1 控制理论的发展
自动控制理论发展至今已有100多年历史,随着工业和现代科学技术的飞速发展,各个领域中的自动控制系统对控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高,应用范围也更加广泛。特别是自上个世纪80年代以来,计算机技术的高速发展,推动了控制理论研究的深入开展。综观控制理论的发展,控制理论经历了3个阶段。
(1)经典控制理论阶段。它主要研究的自动控制系统为线性定常系统,被控对象也几乎全部是单输入-单输出的。它所采用的方法通常是以传递函数、频率特性、根轨道分布为基础的根轨道法。
(2)现代控制理论阶段。它主要研究多输入-多输出的被控对象系统,可以是线性或非线性的定常或时变的,它用一组一阶微分方程代替经典理论中的一个高阶微分方程式来描述系统,并且把系统中各个变量均取为时间t的函数,因而属于时域分析方法,它区别于经典理论中的频域法,这样更有利于用计算机进行运算。
(3)智能控制理论阶段。上述两个控制理论对于存在数学模型的领域发挥了非常大的作用,并取得了令人满意的控制效果。但是对于那些不具有数学模型的被控对象,往往显得无能为力。另外由于计算机技术的快速发展,包含有人类思维的复杂操作由计算机替代的领域不断增加,特别是在大规模系统的管理控制中,脑力工作远比体力工作重要,从这个意义上说,我们已经到了人工智能控制时代。
人工智能是用除了数学式子以外的方法,把人们的思维过程模型化,并利用计算机来模仿人的智能的科学。它的应用范围远比控制理论广泛,如包括判断、推理、预测、识别、规划、决策、学习和问题求解等。自动控制理论向着智能控制方向发展的一个重要数学基础就是模糊数学原理,所以在自动控制向智能控制发展的过程中,模糊控制理论具有广泛应用前景。
2 模糊控制系统的设计
模糊控制是以控制人员的经验为基础的,它并不需要用精确的数学模型去描述系统的动态过程,因而它的设计方法与常规控制器的设计方法不同,模糊控制器的设计,一般是先在经验的基础上确定各个参数和控制规则,然后在运行中进行调整。其过程见图1。
模糊控制系统中的硬件核心是模糊控制器,其结构见图2。模糊控制器是一种基于模糊控制规则的控制形式,其中模糊控制器由控制规则库和推理运算器组成。衡量模糊控制器的指标通常是输入输出变量的数量,规则库的大小以及推理运算速度。随着计算机技术的飞速发展,这些都已不成为制约因素。因此在应用模糊控制技术时,首先遵循下列步骤:①分析研究对象。②取得实际控制经验。③确定控制规则。④进行控制试验。⑤总结修改控制规则。
3 模糊控制在给排水工程中的应用
3•1 水厂应用
水厂自动化投药的控制一直是人们不断探讨的一个问题,因为地区不同,水质不同,投加量亦有所不同。而影响投药以后凝聚效果的因素很多:如原水浊度、流量、pH、溶解氧、温度、氧化还原电位、导电率等。如何使沉淀池得到最佳的浊度效果,目前占主导的是以水的ζ电位来控制。
我们认为影响凝聚效果的因素很多,而这正是采用模糊控制技术的优势所在。熟练的技术操作人员,通过感官进行现场观察,再根据自己的经验就能很好地进行有效的控制。基于这一点我们在嘉兴南门水厂进行了模糊控制的试验。我们以嘉兴南门水厂嘉兴水源作为研究的对象。该水源为嘉兴市内河流,径流量小,有时会发生水倒流现象,同时由于该河流为市内交通要道,常有船只行走,因此该原水具有水质较差且变化较大的现象,较难处理,水中色度、嗅味较大,水中的氨氮及耗氧量较大。试验中,我们首先进行搅拌试验并总结操作工人的操作经验,然后以原水浊度、原水pH、温度、流量、出水浊度等作为输入变量,加注泵的控制频率作为输出变量,建立控制规则。随后,我们在试验模型上试验并不断改进控制规则,还确定以出水浊度作为控制目标并控制在5 NTU以下。
试验结果如下:
第一次试验:流量没有纳入输入变量,发现在流量变化较小的情况下,模糊控制效果很好;在流量放大的情况下,效果变差见图3。
试验结果表明,投加量与流量不成正比。究其原因,可能是当流量增大时,澄清池内水的上升流速增大,因此投加量与流量不成线性关系。
第二次试验:流量纳入输入变量,效果见图4。
从图4可见,模糊控制器能很好地胜任自动加药的控制。另一方面,我们做了同期(在相同原水条件下),人工加药(自来水厂加药)与模糊控制加药的对比试验,结果见表1。
从表1可以看出,模糊控制能稳定地控制沉淀池出水浊度,而且加药量大大低于人工控制。因此它具有极大的推广应用价值,特别适合老水厂的技术改造,降低消耗,降低劳动强度,提高控制水平。
3•2 排水应用
污水厂生化池污水溶解氧的控制一直是困扰污水厂自动控制的老问题,生化池污水溶解氧的控制涉及到两个问题,其一:溶解氧的控制直接关系到出水水质;其二:生化池充氧的能耗占全厂能耗50%以上,具有节能的意义。
生化池溶解氧的控制涉及到进水水量、温度、污泥浓度、溶解氧等因素。另外从曝气到污水溶解氧的上升有一较长时间的滞后。传统的控制一般都采用PID控制,溶解氧低、增加充氧量;溶解氧高、减少充氧量。但由于从曝气到污水溶解氧的上升有一长滞后,其控制结果会出现振荡,控制效果也不理想。基于这一点我们在南昌污水处理厂进行了模糊控制的生产性试验。试验在两个4万m3/d的氧化沟上进行,一组采用PID技术控制,一组采用模糊控制技术控制。作为对比试验,PID控制以溶解氧作为输入条件,以变频风机的频率作为输出变量。模糊控制以进水水量、温度、污泥浓度、溶解氧分布作为输入变量,以变频风机的频率作为输出变量,根据工人的操作经验制定控制规则。控制目标为溶解氧控制在1•5 mg/L。
试验结果见图5(2002年3月1日)。
从这些试验结果来看,模糊控制器能很好地达到控制目标,和传统的PID控制比较,模糊控制有其明显的优越性。由于模糊控制实质上是用计算机去执行操作人员的控制策略,因而可以避开复杂的数学模型。对于非线性、时变的大滞后及带有随机干扰的系统,由于数学模型难以建立,因而传统的PID控制也就失效。而对于这样的系统,设计一个模糊控制器,却没有多大的困难,而且它能方便地加入人的控制经验,极为近似地反映人的控制行为,具有很强的适应性和控制的稳定性。
模糊控制是人的经验控制在计算机上的实现,他与传统概念上的模式不一样,没有一个定式,对于不同的对象,参与控制的元素可能不同,这取决于元素对过程的影响大小。
对外界环境和系统过程进行理解、判断和预测,采用符号信息处理和启发是程序设计、知识表示和自学习、推理与决策等智能化技术实现宏观知识问题的综合性求解。因此可以认为智能控制是智能化、信息化、自动化控制的主要控制方式,必将把自动化控制理论推向一个更深化的新阶段,并将取得蓬勃发展和完善的应用效果。
提要 介绍了模糊控制理论的发展过程和模糊控制系统的设计,并通过工程实例探讨了模糊控制在给排水工程应用的可行性。
关键词 模糊控制 智能化 给水排水工程
