污水处理pH值控制系统的研究

【摘要】：pH值控制广泛的存在于污水处理、化工生产、制药、印染以及造纸等工业工程中。在污水处理过程中,pH值控制起着至关重要的作用,不仅关系到污水处理能否达到国家排放标准,还影响到污水处理后续过程的处理效果。而且,还可能由于控制的不精确,导致资源的大量浪费。但是,由于pH中和反应过程的强烈非线性、时变性、滞后性以及强干扰性,使pH值控制问题成为工业控制过程中最难解决的问题之 因此,对污水处理中的pH值控制的研究具有非常重要的价值。对于pH值的控制方法层出不穷,各有优缺点。 本文通过对pH中和反应过程的机理模型进行分析,提出了一种基于机理模型的非线性预测控制策略。首先建立了pH中和反应理想状态下的数学模型,再依据此模型建立系统的非线性预测模型,在此之后确定模型的优化目标函数,再加入反馈校正环节,最终实现对pH值的控制,然而,非线性的目标函数求解问题成了另一个难点问题,尤其目标函数是一个多变量,多极值的一个函数,而且约束条件众多,为此,采用遗传算法实现对目标函数的滚动优化,在控制量的约束条件范围内对控制量进行初始值编码,将非线性预测控制的性能指标作为遗传算法的目标函数,直接求取最优控制量,算法中通过提高初始种群质量来解决快速性问题。同时,通过Matlab对系统进行建模仿真,对系统的跟踪性能,抗干扰性能等进行实验,证明了该方法能够对设定的pH值进行很好的跟踪,并且响应时间较快,实现了对pH值的有效控制。 本文针对辽源纺织工业园排放污水的实际情况,设计一套基于组态王6.5以及西门子S7-200的污水处理pH值自动控制系统,包括上位机组态监控、下位机PLC软硬件设计。该系统结构简单、功能齐全、经济节能、并且操作简单。为实现对pH值控制方法的实验研究提供的便利的条件。 【关键词】：污水处理 pH值控制 非线性预测控制 遗传算法 自动监控系统
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TP273
【目录】：

• 摘要2-3
• Abstract3-7
• 第一章 绪论7-15
• 1.1 选题背景及意义7
• 1.2 我国污水处理现状7-8
• 1.3 pH值控制的国内外研究动态及其发展趋势8-12
• 1.3.1 国外研究概况9-10
• 1.3.2 国内研究概况10-11
• 1.3.3 pH值控制发展趋势11-12
• 1.4 非线性预测控制发展与应用12-13
• 1.5 论文研究内容13-15
• 第二章 pH中和过程机理分析及总体方案确定15-27
• 2.1 污水处理过程15-17
• 2.1.1 污水处理基本过程15
• 2.1.2 污水处理工艺流程15-17
• 2.2 PH中和过程特性分析17-20
• 2.2.1 pH值定义17-18
• 2.2.2 pH值测量方法及原理18-19
• 2.2.3 pH中和反应特性分析19-20
• 2.3 pH值中和过程数学模型20-23
• 2.3.1 静态数学模型20-22
• 2.3.2 动态数学模型22-23
• 2.4 pH值控制方案确立23-26
• 2.4.1 自动监控系统构成23-25
• 2.4.2 控制方法选择25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第三章 pH中和过程的非线性预测控制27-39
• 3.1 非线性预测算法27-30
• 3.1.1 非线性预测算法基本原理27-30
• 3.1.2 pH中和过程的非线性预测控制难点问题30
• 3.2 遗传算法30-34
• 3.2.1 遗传算法的基本原理31
• 3.2.2 遗传算法的设计31-34
• 3.2.3 遗传算法的特点34
• 3.3 PH中和过程的非线性预测控制器设计34-37
• 3.3.1 非线性预测模型建立34-35
• 3.3.2 滚动优化35
• 3.3.3 约束条件35-36
• 3.3.4 反馈校正36
• 3.3.5 参数选择36-37
• 3.4 基于遗传算法的优化求解37-38
• 3.4.1 基于遗传算法的非线性预测控制器结构37
• 3.4.2 遗传算法的优化求解过程37-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第四章 污水处理pH值自动控制系统设计39-52
• 4.1 pH值自动控制系统结构39-40
• 4.2 pH值控制系统硬件设计40-45
• 4.2.1 PLC选择及I/O口分配40-43
• 4.2.2 数据检测回路设计43-45
• 4.2.3 执行机构回路设计45
• 4.3 pH值自动控制系统下位机软件设计45-48
• 4.3.1 STEP 7开发环境介绍46
• 4.3.2 主程序流程46-47
• 4.3.3 数据采集模块47-48
• 4.4 pH值自动控制系统上位机监控组态软件设计48-51
• 4.4.1 组态软件介绍及设计步骤48-49
• 4.4.2 组态界面设计49-51
• 4.5 本章小结51-52
• 第五章 系统仿真实验与性能分析52-58
• 5.1 系统仿真实验52-55
• 5.1.1 系统仿真模型的建立52-53
• 5.1.2 系统仿真实验53-55
• 5.2 系统性能分析与模糊PID控制效果比较55-57
• 5.2.1 模糊PID控制55-56
• 5.2.2 性能分析与比较56-57
• 5.3 本章小结57-58
• 第六章 总结与展望58-60
• 6.1 工作总结58-59
• 6.2 展望59-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-64
• 作者简介64
• 攻读硕士学位期间研究成果64-65

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