监控人员通过对生产过程传送上的数据进行研究、归纳等进行再次的运算处理，建立包含当前数据和历史数据的数据库。对于需要控制系统进行输出的重要处４５\n天津工业大学硕±学位论文理结果需耍现场操作人员进行研究分析确认实现对整个生产过程的监督和干预，间接的作用于生产过程，从而确保生产的正常安全运行。３．数据传送与控制能力一对于个完整的上位机监控系统来说，上位机与其他监控的上位机Ｗ及外部监控检测装备之间进行通信数据的交换是十分必要的。通过这些数据的传输、信息的交换、通过人机交互窗口对整个控制系统进行信息的提。操作人员就可在控制中屯取和加工，而不需耍深入到工业实际现场就能预先设置控制指令完成对生产过程的直接控制。一Ｗ上几个功能是个安全可靠的上位机监控系统所必须的，利用上位机强大的数据采集、处理能力把安全、高效自动化控制应用到复杂的工业实际生产过程中去，推进工业自动化的智能程度。一一设计个工业过程的上位机监控系统大概有下几个步骤：一（１）创建个新的项目文件，用来专口存放该项目的相关材料文件。（２）根据项目材料编写制定硬件设备和项目中使用的变量表，并添加到项目工程中。一）（３创建工程绘制监控系统的人机交互界面并与上步中工程变量相连接，完成现场数据的实时采集显示。４），（编写控制和数据处理命令实现上位机对现场设备的有效控制。（５）完成上位机蓝控系统的设计并进行仿真实验，查找可能出现的问题。（６）抵达现场进行现场调试，解决现场遇到的难题。５．２．１上位机组态软件的介绍天津大港污水处理厂控制系统的使用的是西口子公司开发的上位机监控软件ＷｉｎＣＣ。负责整个污水处理控制系统监控画面的动态实时显示、现场数据的处理及存储一、数据的交换。ＷｉｎＣＣ作为集数据采集和对设备进行监视控制与体的ＳＣＡＤＡ系统，具有优秀的开源性和灵活性。其依巧王业控制计算机，利用其强大的处理能力实现ＰＬＣ控制器与上位机监控系统实时的数据互换一。作为款全球通用的上位机监控软件ＷｉｎＣＣ有Ｗ下优点：（１）丰富的硬件和协议支持，提供工控领域通用的通信协议（如：Ｍｏｄｂｕｓ、ＰｒｏｆｉｂｕｓＤＰ、Ｅ化ｅｒｎｅｔ等）和西口子自身的特殊协议，可Ｗ适合绝大多数工业生产过程的使用；（２）将人机交互界面融入到整个的智能化自动控制系统中；４６\n应用第五章污水处理控制系统的软件设计及广义预测控制的，节省升级生产过程的时间提高生产（３）可ｙ？根据需要对卡件或附件进行扩展效率；（４）全方位支持ＯＰＣ通信服务，既能作ＯＰＣ的客户端接收数据也能充当ＯＰＣ服务器发布命令。与需要数据进行远传的项目，ＷｉｎＣＣ提供的Ｗｅｂ发布功能方便．４７［快捷［］气５．２．２组态界面的绘制污水处理的上位机监控画面包括控制系统的工艺流程图和设备控制图，依据污水处理项目的具体要求和现场实际情况绘制人机交互界面，方便现场管理人员对整、，在总控制中也操作个污水处理厂的运转实时监控，并对现场设备进行准确操作站的上位机的屏幕上显示当前污水处理的各个工艺环节的实时状态、仪表设备的工作情况。、ｐＨ值等生产数据、污天津大港污水处理厂的组态画面主要有：用户登录管理界面水处理厂平面王艺流程图。分布图、生产过程数据汇总图、报警记录图等、控制１．首先是用户权限管理界面—Ａｄｍｉｓｒａｏｒｏｕｉｎｔｔｒｇｐｍｎｓ＞ｔ｛登录再ｉｉｔ咖印加ｐａ郵Ａｄｍｉｒｉ抽ｒ牺ｒｇｍｕｐ□巧里过芯）ｔ卡登录｜｜｜｜ｆ？：ｐ□雌■登录一—自动退出写￣￣＂扣马０‘！知巧之后Ｓ］Ｉ￣＇￣ａｌｌ巧取１ｊ用戶昔理：ｐ１２变量输入￣Ｏ￣￣程控制Ｐ￣４画旧编辑：Ｈｉ：５巧巧画面：：８￣＾６窗口选择：Ｑｉ疆颈〇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应用语言作为于矩阵和向量计算的工程科学软件包，能为使用者提供巨大的数学运算能力，能轻易实现先进控制算法的计算和仿真任务，同时ＭＡＴＬＡＢ中包含的各种各样的王具，可１高效的解决很多特殊的难题，如＾１：系统辨识、小波分析、数字信号处理等。在王业控制领域，结合上位机监控软件ＷｉｎＣＣ的人机交互和ＰＬＣ控制的优势。ＷｉｎＣＣ一ＡＴＬＡＢ作和ＰＬＣ作为控制系统的主体完成般的控制任务，而Ｍ为运算工具在后台通过ＤＤＥ通信对ＷｉｎＣＣ采集到的数据进行复杂控制算法的运算，从而实现先进算法在工业实际过程中的应用。ＷｉｎＣＣ与ＭＡＴＬＡＢ通过ＤＤＥ通讯交换数据实现广义５－预测控制的结构框图如下图１４所示：上位机ＭＡＴＬＡＢ＊＂ｉ产辛＂ｌＤＤＥａｆｉＧＰＣ算法ｉＬ＿＿」ｉ＿＿￣＿￣———－—－￣—一ｊｉｒ１？ｉＰＬＣ控制器现场设备仪表图５－ＨＤＤＥ通信结构示意图动态数据交换ＤＤＥ（ＤｙｎａｍｉｃＤａｔａＥｘｃｈａｎｇｅ）是Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ公司的Ｗｉｎｄｏｗｓ电脑系统中应用程序之间的通信机制，其ＷＷｉｎｄｏｗｓ内部的消息处理为基础。通过在不同的应用程序中不断的插入不同类型的ＤＤＥ消息来实现数据连接的建立和数据的ＤＥ一一一交换，在Ｄ通信中般个应用程序作为服务器负责发送数据另外个作为客户端负责接收数据，根据不同的回话方式可分为热链化ｏｔｌｉ址）、温链（ｗａｒｍｌｉ址）、５３\n天津工业大学硕±学位论文一冷链（ｃｏｏｌ山止）Ｈ种，当服务器里存储的数据发生变化时，服务器就会向发送一个指令通知客户机，再由客户机想服务器发送条数据请求指令，进而服务器将变化的数据发送给客户机。５．４．２在ＷｉｎＣＣ中关于ＤＤＥ通信的设置一，在运行ＷＷｉｎＣＣ作为款方便快捷的ＨＭＩ组态系统ｉｎＣＣ和ＭＡＴＬＡＢ的上位机中，ＭＡＴＬＡＢ是作为客户机应用程序，当用户启动项目文件时紧跟着也就启动了Ｗｉｎｄｏｗｓ系统的ＤＤＥ通讯服务了，通过ＤＤＥ服务器应用程序选择客户端应用程序ＭＡＴＬＡＢ想要访问的的变量。设置步骤如下：（１）启动ＷｉｎＣＣ系统软件，在任务管理器中找到Ｄｄｅｓｅｒｖ．ｅｘｅ应用程序并设置，找到后确认为启动。在此过程中选择该项目所要运行共享的变量名称。“。（２）在Ｗｉｎｄｏｗ系统的控制面板中服务选项找到ＤＤＥ通信界面，启动ＮｅｔＤＤＥ服务选项，这时系统将自动安装启动该服务选项。＂’；ＤＤＥ（３）使用Ｗｉｎｄｏｗｓ系统的运行功能输入ＤＤＥＳｈａｒｅ．ｅｘｅ，打开共享界面，一＂＂’４９Ｗ［１新建个共享并命名为ｉｎＣＣ巧属性中设置为信任共享。５．４．３ＭＡＴＬＡＢ支持的ＤＤＥ功能ＭＡＴＬＡＢ支持的ＤＤＥ功能可进行文本格式数据的交换，ＭＡＴＬＡＢ应用软件既可Ｗ当作服务器应用程序也可Ｗ作为客户端程序服务器提供服务。当ＭＡＴＬＡＢ作为一个服务器应用程序时，客户程序服务器可Ｗ使用ＤＤＥ会话一个条件这种通信方式对ＭＡＴＬＡＢ进行访问但是必须满足：访问方必须提供服务一器的名称、主题名称、项目名称。来完成通信通路的组建，般情况下，服务器的岡名称为ＭＡＴＬＡＢ，有两种不同类型的主题Ｓｙｓｔｅｍ和Ｅｎｇｉｎｅ。ＩｔｅｍｓＳｙｓｔｅｍｓＴｏｐｓ＾＊ｉｃＳｙｓｔｅｍＦｏｒｍａｔＳｅｒｖｅｒ｜ＴｏｐｉｃｓＭＡＴＬＡＢ＿Ｌ＿ＪＥｎｇ巨ｖａｌＳｔｒｉｎｇＩｎｇｎｅＥｉ［ＥｒｉｇＳｔｒｎｇＲｅｓｕｌ１１ｉＥ打ｇＦｉｇｕｒｅ反ｅｓｕｌｌｔ３＇１１Ｘｎａｓｅ＞＜迈；玉ｊ５－图１５ＭＡＴＬＡＢ的ＤＤＥ名称结构网络视图５４\n第五章污水处理控制系统的软件设计及广义预测控制的应用当ＭＡＴＬＡＢ作为客户端应用程序时一，客户端模块提供的固有函数共有下几种：（１）ＤＤＥ通讯服务初始化还原函数ｄｄｅｉｎｉｔＯ：使用调取格式为＝＝ｃｈａｎｎｅｌｄｄｅｉｎｉｔ（ｓｅｒｖｉｃｅｔｏｉｃ。当ｃｈａｎｎｅｌ０时，表明ＤＤＥ通，否，ｐ）信链接成功则表巧通路连接失败。（２）ＤＤＥ通讯建立链接函数ｄｄｅａｄｖＯ。使用调取格式为：＝ｄｄｒｃｅａｄｖ（ｃｈａｎｎｅｌ，ｉ化ｍ，ｃａｌ化ａｃｋ，ｕｐｍｔｘ，ｆｏｒｍａｔ，ｔｉｍｅｏｕｔ）。（３）ＤＤＥ通讯客户端请求数据函数ｄｄｅｒｅｑＯ。使用调取格式为：＝ｄａｔａｄｄｅｒｅｃｈａｎｎｅｌＵｅｒｎ拓ｒｍａｔｔｉｍｅｏｕｔ。ｑ（，，，）４ＤＤＥ：（））服务器应用程序发送数据函数ｄｃｋｐｏｋｅＯ。使用调取格式为＝ｒｃｄｄｅｏｋｅｃｈａｎｎｅＩｈｅｍｄａｔａｆｏｒｍａｔｔｉｍｅｏｕｔ。ｐ（，，，，）（５）ＤＤＥ服务器链接通路释放函数ｄｄｅｕｎａｄｖＯ。使用调取格式为：＝ｈａｎｎｒｃｄｄｅｕｎａｄｖｃｅｌｉｔｅｍｆｏｒｍａｔｔｉｍｅｏｕｔ。，，，（）０￡通讯＇＝（６）０服务中止函数（１（１６１６１１１１〇。使用调取格式为：１０（１３６１６１１１１（化３１１１６１）。５．４４ＷｉｎＣＣ与ＭＡＴＬＡＢ之间ＤＤＥ通信的建立．在本课题中，Ｗ虹ＣＣ作为服务器应用程序而ＭＡＴＬＡＢ作为客户应用程序，通一过在Ｗ个内部变量作为触发ＭＡＴＬＡＢ运行的触发变量，ｉｎＣＣ中定义在ＷｉｎＣＣ的设定的刷新周期内改变每次数值，同时告知作为客户端的ＭＡＴＬＡＢ来提取数据，当得到应答时，将更新的数据发送给ＭＡＴＬＡＢ进行运算处理并返送给ＷｉｎＣＣ最后的计算结果，从，ＷｉｎＣＣ再将运算结果发送给ＰＬＣ控制相应的执行机构进行动作而实现广义预测控制在污水处理ｐＨ中和阶段的应用。两者之间的通讯网络结构图５－６１如下图所示：使——巧ＤＤＥｉｎ啡函数初始化ＤＤＥ对话＜；返回初始化成功或失败信息？邁过ＤＤＥｉｎｉｔＯ跑致速立ＤＤＥ链接ＷｎＣＣ＾ＭＡＴＬＡＢｉ＾作月長务器作客户使用ＤＤＥｉｎｉｔ爾数淸求数据ｆ）＾应用程序应用程序ｉ返回请求前致扼＾ＤＤＥｋｅ＼使用ｐｏ微发送数据（晒＜ＤＤＥｔ使用ｉｎｉＯ幽数终止ＤＤＥ对话ｋ＾Ｉ１：ＬＩ－图５１６ＤＤＥ通信服务器与客户端之间的通信流程５５\n天津工业大学硕±学位论文客户应用程序ＭＡＴＬＡＢ与服务器应用程序ＷｉｎＣＣ之间实现ＤＤＥ通讯的大致实现步體：（１）在上位机监控软件ＷｉｎＣＣ中创建需要发送的标记变量即ＰＬＣ采集到的ｐＨ中和池出口ｐＨ值。（２）在客户应用软件ＭＡＴＬＡＢ中创建Ｍ文件，写入相应的ＤＤＥ通信程序。３）ｉ（设置服务器应用程序ＷｎＣＣ的通信方式为ＤＤＥ通信。（４）运行系统后，服务器应用程序ＷｉｎＣＣ将ＰＬＣ采集到的相关变量通过ＤＤＥＴＬＡＢ经ＷＣＣ发送到客户应用程序ＭＡ过处理运算，反馈给ｉｎ最优控制值。在ＭＡＴＬＡＢ中建立的Ｍ文件，上图所示程序描述如下：ｌＤＤＥ通信初始化及通信链接建立（）ｌｏｂａｌｃｈａｎｎｅｌｇ；＇＇＝ＷｃｈａｎｎｅｌＤＤＥＳｉｅｍｅｎｉｎＣＣ＼ＷｉｎＣＣＰｉｎｉｔＷｉｎＣＣＣ：＼ｓ＼ｒｏｅｃｔｓ＼（／ｊ〇ＤＤＥ－ＣＯＮＤＤＥ－ＣＯＮ＼．ＭＣ／〇；巧二二Ｉｆｃａｎｎｅｌ０ｈ＇＇ｄｉｓＤＤＥｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎｆａｉｌｅｄ！ｐ；（）Ｅｌｓｅ；｜ｄｉｓｐＤＤＢｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎ０Ｋ！；（）；＇二－－ｒｃＤＤＥａｄｖｃｈａｎｎｅｌＴｉｍｅＦｌａＤＯＤＤＥ（，ｇＶ）；二＝Ｉｆｒｃ０＇；ＤＤＥｗｄｉｓａｍｉｌｉｎｋ拉ｉｌｅｄ！ｐ（）；Ｅｌｓｅｄ＇＇ｉｓｐ（ＤＤＥｗａｒｍｌｉｎｋＯＫ！；）ＥｎｄＥｎｄ口）客户端ＭＡＴＬＡＢ向服务器ＷｉｎＣＣ请求数据的程序如下：Ｆｕｎ二－ｃｔｉｏｎｒｅＤＯＤＤ巧）ｌｏｂａｌｃｈａｎｎｅｌｇ；＝ｉｎｕｔｌＤＤＥｒｅｃｈａｎｎｅｌｄａｔａｒｐ（ｑ（／；））’二ｉｎｐｕｔ。）ＤＤＥｒｅｑｃｈａｎｎｅｌ／ｄａｔａ２（）；二ｎｏｕｔ：ｐｕｔｃｏｔｒｏｉｎｕｔＫｐ）；ＤＤＥｈ；ｏｋｅ（ｃａｎｎｅｌｒｅｓｕｌｔｒｏ山１ｐ，，ｐ山（；））ＤＤＥ＇ｏｋｅｃｈａｎｎｅｌ／ｒｅｓｕｌｔ２ｏｕｔｕｔ２ｐ（，ｐ（））；５．５污水处理控制系统实际运行分析天津大港污水处理厂过程控制系统自投入运行来，运行状况稳定可靠，达到了该污水处理广设计的处理污水的能力，取得了不错的社会效益和经济效益。通过分析该污水处理广上位机中截取的２０１６年５月１１日中某段时间内的ｐＨ５６\n第五章污水处理控制系统的软件设计及广义预测技制的应用－Ｈ值控制的监控趋势图５１７，可看到广义预测控制算法的应用提高了值控制的ｐ速度，使系统的适应性增强，调节时间缩短稳定性加强，Ｈ值控制的精度了达，ｐ到了±０．１的标准，完全符合国家规定的排放标准。■…——．＾ｎ围。咖气＾二：；驚＇＾？；，後蟲毒蠢是《廷餐疑藍蒙；韋菌壤賽赫奇讀；囊奪湾奪聲參焉璋＾＊ｔＷｔｆ■＊ＳＷ巧＊，：乂￡ＱＣＯ９设泌＆占Ｎ巧泌孤巧巧骑１：泌妨？》４＞対２姑１、５０汹３议）！＞■？试〇品巧，囊＊＊＊‘‘＇ＶＵ巧品Ｓ．＊？：山＜＊別＾吃＂！１！￡：扣Ａｆｆ：／化／！：ＪＵｉ£．ｆｔ．１；Ｕ巧访Ｉ：ＳｉｉｔＩｔｉＵ／ＵｌＩｌｔ＂：－ｉ＆，！进？．ｒＵ巧ｊＷＶＪ。《＞＾、；／泌ＶＷ／ＵｕＶＭ＆／Ｗ／４ａａｉａａｉＳｆＷ＾，＾ｊＳｆｅＳａｗＡ？ｆｈｉｉ￣＾＾＾歎＜＾ｆｉＲｉ；ｔｆｉ？；ｆｔ？＜＾ｇｕｙｗ：ｔｆＷ［ｉｇ．Ｔ？ｉｆｌｗ、ＷｔｆＳｆｔｓＡ〇ｙｆ＂ｊｖ＂ｇＹＡｉｓ；ａＳｉＳ＆ｙｉ＾？！＜？ｉｆｅｇｆｔｉｔｏｓｆｅＢａｉｒｆ＜ｉｆｅ＾ａｗｇａｓｆｅｉ＾？ｉｆｅｇＲｉａａｆｅａｇＳ＾ｇｉｆｔ？ｉｆｔＳＢＫａｗＢｆｔａａａａ＾ａＳｊ８ｆｔａＢａｆｃａｉｗｇａ？ｆｔ￡ａｊＳ＆ｆｅａｅｇｇｓｆｅｇａｗｗｆｔ？ｆ＆ｔｆｔｏｇｆｅＷｉＳａｉ；ａａｓａｇＭｉＳ＾？＾ａａ＾ｇｓ＾ｔ＾ｉ＾＜＞ａｗｇ？＾ｔｆＳｉ＾ｓｇａｉａｉ？？ｗ？？ｇａｇａｉ！ｗ？ｓｓｇａ（ｉＫ；＂＂Ｈｆｉｄｆｅ＾ｊｆ）ａａ８Ｓｆｅ＆ａ８ｒｉｉｍｆ＾ａ：巧Ｍｕ。：Ｖ穿扣啤产誓爱５－图１７污水处理厂２０１６年５月１１日押值控制效果图５．６本章小结本章主要涉及整个污水处理控制系统软件部分设计，包括下位机ＳＩＭＡＴＩＣＳ７－ＰＬＣｎＣＣ组态控制程序的开发和网络的搭建，上位机监控系统Ｗ，ｉ画面的创建ｎＣＣ与Ｓ７－３００ＰＬＣ之间爱你的通信连接上位机中数学工具及Ｗｉ；并着重介绍在ＭＡＴＬＡＢ与ＷｉｎＣＣ么间如何通过ＤＤＥ通讯方式，实现将广义预测控制算法实际应用到污水处理的ＰＬＣ控制系统中的实现方法和步骤。最后分析整个污水处理控制系统在实际使用及广文预测控制算法对ｐＨ值控制的效果，证明整个控制系统安全可靠，满足了实际运行的要求。５７\n天津工业大学硕±学位论文５８\n第六章总结与展望第六章总结与展望６．１本文总结随着我国工业现代化水平的不断提高，基于ＰＬＣ自动化控制技术越来越多的应用到污水处理过程中实现对整个污水处理过程的实时监视和控制，本课题天津大港污水处理厂西口子Ｓ７－３００ＰＬＣ控制系统项目为依巧，深入分析了该污水处理厂的实际水质情况对应的工艺流程和控制系统的相对于其他汚水处理工程的不同之处，确定具体的控制方案，并完成对整个控制系统硬件系统的搭建和软件系统的开发。针对在该污水处理ｐＨ中和反应池中ｐＨ值的控制环节的复杂性，本文对此展开研究并结合酸碱中和反应化学机理的复杂性，提出将广义预测控制算法应用于ｐＨ值控制的思想，并与传统的ＰＩＤ控制方法进行仿真对比。本文所完成的工作成果如下：１．通过查找阅读大量相关课题的材料，分析污水处理行业的国内外发展状况及发展趋势，针对天津大港污水处理厂的实际情况，确定使用ＰＬＣ作为控制器进行污水处理系统方案。２．在深入了解天津大港污水处理工艺的基础上，确定污水处理每个环节具体工艺的控制方案及设计步骤。３－．ＩＭＳ在控制系统的设计上，下位机部分设计完成ＳＡＴＩＣ７３００ＰＬＣ电气硬件部分的器件选型、网络构架的建立和ＳＴＥＰ７控制程序的编写；上位机部分完成组态救件ＷｉｎＣＣ上位机监控画面的创建。４．通过分析ｐＨ中和过程ｐＨ值控制对象的特殊性，Ｗ及对广义预测控制理论的分析研巧提出即将两者相结合，设计完成ｐＨ值广义预测控制器的设计，使用ＭＡＴＬＡＢ的仿真工具进行仿真实验验证，实验结果证明广义预测捏制可很巧的提高的Ｈ控制的稳定性和可靠性。ｐ５－．针对广义预测控制在实际工程中的应用，结合ＳＩＭＡＴＩＣＳ７３００ＰＬＣ和上位机一种基于Ｗ监控软件ＷｉｎＣＣ的特点，总结出ｉｎｄｏｗｓＤＤＥ通信的客户软件ＭＡＴＬＡＢ与服务器软件ＷｉｎＣＣ进行实时数据交换的方法，实现广义预测控制在污水处理控制系统的应用。５９\n天津工业大学硕±学位论文６．２展望污水处理系统中应用广义预测控制等先进控制理论方面己经比技成熟，但是从，成本，在实、安全等方面考虑际的污水处理过程中很少有真正应用先进控制算法本文设计的基于广义预测算法的污水处理ｐＨ值控制系统，由于作者水平、实验条件和科研时间等因素的限制设计的ｐＨ值控制系统仅通过了仿真实验的理论可行性，验证，接下来还需要在实验的基础丄针对存在的问题继续加Ｗ改进完善系统的整体性能，提高控制系统的控制精度。总的来说，通过整个天津大港污水处理厂控制系统的开发过程对广义预测控制一在污水处理过程中的实际应用和推广提供了定的理论的支持和借鉴，期望后能有更进一步的研巧和项目实验。期待能真正的将广义预测控制应用到实际的污水处理控制系统中去。６曰\n参考文献参考文献１．．基于ＷｉｎＣＣ污水处理集散控制系统的设计网北京北京工业大学２００８．［择建功，闽梅林．基于模糊自适应ＰＩＤ的污水处理脚值控制系统研巧脚北京：北京化工大学２００８．３．兰李瑞瑞．基于粒子群算法的广义预测控制及其应用研究［Ｄ］州：兰州交通大［］２０２学，１．４．２０马金婷：１２．［］．污水处理ｐＨ值控制系统的研究［Ｄ］长春长春工业大学，问韩重．污水处理控制系统设计与软测量建模研巧田］．西安：西安建筑科技大学，２０１２．Ｄ２０１２．６．污水处理智能控制系统设计与实现［．长沙：湖南工业大学［］李玲］，７化Ｃ的污．：２０１化［蔡晓霞．基于水处理控制系统的研究网杭州浙江工业大学］，ＩＤ．閒程晓冲．基于时域的分数阶Ｐ广义预测控制算法改进及其仿真研究［Ｄ］南京：南京信息工程大学２０１２．，９高学洪．．预测拉制在污水处理ＰＨ值控制中的研巧与应用Ｄ兰州：兰州理工大［］［］学，２０１２．１谢元智．巧水处理中閒预测控制系统的研究阿．南昌：南昌大学２００６．［巧，Ｄ．Ｕ庞中华．广青岛：青岛科技大学２００５．［］义预测控制算法及其仿真研究［］，１２．程云娃．多变量广义预测控制算法的研究［Ｄ］北京：北京化工大学２００５．［］，［１３］王蠢基于ＰＬＣ的污水处理控制系统与水质ＰＨ值的研究与设计网乂原：太原理工大学２０１５．，［１句陈仕椒基于专家ＰＩＤ控制的污水处理系统ｐＨ值的研究与应用阿．兰州：兰州理工大学２０１１．，２０４赵振兴．工业污水处理化Ｃ控制系统的研究阿．保定：河北科技大学１．［巧，［１６］沈建新基于模糊自适应ＰＩＤ的水处理阳值拴制系统设计网．亩林；吉林大学之０１５．１．城市污水处理中ｐＨ预测控制系统的应用研究饥７王树东高学洪宋国辉周盛成，［］，，，２０１２０－电气自动化１：３７巧．，，．工［１８］朱晓锋，张中巧曹健安．基于智能ＰＩＤ的废水处理ｐＨ值控制系统的设计阴，－业控制计算机２０１２０１：１３．，，６１\n天津王业大学硕±学位论文１９唐俊涛．基于ＰＬＣ的大型污水处理控制系统设计Ｄ．：西华大学２０１５．成都，［］［］２０阳值－虞益伟．ＰＬＣ２００６０５２４２７．在污水处理中的应用及控制化软件导刊：，，［］２１．［：］张兆海赵春城．关东明，任红卫，山洲，关兵．赵文杰Ｐ阻技术在制浆造纸企业污水Ｈ１１１－７７处理过程中２０２．值控制方面的工程实例［吁水工业市场：７５ｐ，，［２２宋稻略．基于神经网络的污水处理预测技制模型研究［Ｄ．东北石油大学，２０１４．］］２．大连理工大学，２００９．［引郑海兵广义预测控制改进算法的仿真研充网口４］董畅．复杂热工系统广义非线性预测控制及在线优化研巧［Ｄ．北京交通大］学．２０１０．－２５ｌｕｎａ．曼吉德（Ａｉｄ）．ＤＭＣＰＩＤ串级控制及多变量广义预测按制算法研究Ｄ上［］ｊ［］１：华东理工大学２０３．海．口６贺飞．预测控制及其在电站锅炉汽温控制中的应用研究Ｄ．北京：北京交通大］［］学．２０１４．２７魏晋宏．预测控制在工业生产过程中的应用研究网．太原：太原理工大学．２０１１．［］２８罗密．．，．曹建园刘建涛基于广义预测控制的综合控制算法设计与仿真Ｊ自动化［］［］２００４－＋技术与应用．０２１０１３１７．．：２９余世明．预测控制算法及其应用研究Ｄ．杭州：浙江大学，２００１．［］［］３０张荫芬．热工过程预测控制研对町北京：华北电力大学（北京），２００３．［］．广义预测控制在热工过程中的应用［Ｄ．北京ＰＵ吴春芳：华北电力大学（北］京）２００４．，［巧杨丽华．预测控制及其在热工过程控制中的研巧［町北京：华北电力大学，２０１３．３３Ｍ．Ｄａｒａｂ．Ａ．Ｊａｌｉｌ．Ｍ．Ａｚ址ｉ．Ｐｏｗｓｔｅｍｓｔａｂｉｌｉｔｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｉｔｈｉａｎｖａｎｄｅｒｓｙｎｅ［］ｙｐｒｅｓｅｎｃｅｏｆｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙｒｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＨＶＤＣｌｉｎｅｓｂａｓｅｄｏｎｐｒｅ出ｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｓ１；ｒａｔ；ｅＪ．ＩＵｅｎｉａｔｉＥｌｅｃｔｒｃａｌＰｏｗｅｒｎｄＥｎｔｅｍｓ２０１６．ｇｙｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆｉａｅｒｇｙＳｙｓ，，８０：［］Ｐ＾ＴａｋａｏＳａｔｏＡｋｉｒａＩｎｏｕｅ．ＧＥＮＥＲＡＬＩＺＥＤＰＲＥＤＩＣＴＩＶＥＣＯＮＴＲＯＬＩＮＦＡＳＴ－ＲＡＴＥＳ－ＩＮＧＬＥＲＡＴＥＡＮＤＩＮＰＵＴＭＵＬＴＩＰＬＥＸＴＹＰＥＭＵＬＴＩＲＡＴＥＳＹＳＴＥＭＪ，ＩＦＡＣＰｒｏｃｅｅｄｉｎｓＶｏｌｕｍｅｓ，２００６，３９２：．［］ｇＭ－５Ａ．ＰａｗｌｏｗｓｋｉＪ丄．Ｇｕｚｍ細ｉ．ＢｅｒｅｎｕｅｌＳ．ＤｏｒｍｉｄｏＩ．Ｆｅｒｎｄｎｄｅｚ．Ｅｖｅｎｔｂａｓｅｄ口，：，］ｇｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｔｒｉｇｇｅｒｅｄｂｙｉｎｐｕｔａｎｄｏｕｔｐｕｔｄｅａｄｂａｎｄｃｏｎｃｌｉｔｉｏｎｓＪ．ＩＦＡＣ［］ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓＶｏｌｕｍｅｓ，２０１４，４７３：．．Ａｎｄ－３６ＡｄｈｅｍａｉｄｅＢａｒｒｏｓＦｏｎｔｅｓＡｎｄｒｅＬａｕｒｉｎｄｏＭａｉｋｌｌｉｉ合ｓＯｒｔｉｚＳａｌａｚａｒ．ＡＮＥＷ，’［］Ｂ正ＩＮＥＡ民ＧＥＮＥＲＡＬＩＺＥＤＰＲＥＤＩＣＴＩＶＥＣＯＮＴ民ＯＬＡＰＰ民ＯＡＣＨ：ＡＬＧＯＲＩＴＨＭＡＮＤＲＥＳＵＬＴＳ［Ｊ］，ＩＦＡＣＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓＶｏｌｕｍｅｓ，２００２，３５１３７ＣｈａｎＹａｆｅｉ．ＹｕａｎＲｕｉ，ＦａｎＧｕｏｌｉａｎ，ＹｉＪｉａｎｉａｎ．ＡＢｌｅｎｄｅｄＡｕｔｏｉｌｏｔｆｏｒＤｕａｌ［］ｇｙｇｑｇｐＣｏｎｔｒｏｌＭｉｓｓｉｌｅＵｓｉｎｇＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＰｒｅｄｉｃｔｉｖｅａｎｄＡｄａｐｔｉｖｅＴｅｒｍｉｎａｌＳｌｉｄｉｎｇＭｏｄｅ６２\n参考文献ＣｏｎｔｒｏｌＩＦＡｃｅｅｄｎｓ２０１４３？？ＣＰｒｏｉｇＶｏｌｕｍｅｓ４７：，，阴３Ｊｏ＆ｏ巧ｕｄｒｅｄｏＪｏｓｅＳａｄａＣｏｓｔａ．ＰＲＥＤＩＣＴＩＶＥＣＯＮＴＲＯＬＡＰＰＬＩＥＤＴＯ［＾ｇ，ＳＵＩＬＤＩＮＧＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ．；ＡＮＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬＳＥＴＵＰ口ＩＦＡＣＰｒｏｃｅｅｄｉｎｓ］ｇＶｏｌｍｎｅｓ２００６３９１６：．，，３９ＴａｏＺｏｕＳｈａｏ－ＹｕａｎＬｉ．ＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＰｒｅｄｉｃｔｉｖｅＣｏｎｔｒｏｌｗｉｔｈＦｌｅｘ化ｌｅＩｎｅａｌｉｔ［］，ｑｕｙＣｏｎｓｔｒａｉｎｔｓＪ］．ＩＦＡＣＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓＶｏｌｕｍｅｓ２００５，３８１：．［，［４０］ＹａｏｈｕａＨｕ，ＳｕｗｕＸｕ，ＺｏｎｇｎｉａｎＺｈａｎｇ．ＡＮＩＮＴＥＬＬＩＧＥＮ了ＧＥＮＥＲＡＬＩＺＥＤＰＲＥＤＩＣＴＩＶＥＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲＦＯＲＳＨＩＰＳＴＥＥＲＩＮＧＪ．ＩＦＡＣＰｒｏｃｅｅ出ｎｓ［］ｇＶｏｌｕｍｅｓ，２００７４０１２：．，［４Ｊ］Ｇｉｉｏｑｉｎｇ，Ｙｕ，Ｌ化０，Ｄｕ，Ｓｈｕｗａｎｇ，Ｃｈｅｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ０打ＳｅｗａｇｅＴｒｅａｔｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍｂｙＣｏｎｆｉｕｒａｔｉｏｎＳｏｆｔｗａｒｅａｎｄＰＬＣ，Ｓｅ打ｓｏｒｓ底ａｍＴｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ２０１４１７６８：．ｇＰ］ｐ；，，［４２］Ｄｅｍｉｒｃｉ，Ｙａｖｕｚ，Ｐｅｋｅｌ，ＬｕｔｆｉｙｅＣａｎａｎ，Ａｌｔｉｎｔｅｎ，ＡｙＩａ，Ａｌｐｂａｚ，Ｍｕｓｔａｆａ．ＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａｎＥｌｅｃｔｒｏｃｏａｇｕｌａｔｉｏ打ＰｒｏｃｅｓｓＳｙｓｔｅｍＵｓｉ打ｇＦｕｚｚｙＣｏ打ｔｒｏｌｏｆｐＨ…．ＷａｔｅｒＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＲｅｓｅａｒｃｈ，２０１５，８７１２：．［４３］ＳｕｉＸｉｕｗｕ，ＦａｎＢｏｘｕｅ，ＨｕＰｅｎｇ，ＺｈａｎｇＨｏｎｇｊｉｅ，ＧｅＨｕｉ．ＴｈｅＰｒｅｃｉｓｉｏ打ＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｏｆＭｉｃｒｏＡｓｓｅｍｂｌｙＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏ打ＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＰｒｅｄｉｃｔｉｖｅＣｏｎｔｒｏｌＡｌｇＯＴｉｔｈｍ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｄｖａｎｃｅｍｅｎｔｓｉ。Ｃｏｍｐｕｔｉ打ｇＴｅｃｈｉｉｏｌｏ２０１３５５：．ｇｙ，，４４ＧａｎｉｎＬｉｎＨｕＬｅＳｏｎ．ＴｈｅＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｓｉｓｏｆＰＩＤＳｔｒｕｃｔｕｒｅ［］ｇＱ，ｇ，ｇｙＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＰｒｅｄｉｃｔｉｖｅＣｏｎｔｒｏｌＡｌｇｏｒｉｔｈｍＪ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｎｖｅｒｅｎｃｅＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ［］ｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１２，７２３；．［４５］ＳｈａｏＪ，ＸｕＹ，ＺｈａｏＸ，ＳｕｎＤ＾ＷｕＦ，ＬａｉＸ．［Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆａｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ－ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌａｌｏｒｉｔｈｍｆｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｈ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