基于自适应神经模糊控制的研究与设计报告.doc
约60页DOC格式手机打开展开
基于自适应神经模糊控制的研究与设计报告,本文共60页，33000余字，文中含有大量控制框图，对比图，系统结构图，流程图等等；图文并茂，结构清楚，是难得的好论文！ 摘 要混凝环节是水处理中非常重要的环节，准确的投加混凝剂可以有效减轻过滤、消毒设备的负担，是提高水质、取的良好混凝效果及经济效益的关键。目前国内众多水厂采用的混...
内容介绍
此文档由会员 霜天盈月 发布
基于自适应神经模糊控制的研究与设计报告
本文共60页，33000余字，文中含有大量控制框图，对比图，系统结构图，流程图等等；图文并茂，结构清楚，是难得的好论文！
摘 要
混凝环节是水处理中非常重要的环节，准确的投加混凝剂可以有效减轻过滤、消毒设备的负担，是提高水质、取的良好混凝效果及经济效益的关键。目前国内众多水厂采用的混凝投药控制主要是基于流动电流的反馈投药控制和基于传统数学模型的前馈投药控制，控制效果都不太理想，存在沉淀池出水浊度波动大，药剂浪费严重等问题。如何在线得到适合水质变化的最佳混凝剂量，实现混凝剂量的最佳投加，是目前水工业中亟待解决的问题。
混凝过程包括混凝剂的投加、混合、絮凝和沉淀部分，这个过程需要40 min以上的时间；影响因素众多，受原水浊度、温度、PH、碱度等的影响，还受配水流量和混凝工艺的影响，是个复杂的物理化学过程，难以准确数学模型。混凝过程是大滞后、非线性、时变系统，难以按传统的控制方法进行有效的投药控制。蓬勃发展的智能控制理论为这一问题的解决提供了新的出路。
本文首先介绍了水处理过程和混凝投药控制的发展、现状，在简要介绍智能控制理论中的神经网络控制和模糊逻辑系统之后，引入神经网络与模糊逻辑的融合，并详细介绍了一种用多层前馈神经网络优化模糊逻辑系统的自适应模糊推理系统－ANFIS。然后在分析混凝过程特性和目前主要使用的投药控制方案的基础上，分别设计了能够取代烧杯试验投药控制的基于原水浊度、温度、PH、碱度的BP神经网络前馈投药控制器和ANFIS前馈投药控制器，重点为后者。在ANFIS前馈投药控制器的设计中，运用减法聚类对样本数据进行空间划分，获取初始模糊隶属函数和模糊规则，得到ANFIS模型的初始结构。用成功的烧杯试验历史数据进行了仿真验证，为了比较还进行了传统的数学模型前馈投药控制仿真，从投药预测值－实际值的对比图和均方根误差(RMSE)等可以看出ANFIS投药前馈控制模型明显优于其它两种控制模型，它能够根据原水水质适时有效预测混凝投药量，而神经网络前馈控制器模型的投药预测效果一般。最后本文又进行了ANFIS前馈投药控制的工程实现方案初步设计。
关键词：混凝投药控制, 前馈控制, BP神经网络, 自适应神经模糊推理系统,水处理
Abstract
Coagulation is one of the most important processes of water treatment. It can reduce the operating load of filtration and antisepsis equipments by adding coagulant dosing accurately, which is very important to improve water qualities and economic benefits. At present the dosing control of domestic factory is based on streaming current detector (SCD) feed-back control and based on mathematic model feed-forward coagulant dosing control. But the results of both coagulant control schemes are not satisfying. There are some questions of chemicals wastage and sediment output water qualities varieties. It is a pending problem how to calculate the efficient coagulant dosage according currently raw water qualities in water treatment industry.
目 录
第一章 绪论 ………………………………………………………………………6
1.1水处理过程…………………………………………………………………6
1.1.1水中杂质及处理方法…………………………………………………6
1.1.2 净水处理基本工艺 ……………………………………………… 7
1.1.2.1 预处理…………………………………………………………7
1.1.2.2混凝、沉淀……………………………………………………8
1.1.2.3 过滤、消毒……………………………………………………8
1.2 混凝投药系统研究意义 ………………………………………………9
1.3 混凝投药控制的发展、现状 …………………………………………9
1.3.1 手动控制阶段 …………………………………………………10
1.3.2 自动控制阶段 …………………………………………………10
1.3.2.1 简单反馈控制系统………………………………………10
1.3.2.2 前馈控制系统……………………………………………10
1.3.2.3 复合控制系统……………………………………………12
1.3.3智能控制阶段……………………………………………………13
1.4 本文主要工作………………………………………………………14
第二章 神经模糊控制理论述 ………………………………………………15
2.1神经网络控制…………………………………………………………15
2.1.1神经网络结构…………………………………………………… 16
2.1.2 BP神经网络……………………………………………… 17
2.1.3 神经网络特点 …………………………………………………20
2.2 模糊控制……………………………………………………………… 20
2.2.1基本概念，基本思想 ……………… …………………………21
2.2.2模糊控制的特点…………………………………………………23
2.3 自适应神经模糊推理系统……………………………………………23
2.4 小结………………………………………………………………… 27
第三章 混凝投药控制系统分析………………………………………………28
3.1 影响混凝效果因素……………………………………………………28
3.2 被控对象特性…………………………………………………………29
3.2.1 影响混凝的水质因素分析………………………………………29
3.2.2混凝过程的主要特点……………………………………………30
3.3 混凝投药控制方案分析 ……………………………………………30
3.3.1 反馈投药控制方式 ……………………………………………31
3.3.2前馈投药控制方式………………………………………………32
3.3.3本文采用方案 …………………………………………………32
3.3.4 小节 ……………………………………………………………35
第四章 混凝投药量前馈控制器的设计和仿真…………………………………36
4.1 数据来源………………………………………………………………36
4.2 投药量的神经网络前馈控制器………………………………………38
4.2.1 BP神经网络控制器的设计……………………………………38
4.2.1.1 数据归一化……………………………………………38
4.2.2 仿真实现………………………………………………………41
4.3混凝投药量的ANFIS前馈控制………………………………………43
4.3.1初始模糊推理系统的建立……………………………………43
4.3.1.1减法聚类 ……………………………………………45
4.3.1.2 由聚类中心构造一阶T-S模型 ……………………45
4.3.2 仿真实现…………………………………………………… 46
4.4 传统的回归模型法仿真结果………………………………………48
4.5 仿真结果比较分析…………………………………………………50
4.6 小结…………………………………………………………………51
第五章 ANFIS投药控制的工程实现方案………………………………………47
5.1水厂现状……………………………………………………………47
5.2 ANFIS前馈控制部分的软硬件实现 ……………………………47
5.2.1 离线学习的实现……………………………………………47
5.2.2 在线控制的实现……………………………………………48
5.2.3 离线再优化…………………………………………………55
5.3药液投加控制………………………………………………………55
5.4 小节 ………………………………………………………………55
第六章 结 束 语 ……………………………………………………………… 56
参考文献 …………………………………………………………………………57
致谢 ………………………………………………………………………………60
部分参考文献
【1】 丹宝宪仁，小笠原纮一. 日本现代净水技术(包方成 译). 吉林：吉林科学技术出版社，1992.
【2】 樊冠球. 搞好混凝处理是提高供水水质的关键. 中国给水排水, 2001, Vol.17, No.8:58-60
【3】 袁宗宣,郑怀礼. 絮凝科学与技术的进展. 重庆大学学报(自科版), 2001, Vol.24, No.2:143-147
【4】 崔福义，李圭白. 流动电流混凝控制技术在我国的应用与发展十年回顾. 给排水在线
【5】 崔福义，李圭白. 流动电流混凝控制技术在我国的应用. 中国给水排水, 1999, Vol.15, No.7:24-26
【6】 于水利，李圭白. 高浊度水絮凝投药自动控制系统模型试验研究. 中国给水排水, 1994, Vol.10, No.7:11-15
本文共60页，33000余字，文中含有大量控制框图，对比图，系统结构图，流程图等等；图文并茂，结构清楚，是难得的好论文！
摘 要
混凝环节是水处理中非常重要的环节，准确的投加混凝剂可以有效减轻过滤、消毒设备的负担，是提高水质、取的良好混凝效果及经济效益的关键。目前国内众多水厂采用的混凝投药控制主要是基于流动电流的反馈投药控制和基于传统数学模型的前馈投药控制，控制效果都不太理想，存在沉淀池出水浊度波动大，药剂浪费严重等问题。如何在线得到适合水质变化的最佳混凝剂量，实现混凝剂量的最佳投加，是目前水工业中亟待解决的问题。
混凝过程包括混凝剂的投加、混合、絮凝和沉淀部分，这个过程需要40 min以上的时间；影响因素众多，受原水浊度、温度、PH、碱度等的影响，还受配水流量和混凝工艺的影响，是个复杂的物理化学过程，难以准确数学模型。混凝过程是大滞后、非线性、时变系统，难以按传统的控制方法进行有效的投药控制。蓬勃发展的智能控制理论为这一问题的解决提供了新的出路。
本文首先介绍了水处理过程和混凝投药控制的发展、现状，在简要介绍智能控制理论中的神经网络控制和模糊逻辑系统之后，引入神经网络与模糊逻辑的融合，并详细介绍了一种用多层前馈神经网络优化模糊逻辑系统的自适应模糊推理系统－ANFIS。然后在分析混凝过程特性和目前主要使用的投药控制方案的基础上，分别设计了能够取代烧杯试验投药控制的基于原水浊度、温度、PH、碱度的BP神经网络前馈投药控制器和ANFIS前馈投药控制器，重点为后者。在ANFIS前馈投药控制器的设计中，运用减法聚类对样本数据进行空间划分，获取初始模糊隶属函数和模糊规则，得到ANFIS模型的初始结构。用成功的烧杯试验历史数据进行了仿真验证，为了比较还进行了传统的数学模型前馈投药控制仿真，从投药预测值－实际值的对比图和均方根误差(RMSE)等可以看出ANFIS投药前馈控制模型明显优于其它两种控制模型，它能够根据原水水质适时有效预测混凝投药量，而神经网络前馈控制器模型的投药预测效果一般。最后本文又进行了ANFIS前馈投药控制的工程实现方案初步设计。
关键词：混凝投药控制, 前馈控制, BP神经网络, 自适应神经模糊推理系统,水处理
Abstract
Coagulation is one of the most important processes of water treatment. It can reduce the operating load of filtration and antisepsis equipments by adding coagulant dosing accurately, which is very important to improve water qualities and economic benefits. At present the dosing control of domestic factory is based on streaming current detector (SCD) feed-back control and based on mathematic model feed-forward coagulant dosing control. But the results of both coagulant control schemes are not satisfying. There are some questions of chemicals wastage and sediment output water qualities varieties. It is a pending problem how to calculate the efficient coagulant dosage according currently raw water qualities in water treatment industry.
目 录
第一章 绪论 ………………………………………………………………………6
1.1水处理过程…………………………………………………………………6
1.1.1水中杂质及处理方法…………………………………………………6
1.1.2 净水处理基本工艺 ……………………………………………… 7
1.1.2.1 预处理…………………………………………………………7
1.1.2.2混凝、沉淀……………………………………………………8
1.1.2.3 过滤、消毒……………………………………………………8
1.2 混凝投药系统研究意义 ………………………………………………9
1.3 混凝投药控制的发展、现状 …………………………………………9
1.3.1 手动控制阶段 …………………………………………………10
1.3.2 自动控制阶段 …………………………………………………10
1.3.2.1 简单反馈控制系统………………………………………10
1.3.2.2 前馈控制系统……………………………………………10
1.3.2.3 复合控制系统……………………………………………12
1.3.3智能控制阶段……………………………………………………13
1.4 本文主要工作………………………………………………………14
第二章 神经模糊控制理论述 ………………………………………………15
2.1神经网络控制…………………………………………………………15
2.1.1神经网络结构…………………………………………………… 16
2.1.2 BP神经网络……………………………………………… 17
2.1.3 神经网络特点 …………………………………………………20
2.2 模糊控制……………………………………………………………… 20
2.2.1基本概念，基本思想 ……………… …………………………21
2.2.2模糊控制的特点…………………………………………………23
2.3 自适应神经模糊推理系统……………………………………………23
2.4 小结………………………………………………………………… 27
第三章 混凝投药控制系统分析………………………………………………28
3.1 影响混凝效果因素……………………………………………………28
3.2 被控对象特性…………………………………………………………29
3.2.1 影响混凝的水质因素分析………………………………………29
3.2.2混凝过程的主要特点……………………………………………30
3.3 混凝投药控制方案分析 ……………………………………………30
3.3.1 反馈投药控制方式 ……………………………………………31
3.3.2前馈投药控制方式………………………………………………32
3.3.3本文采用方案 …………………………………………………32
3.3.4 小节 ……………………………………………………………35
第四章 混凝投药量前馈控制器的设计和仿真…………………………………36
4.1 数据来源………………………………………………………………36
4.2 投药量的神经网络前馈控制器………………………………………38
4.2.1 BP神经网络控制器的设计……………………………………38
4.2.1.1 数据归一化……………………………………………38
4.2.2 仿真实现………………………………………………………41
4.3混凝投药量的ANFIS前馈控制………………………………………43
4.3.1初始模糊推理系统的建立……………………………………43
4.3.1.1减法聚类 ……………………………………………45
4.3.1.2 由聚类中心构造一阶T-S模型 ……………………45
4.3.2 仿真实现…………………………………………………… 46
4.4 传统的回归模型法仿真结果………………………………………48
4.5 仿真结果比较分析…………………………………………………50
4.6 小结…………………………………………………………………51
第五章 ANFIS投药控制的工程实现方案………………………………………47
5.1水厂现状……………………………………………………………47
5.2 ANFIS前馈控制部分的软硬件实现 ……………………………47
5.2.1 离线学习的实现……………………………………………47
5.2.2 在线控制的实现……………………………………………48
5.2.3 离线再优化…………………………………………………55
5.3药液投加控制………………………………………………………55
5.4 小节 ………………………………………………………………55
第六章 结 束 语 ……………………………………………………………… 56
参考文献 …………………………………………………………………………57
致谢 ………………………………………………………………………………60
部分参考文献
【1】 丹宝宪仁，小笠原纮一. 日本现代净水技术(包方成 译). 吉林：吉林科学技术出版社，1992.
【2】 樊冠球. 搞好混凝处理是提高供水水质的关键. 中国给水排水, 2001, Vol.17, No.8:58-60
【3】 袁宗宣,郑怀礼. 絮凝科学与技术的进展. 重庆大学学报(自科版), 2001, Vol.24, No.2:143-147
【4】 崔福义，李圭白. 流动电流混凝控制技术在我国的应用与发展十年回顾. 给排水在线
【5】 崔福义，李圭白. 流动电流混凝控制技术在我国的应用. 中国给水排水, 1999, Vol.15, No.7:24-26
【6】 于水利，李圭白. 高浊度水絮凝投药自动控制系统模型试验研究. 中国给水排水, 1994, Vol.10, No.7:11-15
