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