專利名稱：意外建模和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的水質(zhì)控制系統(tǒng)及誘導(dǎo)干預(yù)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)意外建模和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的誘導(dǎo)干預(yù)混合控制方 法及其水質(zhì)控制系統(tǒng)，適用于水處理領(lǐng)域的水質(zhì)控制及混凝劑自動(dòng)加藥控制。特別是對(duì)進(jìn) 水情況復(fù)雜，難于數(shù)學(xué)建模，實(shí)時(shí)要求比較高導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)法無(wú)法滿足要求，特性參數(shù) 不明顯的情況。
背景技術(shù)：
自來(lái)水廠和污水處理廠制水混凝工藝中，如何根據(jù)進(jìn)水條件的變化和沉后水的酸 堿度、濁度和總磷等水質(zhì)參數(shù)的要求來(lái)確定最佳混凝劑投加量，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。即在保證沉 后水水質(zhì)的前提下，要求投放的混凝劑量最少。目的主要有二個(gè)，其一是降低制水成本；其 二是減少污泥量。該問(wèn)題一直是制水混凝工藝中的難題?，F(xiàn)有的自動(dòng)控制投藥量方法主要 有三種一、數(shù)學(xué)模型法該方法一般采用前饋和后饋相結(jié)合的控制模型，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建 立符合生產(chǎn)實(shí)際的數(shù)學(xué)模型。缺點(diǎn)是當(dāng)水質(zhì)變化復(fù)雜時(shí)可能導(dǎo)致數(shù)學(xué)模型精度不高，有時(shí) 甚至無(wú)法建立數(shù)學(xué)模型。二、現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)法該方法的致命缺陷是反饋滯后現(xiàn)象。一般滯后十幾分鐘到半 個(gè)小時(shí)。三、特性參數(shù)法該方法的缺陷是當(dāng)混凝作用是以高分子吸附架橋?yàn)橹鲿r(shí)，投藥量 與流動(dòng)電流很少相關(guān)。上述方法都存在不同的問(wèn)題，以水廠為例，在實(shí)際混凝投藥控制中，多是通過(guò)燒 杯、試管實(shí)驗(yàn)或憑技工的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)節(jié)混凝劑投加量。傳統(tǒng)意義下的控制.傳統(tǒng)控制的目的是根據(jù)被控對(duì)象和環(huán)境的特性，通過(guò)能動(dòng) 地采集、運(yùn)用信息并施加控制作用，使系統(tǒng)在變化和不確定的條件下，按照預(yù)期的行為過(guò) 程運(yùn)行并具有和保持預(yù)定的功能.這里需要特別強(qiáng)調(diào)的是雖然被控對(duì)象和環(huán)境特性是變 化的和不確定的，但“預(yù)期的行為過(guò)程”和“預(yù)定的功能”卻是已知(事先設(shè)計(jì)好)和確定 的；傳統(tǒng)控制并沒(méi)有明確強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)或各組分在外界控制作用下會(huì)產(chǎn)生自組 織和涌現(xiàn)現(xiàn)象(即本發(fā)明中所述意外的一種)。復(fù)雜系統(tǒng)控制的目的是根據(jù)被控對(duì)象和環(huán)境的特性，通過(guò)能動(dòng)地采集、運(yùn)用信 息并施加控制作用，使系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)或各組分在外界控制作用下產(chǎn)生自組織和涌現(xiàn) 現(xiàn)象，這種自組織和涌現(xiàn)現(xiàn)象的結(jié)果具有某種功能且是控制者所期望的。復(fù)雜系統(tǒng)的控制 并不強(qiáng)調(diào)一定要預(yù)先知道自組織和涌現(xiàn)現(xiàn)象的行為過(guò)程(很多情況下是無(wú)法預(yù)知的)，而 更強(qiáng)調(diào)自組織和涌現(xiàn)現(xiàn)象的結(jié)果是否滿足控制者的要求。這方面的一個(gè)典型的例子就是釀 酒系統(tǒng)(具有生化反應(yīng)的復(fù)雜系統(tǒng))的控制，釀酒人員主要關(guān)心的是酒的質(zhì)量與產(chǎn)量，而 并不關(guān)心酵母菌在發(fā)酵過(guò)程中的自組織行為。顯然，水處理領(lǐng)域混凝劑加藥改善水質(zhì)系統(tǒng) 也是一個(gè)具有生化反應(yīng)的復(fù)雜系統(tǒng)，水廠技工關(guān)心的是出水水質(zhì)后藥品投放量，并不關(guān)注 混凝劑如何在反應(yīng)池中自組織行為。
人類在認(rèn)識(shí)和改造自然的過(guò)程中已經(jīng)學(xué)會(huì)和發(fā)明了許多控制方法，這些控制方 法主要包括1)直接控制方法；2)間接控制方法；3)改變環(huán)境狀況和系統(tǒng)組分的控制 方法；4)改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或更換子系統(tǒng)的控制方法；5)改變運(yùn)行規(guī)則和運(yùn)行程序的控制方 法；6)利益引導(dǎo)或誘惑的控制方法。因前5種方法具有主動(dòng)性(對(duì)控制者來(lái)說(shuō))及直接或 間接的強(qiáng)制性(對(duì)被控對(duì)象來(lái)說(shuō))，所以稱前5種方法及其組合為“干預(yù)控制”方法；第6 種方法不具有主動(dòng)性和強(qiáng)制性，且主要發(fā)生在生物、特別是動(dòng)物界，所以稱它為“誘導(dǎo)控 制”方法.就復(fù)雜系統(tǒng)來(lái)講，既可以用“干預(yù)控制”、也可以用“誘導(dǎo)控制”、還可以用“干預(yù) 控制”和“誘導(dǎo)控制”相結(jié)合的方法加以控制.但無(wú)論采用什么樣的方法，復(fù)雜系統(tǒng)控制的 目的是使系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生有利于控制者的自組織和涌現(xiàn)現(xiàn)象，這就是復(fù)雜系統(tǒng)控制在概念 上與傳統(tǒng)意義下的控制的本質(zhì)區(qū)別.本發(fā)明采用最新的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)意外建模理論，使用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的誘導(dǎo)干預(yù)混合控制方 法，用于水處理領(lǐng)域的水質(zhì)控制及混凝劑自動(dòng)加藥控制。采用意外建模理論的目的是應(yīng)對(duì) 實(shí)際系統(tǒng)面對(duì)的不斷變化的環(huán)境條件，使系統(tǒng)具備自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能；采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的目 的是避免數(shù)學(xué)建模的誤差，以及某些難以數(shù)學(xué)建模的情況下使用。采用誘導(dǎo)干預(yù)策略是應(yīng) 對(duì)反應(yīng)池中可能出現(xiàn)的自組織和涌現(xiàn)現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，第一、提供了一種混凝劑加藥控制方法；第二，提 供了一種混凝劑加藥控制系統(tǒng)(水質(zhì)控制系統(tǒng))。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本發(fā)明意外建模和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的水質(zhì)控制系統(tǒng)，包括進(jìn)水采樣傳感器組、反應(yīng)池采樣傳 感器組、出水采樣傳感器組、第一和第二 A/D轉(zhuǎn)換傳輸裝置、數(shù)據(jù)處理模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷 史數(shù)據(jù)庫(kù)、意外建模模塊、專家系統(tǒng)和加藥裝置；其中進(jìn)水采樣傳感器組的一個(gè)輸出端串接 第一 A/D轉(zhuǎn)換傳輸裝置后與第二 A/D轉(zhuǎn)換傳輸裝置的輸出端分別接數(shù)據(jù)處理模塊的輸入 端，進(jìn)水采樣傳感器組的另一個(gè)輸出端和加藥裝置的輸出端分別接反應(yīng)池采樣傳感器組的 輸入端，反應(yīng)池采樣傳感器組的一個(gè)輸出端串接出水采樣傳感器組后與反應(yīng)池采樣傳感器 組的另一個(gè)輸出端分別接第二 A/D轉(zhuǎn)換傳輸裝置的輸入端，數(shù)據(jù)處理模塊的輸出端串接實(shí) 時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)后分別接歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和意外建模模塊的輸入端，意外建模模塊的輸出端接加藥裝 置的輸入端，意外建模模塊分別與歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和專家系統(tǒng)雙向連接。意外建模和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的水質(zhì)控制系統(tǒng)的誘導(dǎo)干預(yù)混合控制方法，包括如下步驟a)通過(guò)進(jìn)水采樣傳感器組、反應(yīng)池采樣傳感器組和出水采樣傳感器組獲取水質(zhì)信息；b)通過(guò)第一和第二A/D轉(zhuǎn)換傳輸裝置將獲取的水質(zhì)信息送到數(shù)據(jù)處理模塊，進(jìn)行數(shù) 據(jù)預(yù)處理；c)將預(yù)處理后的水質(zhì)信息送入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)；d)意外建模模塊獲取實(shí)時(shí)的水質(zhì)信息，根據(jù)專家規(guī)則和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)，確定混凝劑 投放量，按照間隔時(shí)間更新一次歷史數(shù)據(jù)庫(kù)；e)根據(jù)步驟d)的混凝劑投放量，采用“泵前投加”方式向反應(yīng)池投藥。優(yōu)選地，步驟d)所述的混凝劑投放量的確定方法如下意外建模模塊將實(shí)時(shí)的水質(zhì)信息與歷史數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的信息匹配，尋找與實(shí)時(shí)的水質(zhì)信息 記錄距離i最小的記錄藥劑投放量為
權(quán)利要求
1.一種意外建模和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的水質(zhì)控制系統(tǒng)，其特征在于包括進(jìn)水采樣傳感器組 (1)、反應(yīng)池采樣傳感器組(6)、出水采樣傳感器組(9)、第一和第二 A/D轉(zhuǎn)換傳輸裝置(2、 10)、數(shù)據(jù)處理模塊(3)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)(4)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)(5)、意外建模模塊(8)、專家系統(tǒng)(11) 和加藥裝置(7)；其中進(jìn)水采樣傳感器組(1)的一個(gè)輸出端串接第一 A/D轉(zhuǎn)換傳輸裝置(2) 后與第二 A/D轉(zhuǎn)換傳輸裝置(10)的輸出端分別接數(shù)據(jù)處理模塊(3)的輸入端，進(jìn)水采樣傳 感器組(1)的另一個(gè)輸出端和加藥裝置(7)的輸出端分別接反應(yīng)池采樣傳感器組(6)的輸 入端，反應(yīng)池采樣傳感器組(6)的一個(gè)輸出端串接出水采樣傳感器組(9)后與反應(yīng)池采樣 傳感器組(6)的另一個(gè)輸出端分別接第二 A/D轉(zhuǎn)換傳輸裝置(10)的輸入端，數(shù)據(jù)處理模塊 (3)的輸出端串接實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)(4)后分別接歷史數(shù)據(jù)庫(kù)(5)和意外建模模塊(8)的輸入端， 意外建模模塊(8)的輸出端接加藥裝置(7)的輸入端，意外建模模塊(8)分別與歷史數(shù)據(jù)庫(kù) (5)和專家系統(tǒng)(11)雙向連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的意外建模和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的水質(zhì)控制系統(tǒng)的誘導(dǎo)干預(yù)混合控制 方法，其特征在于包括如下步驟a)通過(guò)進(jìn)水采樣傳感器組(1)、反應(yīng)池采樣傳感器組(6)和出水采樣傳感器組(9 )獲 取水質(zhì)信息；b)通過(guò)第一和第二A/D轉(zhuǎn)換傳輸裝置(2、10)將獲取的水質(zhì)信息送到數(shù)據(jù)處理模塊 (3)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；c)將預(yù)處理后的水質(zhì)信息送入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)(4);d)意外建模模塊(8)獲取實(shí)時(shí)的水質(zhì)信息，根據(jù)專家規(guī)則和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)(5)知識(shí)，確 定混凝劑投放量，按照間隔時(shí)間更新一次歷史數(shù)據(jù)庫(kù)(5)；e)根據(jù)步驟d)的混凝劑投放量，采用“泵前投加”方式向反應(yīng)池投藥。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的意外建模和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的水質(zhì)控制系統(tǒng)的誘導(dǎo)干預(yù)混合控制 方法，其特征在于步驟d)所述的混凝劑投放量的確定方法如下意外建模模塊(8)將實(shí)時(shí)的水質(zhì)信息與歷史數(shù)據(jù)庫(kù)(5)內(nèi)的信息匹配，尋找與實(shí)時(shí)的 水質(zhì)信息記錄距離i最小的記錄藥劑投放量為P = P1 十 K * d其中P1為歷史數(shù)據(jù)庫(kù)記錄中藥劑投放量列的值，K為正1或負(fù)1，根據(jù)該記錄加藥后的反饋信息獲得；將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)減與之距離 L最小歷史數(shù)據(jù)，如果大于0則為正，否則為負(fù)； rf為一定值，表示定量的藥劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的意外建模和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的水質(zhì)控制系統(tǒng)的誘導(dǎo)干預(yù)混合控制 方法，其特征在于所述距離1的計(jì)算方法如下二條記錄間的距離為其中二條記錄表示為兩個(gè)N維向量
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的意外建模和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的水質(zhì)控制系統(tǒng)，其特征還在于，加藥 裝置采用泵前加藥。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種意外建模和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的水質(zhì)控制系統(tǒng)及誘導(dǎo)干預(yù)控制方法，控制系統(tǒng)由進(jìn)水采樣傳感器組、反應(yīng)池采樣傳感器組、出水采樣傳感器組、A/D轉(zhuǎn)換傳輸裝置、數(shù)據(jù)處理模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、意外建模模塊、專家系統(tǒng)和加藥裝置組成。所述方法包括通過(guò)傳感器獲取水質(zhì)信息；通過(guò)信息傳輸裝置將信息送到信息處理模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；將數(shù)據(jù)送入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)；意外建模模塊獲取實(shí)時(shí)信息，根據(jù)專家規(guī)則和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)，確定混凝劑投放量；根據(jù)投放量，采用“泵前投加”方式向反應(yīng)池投藥。本發(fā)明通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘，使用誘導(dǎo)干預(yù)混合控制方法控制系統(tǒng)自動(dòng)加藥，能夠更加準(zhǔn)確、有效的控制投藥量，提高投藥魯棒性，節(jié)省投藥量。
文檔編號(hào)C02F1/52GK102053568SQ20101053818
公開(kāi)日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月9日
發(fā)明者嚴(yán)錫君, 徐立中, 李臣明, 王逢州, 馬貞立, 魏曉東 申請(qǐng)人:河海大學(xué)