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污水处理pH值控制系统的研究

作　者: 马金婷
导　师: 卢秀和
学　校: 长春工业大学
专　业: 电力电子与电力传动
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
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  2-3
Abstract  3-7
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

污水处理pH值控制系统的研究

内容摘要

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