前言 21世纪是信息时代。仿真与控制是信息技术在环境工程中应用的重要内 容，也是环境工程学科发展的重要方向。为此，有必要在高等学校环境工程专业 开设有关的课程，对学生进行适当的训练。本书正是为环境工程专业本科学生 编写的一本教材。 顾名思义，仿真就是对真实的模仿。物理仿真是通过对过程建立的物理模 型来进行，数字仿真是通过对过程建立的数学模型来进行。由于计算机的发展 与普及，同时由于数字仿真的简易、迅捷和巨大包容性，以及相对试验而言的低 成本和互补性，数字仿真在包括环境工程在内的各个领域正迅速推进，被称为是 一项“无孔不入”的技术。 自动控制包括过程控制、顺序控制、运动控制等分支。化工、环境工程等领 域的控制行为属于过程控制。使用过程控制时，在受控过程进行中要不断对过 程的状态或参数如温度、压力、浓度等进行测量，并将测量值与设定值进行比较， 然后根据一定的控制方案对过程的有关参数进行调整，使该过程按照既定的一 组设定值运行，达到确保过程运行稳定、安全、经济的目的。 环境工程是以污染物的处理和处置为主要内容的。环境工程仿真与控制的 目的，是了解污染物处理过程的机制、提高污染物的处理效率、降低污染物的处 理费用。这对保护环境具有重要作用。同时，我国目前在环境工程设施的工艺 开发、工程设计和运行管理中，还未普遍应用仿真与控制技术，因而存在一个环 境工程仿真与控制的潜在市场。开发这个市场，具有重要经济价值。学习环境 工程仿真与控制，还有助于提高环境工程专业毕业生与自动控制专业技术人员 之间的理解与沟通。 本书分成五章。第一章是仿真，讲述环境工程过程的仿真即过程建模及求 解的方法，并介绍活性污泥过程、二沉池二维流态等模型的建模和求解过程。第 二章是过程控制，讲述反馈控制系统的控制规律及自动化仪表，并介绍污水处理 主要设施的自动控制方法。第三章是动态分析，讲述如何导出过程的传递函数， 以及如何利用传递函数对环境工程的过程动态进行定性和定量的分析。第四章 是人工智能，重点介绍神经网络、专家系统和模糊控制的理论及在环境工程仿真 与控制中的应用。第五章是复杂控制系统，介绍串级、分程、比值、前馈、选择性 和非线性控制系统，以及在环境工程过程控制中的应用
前言 本书可作为大专院校环境工程专业的本科学生及研究生学习“环境工程仿 真与控制”的教材或参考读物,也可供从事环境工程仿真与控制的专业技术人员 阅读。由于信息技术发展很快,也由于本书内容涉及环境工程、自动控制、人工 智能等不同学科,编写中疏漏之处在所难免,敬希读者不吝指教。本书稿由华东 理工大学环境工程系赵庆祥教授审阅并提出宝贵意见,谨此致谢。 姚重华 2000,1
目录 第一章仿真 第一节模型的建立 、模型分类 建模方法 例1.1活性污泥过程模型… 例1.2厌氧消化过程模型 例1.3二沉池一维浓度分布模型 例1.4沉淀池二维流场模型 18 第二节模型的分析 四阶龙格一库塔法………… 例1.5活性污泥过程各组分的浓度变化分析 32 、有限差分法… 例1.6二沉池流体流速及固体浓度分布分析 41 第二章过程控制 46 第一节反馈控制 比例控制 二、积分控制… 三,徽分控制… 第二节自动化仪表…………… 控制器 、执行器 3 、检测器和变送器 例2.1初沉池和污泥泵的控制 例2.2流量分配的控制 例23溶解氧DO和风机的控制 例24深冷制氧的控制………… 83 例2.5污泥回流的控 例2.6废弃污泥的控制……… 例27药剂投放的控制 368 第三章动态分析 第一节输入一输出模型……
录 例3.1搅拌槽加热器的输入输出模型…… 例3.2混合过程的输入一输出模型 第二节非线性系统线性化 单变量系统线性化 例3.3废水储槽液位模型线性化………… 多变量系统线性化 例34连续搅拌反应釜模型线性化 第三节传递函数 拉普拉斯变换 、传递函数 103 例3.5连续搅拌反应釜的传递矩阵…… 拉普拉斯反变换 106 第四节过程动态分析…… 、定性分析 定量分析 110 例36一阶储槽的时间常数和稳态增益 例3.7两个储槽串联相互无影响的质量容量 例3.8两个储槽串联相互有影响的质量容量 第五节反馈控制过程动态响应…………… 118 闭环动态响应 118 例39储槽加热器温度反馈控制系统的闭环响应 119 、比例控制对过程动态的作用… 三、积分控制对过程动态的作用… 四、傚分控制对过程动态的作用… 第四章人工智能 125 第一节神经网络… 基本概念 、训练方法… ……………130 例4.1活性污泥过程曝气控制神经网络模型……………………… 134 例4.2活性污泥过程动态分析神经网络模型…… ……………·135 神经网络控制 第二节专家系统 、基本概念 二、知识库构建…… 例4.3活性污泥过程故障诊断专家系统知识库 ……147 专家系统编制 例4.4利用 MS Visual Basic5.0和Aces9?编制专家系统软件…… 148 四、专家系统控制
第三节模糊控制 模糊集原理 160 模糊控制设计方法 167 例4.5污泥脱水模糊控制系统设计 例4.6曝气池曝气流量模糊控制… 175 第五章复杂控制系统 第一节串级控制系统………… 结构与原理… i78 应用范围 第二节比值控制系统 结构与原理… 二、应用举例 187 第三节均匀控制系统 一、简单均匀控制系统 串级均匀控制系统 双冲量均匀控制系统 第四节分程控制系统 结构与原理……………… 192 应用范围 第五节自动选择性控制系统 、选择器在变送器和调节器之间 、选择器在调节器和调节阀之问 ,上, 、应用范围 第六节前馈控制系统 结构与原理… 、应用范围 207 第七节非线性控制系统 结构与原理… 20y9 二、应用实例 主要参考文献…………………… 214
第一章仿真 仿真是一种求解实际问题的方法。当问题有一定的复杂性时,可以先建立 该问题的模型,并以模型为基础对问题进行分析。这一过程,即被称为仿真。如 果建立的是物理模型,如水利工程中的水坝模型、风涧试验中的飞机模型等,则 建模及分析的过程为物理仿真。如果建立的是数学模型,如大气污染物的扩散 模型、物质的反应动力学模型等,则建模及分析的过程为数字仿真。随着计算机 信息处理速度的加快及计算机的普及,数字仿真已开始显现强劲的发展势头,在 工程技术乃至社会生活的许多领域获得广泛应用,被称为是一项“无孔不人”的 技术。 仿真与试验是对立统一。之所以要仿真,主要是进行试验有困难。例如,有 的试验要求高温、高压,条件难以实现;有的试验时间过长、费用较高;有的研究 对象变量多、要求试验次数过多等等。由于数字仿真是在建立数学模型的基础 上,利用计算机速度快、容量大的优点,可以模拟各种苛刻的试验条件,可以在短 时间内获得结果,可以研究包含几十甚至几百个变量的问题,因此相对于试验有 很大的优越性。但是,仿真又不能完全替代试验。仿真模型中的参数,往往要通 过试捡来确定;仿真的结果毫无疑问仍要通过试验来验证。所以,在仿真与试验 的关系上,一是要肯定仿真的重要作用,二是要确定试验的终裁性。将仿真与试 验有机地结合在一起,是研究复杂系统的有效方法。 与航空、化工等领域相比,仿真在环境工程领域还处在起步发展阶段。在单 元操作及处理流程的模型化方面,在模型的求解、解的验证和显示方面,以及在 仿真机的研制方面,均有大量工作要做。笔者编写本章的目的,不是介绍有关仿 真的完整的理论,而是试图结合环境工程实例为读者提供有关仿真的基本方法 即建模与求解的基本方法,以便读者能在环境工程的仿真中应用这些方法,以推 动环境工程仿真工作的发展。 第一节模型的建立 仿真的第一步,是要建立研究对象或过程的数学模型,以描述研究对象或过 程内部各个变量间的相互关系。模型的主要用途,是对问题进行分析。在过程
第一章仿真 的模型建立以后,可以通过有计划地变动模型的输入量,来模拟施加在该过程的 外界扰动或人为控制,以考察该过程的响应情况;也可以通过改变模型的结构或 参数,米模拟过程设施结构或过程参数的变化,以考察过程的输出的相应变化。 模型分类 数学模型主要有机理模型与统计模型两大类。机理模型是依据过程的质 量能量及动量守恒的原则,以及反应动力学等原理来建立模型,属“白箱”模型。 统计模型是依据过程输入输出数据,利用一定的统计方法对数据进行分析来建 立模型,属¨黑箱”模型。有的模型既利用过程机理又利用测试数据来建立模型, 这种模型为混合模型,属“灰箱”模型。究竟使用机理模型还是统计模型,日前仍 有不同意见。侧重工艺的技术人员倾向于使用机理模型,因为机理模型有坚实 的理论基础;而侧重控制的技术人员则倾向于使用统计模型,因为只要有过程的 数据,即可通过辨识来建立模型。在实际工作中,兼考虑过程机理及数据统计的 混合模型获得广泛应用。但在仿真工作中,机理模型仍是使用较多的模型。 数学模型除按建模原理分类之外,还有其它分类方法。例如,在模型的数学 形式上:,有代数方程、微分方程、偏微分方程之分;在模型参数的适用范围上,有 集总参数和分布参数之分;在模型内变量的关系上有线性与非线性之分;在模 型的时间特性上,有连续和离散之分;在变量与时间的关系上,有稳态与非稳态 之分,等等。 本章内容主要涉及过程的机理模型。在机理模型中,集总参数过程的变量 间关系一般用微分方程(组来描述,而分布参数过程的变量间关系一般用偏微 分方程(组)来描述。 二、建模方法 机理模型的建模原则是所谓的“一进一出一反应”,即单位时间单位体积系 统内物质能量或动量的积累量,等于进入该系统的物质能量或动量的量,减去 离开该系统的物质、能量或动量的量,加上(或减去)系统内的物质、能量或动量 的反应生成量(或消失量)。例如,有关物质数量模型的建模原则为 v(dp, /dt)=qv,:-4v,o t 2VR (1.1) 式中,V是反应器体积,ddt是组分j在V内的浓度P。随时间t的变化率 qv、qv分别是流入或流出V的水流量,p;、p分别是组分j在进水和出水中的 浓度,R是第n个反应中组分j生成或消失时浓度变化的速率。 环境工程中污染物处理过程的反应机理一般比较复杂。这种复杂性一是表 现为影响反应进程的因素很多,难以全部搞清楚;二是表现为参与反应的物质种
第一节模型的建立 类较多,且过程参数随空间位置会有所变化。 因此,在建立环境工程过程的机理模型时,一般需要通过合理地引入一些假 定对系统进行简化,抓住主要部分,舍弃次要部分,使模型能在公认的机理的基 础上得以建立;同时,需对系统进行分割,以便在较小的空间子系统范围内使机 理模型得以成立,然后再通过对所有子系统的综合,来达到建立整个系统机理模 型的目的。可以说,建模的基本原则,加上合理的过程假定及合理的系统分割, 是成功建立机理模型的必要条件。 例1.1活性污泥过程模型 活性污泥过程是废水生物处理的重要方法,在城市污水和工业废水的处理 中已得到大量应用。活性污泥过程的模型化工作,长期以来也因此有了长足的 发展。图1.1是典型的活性污泥过程示意图。 空气 进水 出水 曝气池 沉池 四流污泥 废弃污泥 图1.1典型的活性污泥过程示意图 为了建立活性污泥过程的机理模型,1983年国际水污染控制与研究协会 IAWPRO(现更名为国际水质协会IAWQ组织专家在前人活性污泥模型化工作 的基础上进行了长达4年的收集、分析、比较、归纳的研究工作,于1986年发表 了活性污泥过程的 IAWQ NO.1模型。该模型自发表以来,受到环境工程界的 广泛关注,目前已成为活性污泥过程仿真和控制的重要基础。 该模型是在过程假定和系统分割的基础上,用一个微分方程组来描述活性 污泥过程中曝气池内各组分浓度随时间的变化情况模型参数无空间变化,因而 是一个集总参数模型。 1.模型假定 该模型在建模时引入了一个重要的基本假定,就是被模拟的活性污泥过程 当前运行正常。该假定的具体内容包括; 1)曝气池内处于正常pH及温度下; 2)池内傲生物的种群和浓度处正常状态; (3)池内污染物浓度可变,但成分及组成不变; (4)微生物的营养充分; (5)二沉池内无生化反应,仅为一个固液分离装置
第一章仿真 这一假定使模型本身避免了一些不确定性,相应增强了模型的真实性和可 靠性。 2.系统分割 该模型将曝气池内的过程分成8个子过程,将曝气池内的物质分成13个组 分。每个子过程有若干个组分参加,每个组分参与若干个子过程。 8个子过程是: (1)异养菌好氧生长; (2)异养菌缺氧生长; (3)自养菌好氧生长; (4)异养菌衰减; (5)自养菌衰减; (6)可溶有机氮的氨化 (7)被吸着缓慢降解有机碳的“水解”; (8)被吸着缓慢降解有杋氮的“水解 13个组分是 (1)易降解有机碳,S; (2)缓慢降解有机碳,X,; (3)可溶性可降解有机氮,Sn; (4)颗粒状可降解有机氮,Xn; (5)溶解氧,Sn; (6)氨态氮,S山; (7)硝态氮,Sm; (8)碱度,S (9)异养菌,X; (10)自养菌,X如; (11)可溶惰性有机碳,S,; (12)颗粒惰性有机碳,X,; (13)微生物衰减产物,X。 3.基本速率方程 相对于参与某一子过程反应的某一组分,可以写出一个反应动力学方程,以 表示该组分的浓度在该子过程反应中随时间的变化情况。对于该子过程,则可 写出一个或几个组分的反应动力学方程。在构成这若干个动力学方程时,以某 组分的生长或衰减的反应动力学方程作为基本的方程,其它组分的反应动力 学方程以该基本动力学方程为基础经过系数调整来获得
第一节模型的建立 例如,对于异养菌好氧生长这个子过程,涉及异养菌X、易降解有机碳S 溶解氧S。氨态氮S由和碱度Sa。在建立该子过程中各组分的动力学模型时, 以异养菌的好氧反应动力学方程为基础。 异养菌好氧生长的反应动力学方程是 ( dAdt)1=An[S,(K,+S,)][S。/(K。+S)]Xt (1.2) 式中,是异养菌最大比生长速举,K,是相应于S的饱和常数,K.是相应于 S。在异养菌好氧生长中的饱和常数。脚标号表示子过程的编号,方稈(1.2)中 (dXls/dt)的脚标号“1”表示第1个子过程,即异养菌好氧生长。 上述模型实际上是废水生物处理中 Monod方程再乘上一个开关函数[S (K,+S。)。在开关函数中,K。是一个较小的任意数。当溶解氧浓度S。较 大时,该开关函数数值趋近1,表示异养菌的好氧反应动力学符合Mond方程。 当溶解氧浓度S。很小时,该开关函数数值趋近0,表水异养菌的生长因溶解氧 浓度低而难以进行。使用开关函数,是IAWQ模型的一个特色 由于IAWQ模型中各种符号较多,因此在模型中某组分的符号与该组分浓 度的符号未加区分,使用同一符号,这点须加注意。 在异养菌缺氧生长子过程中,各组分的反应动力学方程以异养菌的缺氧生 长动力学方程为基础。该方程是 (dXd)2=A[S(K、+S,)][Sn(Km+S)[K(K。b+S)]nX 式中,K是S在异养菌生长中的饱和常数,脚标“2”表示第2个子过程,即异 养菌缺氧生长,是校正系数。 在自养菌好氧生长子过程中,各组分的反应动力学方程以自养菌的好氧生 长动力学方程为基础。该方程是: ( dXdt)3=p.[Sa(Km+Sa)][S。(K+S。)]X 1.4 式中,是自养菌最大比生长速率,K出是S在自养菌长中的饱和常数,K 是S在自养菌生长中的饱和常数。脚标“3”表示第3个子过程,即自养菌好氧 生长。 在异养菌衰减子过程中,各组分的反应动力学方程以异养菌的衰减动力学 方程为基础。该方程是 (dX /dt)=6.x 式中,b是异养菌衰减一级速率方程动力学常数。脚标“4"表示第4个子过程 即异养菌衰减。 在自养菌衰减子过程中,各组分的反应动力学方程以自养菌的衰减动力学 方程为基础。该方程是