環(huán)境工程仿真與控制

前言

《環(huán)境工程仿真與控制》（第一版）為普通高等教育“九五”國家級規(guī)劃教材，也是面向21世紀課程教材，于2001年由高等教育出版社出版發(fā)行。該教材的特點是將信息技術引入環(huán)境工程專業(yè)教學，在水污染控制、大氣污染控制、固體廢物處理處置等傳統(tǒng)課程的基礎上開創(chuàng)了環(huán)境工程專業(yè)教學的一個新方向。該教材在體系上以信息技術內(nèi)容為綱（系統(tǒng)仿真、過程控制、動態(tài)分析、人工智能等），以環(huán)境工程內(nèi)容為目（活性污泥、厭氧消化、污泥脫水、藥劑投放等），綱舉目張，形成有別于環(huán)境工程傳統(tǒng)教材的新的教材體系。該教材中的許多實例基本為目前或近期環(huán)境工程研究的熱點問題，如ASM、沉淀池流態(tài)、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊控制、專家系統(tǒng)等，教材內(nèi)容富有新意。該書第一版自2001年由高等教育出版社出版發(fā)行以來，受到我國環(huán)境工程專業(yè)教學、科研、技術及管理部門有關人員的廣泛關注。教育部高等教育司2003年9月發(fā)文委托華東理工大學舉辦“環(huán)境工程仿真與控制”師資培訓班（教高司函[2003]191號）。全國有39所高校的52名骨干教師在華東理工大學參加了為期6天42學時的師資培訓班學習?！董h(huán)境工程仿真與控制》（第二版）是普通高等教育“十五”國家級規(guī)劃教材。與第一版相比較，第二版主要增加了兩方面的內(nèi)容：一是MATLAB／Simulink在環(huán)境工程中的應用，涉及活性污泥過程仿真模型的編制、PI控制系統(tǒng)仿真的應用、用Simulink編制神經(jīng)網(wǎng)絡仿真模型及神經(jīng)網(wǎng)絡預測控制模型、用MATLAB工具箱進行模糊控制設計等；二是可編程邏輯控制器（PLC）在環(huán)境工程中的應用，涉及PLC基本原理、開關量控制設計、模擬量控制設計、PLC編程方法等。此外，還對《環(huán)境工程仿真與控制》（第一版）中的部分內(nèi)容進行了一些增、刪，總篇幅約增加1倍。本書第二版由上海市研究生教育專項經(jīng)費和華東理工大學研究生教育基金共同資助，謹此致謝。

內(nèi)容概要

　　全書共分五章，分別為“仿真”、“過程控制”、“動態(tài)分析”、“復雜控制”及“人工智能”。在仿真部分，新增“模型校正”與“模型應用”兩小節(jié)，介紹工廠數(shù)據(jù)的實驗校核及計算校核、模型參數(shù)的靈敏度法校正與經(jīng)驗法校正，用于工藝參數(shù)優(yōu)化的專用仿真平臺及用于控制方案比較的通用仿真平臺等；同時，對計算流體力學軟件FLUENT的使用方法進行了介紹。在控制部分，新增自動控制系統(tǒng)常用概念和工程術語、控制器選擇方法、離散PID控制器算法、控制器參數(shù)整定和投運方法、成分檢測變送器、過程狀態(tài)空間方程模型等，并新增串級、分程、比值、前饋、選擇性、非線性等復雜控制系統(tǒng)在環(huán)境工程中的應用實例?！董h(huán)境工程仿真與控制（第3版）》可作為高等學校環(huán)境工程專業(yè)本科生、研究生及青年教師學習“環(huán)境工程仿真與控制”的教材，也可供從事環(huán)境工程仿真與控制工作的專業(yè)技術人員參考。

書籍目錄

第一章 仿真第一節(jié) 過程建模一、模型分類二、簡單系統(tǒng)建模例1-1 液槽儲水量模型例1-2 帶溢流堰液槽液位模型例1-3 調(diào)節(jié)池水質模型例1-4 曝氣池溶解氧濃度模型例1-5 污泥耗氧速率模型例1-6 污泥生長及氨氮消耗模型例1-7 異養(yǎng)菌好氧生長與有機碳消耗模型三、復雜系統(tǒng)建模例1-8 活性污泥反應池數(shù)學模型例1-9 厭氧消化過程數(shù)學模型例1-10 二沉池一維濃度分布模型例1-11 沉淀池二維流場模型第二節(jié) 計算方法一、四階龍格一庫塔法例1-12 利用四階龍格一庫塔法計算連續(xù)反應物質濃度變化二、有限差分法例1-13 矩形二沉池流體流速及固體濃度穩(wěn)態(tài)分布三、MATLAB/Simulink應用例1-14 利用Simulink編制基于ASMl的活性污泥過程數(shù)學模型例1-15 利用Simulink編制倒置AAO流程基于ASM2D的仿真程序四、FLUENT應用例1-16 平流式二沉池流態(tài)分析第三節(jié) 模型校正一、數(shù)據(jù)校核例1-17 利用0uR法測定污水易降解有機碳濃度例1-18 利用守恒計算校核數(shù)據(jù)二、參數(shù)校正例1-19 倒置AA0流程模型參數(shù)靈敏度分析三、規(guī)范化校正例1-20 BioMath校正流程第四節(jié) 模型應用例1-21 UniTank工藝流程專用仿真平臺例1-22 A/O流程自動控制通用仿真平臺第二章 過程控制第一節(jié) 基本概念一、系統(tǒng)組成二、基本要求例2-1 溶解氧濃度控制器正反作用的選擇第二節(jié) PID控制規(guī)律一、比例控制二、積分控制三、微分控制四、離散PID控制例2-2 溶解氧濃度PI控制第三節(jié) 自動化儀表一、控制器二、執(zhí)行器三、檢測變送器四、設計符號例2-3 初沉池和污泥泵的過程控制例2-4 流量分配的過程控制例2-5 深冷制氧的過程控制例2-6 廢棄污泥的過程控制例2-7 藥劑投放的過程控制第四節(jié) 可編程邏輯控制器(PLC)一、PLC的基本概念二、開關量控制例2-8 曝氣池單元的PLC控制例2-9 進水泵房單元的PLC控制三、模擬量控制例2-10 環(huán)境溫度PLC控制四、編程方法例2-11 SBR程序PLC控制第三章 動態(tài)分析第一節(jié) 輸入-輸出模型一、輸入-輸出模型的建立例3-1 攪拌槽加熱器輸入一輸出模型例3-2 混合過程的輸入一輸出模型二、非線性系統(tǒng)的線性化例3-3 污水儲槽液位模型線性化例3-4 連續(xù)攪拌反應釜模型線性化第二節(jié) 狀態(tài)方程模型例3-5 串聯(lián)水槽的狀態(tài)方程模型例3-6 活性污泥法曝氣池狀態(tài)方程第三節(jié) 傳遞函數(shù)一、拉普拉斯變換二、傳遞函數(shù)例3-7 連續(xù)攪拌反應釜的傳遞矩陣及其零點和極點例3-8 串聯(lián)水槽的傳遞函數(shù)三、拉普拉斯反變換四、數(shù)學模型間的轉換例3-9 在MATLAB環(huán)境下實現(xiàn)模型之間的轉換第四節(jié) 過程動態(tài)分析一、定性分析二、定量分析例3-10 儲槽液位模型分析例3-11 兩個串聯(lián)相互無影響的質量容量例3-12 兩個串聯(lián)相互有影響的質量容量第五節(jié) 反饋控制過程動態(tài)響應一、閉環(huán)動態(tài)響應例3-13 求儲槽加熱器溫度反饋控制系統(tǒng)的閉環(huán)響應二、比例控制對過程動態(tài)的作用三、積分控制對過程動態(tài)的作用四、微分控制對過程動態(tài)的作用第四章 復雜控制第一節(jié) 串級控制一、結構與原理二、串級控制系統(tǒng)的設計與應用例4-1 污水溫度串級控制例4-2 物料浸取過程溫度串級控制例4-3 石灰石漿液密度串級控制例4-4 精餾塔溫度串級控制例4-5 溶解氧DO濃度和鼓風機風量串級控制例4-6 廢水焚燒爐溫度串級控制第二節(jié) 比值控制一、結構與原理例4-7 氨氧化過程變比值控制二、比值控制系統(tǒng)的設計與應用例4-8 自來水消毒裝置的水氯比值控制例4-9 硫黃回收裝置的燃料氣/酸性氣/空氣比值控制第三節(jié) 均勻控制一、結構與原理二、均勻控制系統(tǒng)的設計與應用例4-10 串聯(lián)曝氣池液位-流量串級均勻控制第四節(jié) 分程控制一、結構與原理二、分程控制系統(tǒng)的設計與應用例4-11 蒸汽減壓分程控制例4-12 工業(yè)廢水pH分程控制例4-13 潔凈室溫濕度分程控制第五節(jié) 選擇性控制一、結構與原理例4-14 兩個反應器負荷平衡選擇性控制系統(tǒng)例4-15 有機溶劑回收選擇性控制系統(tǒng)例4-16 蒸汽鍋爐的燃燒控制二、選擇性控制系統(tǒng)的設計與應用例4-17 鍋爐壓力保護選擇性控制例4-18 產(chǎn)量自動調(diào)整選擇性控制例4-19 節(jié)水系統(tǒng)選擇性控制例4-20 焚燒爐雙交叉燃燒控制第六節(jié) 前饋控制一、結構與原理二、前饋控制系統(tǒng)的設計與應用例4-21 鍋爐汽包液位前饋控制例4-22 蒸發(fā)過程前饋-反饋控制例4-23 連續(xù)消毒塔溫度前饋-反饋控制例4-24 原油廢水處理裝置廢水濃度前饋-串級反饋控制例4-25 前置反硝化的碳源投加前饋-反饋控制第七節(jié) 非線性控制一、結構與原理二、非線性控制系統(tǒng)的設計與應用例4-26 pH的非線性控制例4-27 澄清池、清水池液位非線性控制第五章 人工智能第一節(jié) 神經(jīng)網(wǎng)絡一、基本概念二、訓練方法例5-1 活性污泥處理過程曝氣池曝氣量控制神經(jīng)網(wǎng)絡分類模型例5-2 活性污泥過程動態(tài)過程神經(jīng)網(wǎng)絡擬合模型例5-3 廢紙造紙廢水處理過程神經(jīng)網(wǎng)絡建模例5-4 污水處理過程的遞階神經(jīng)網(wǎng)絡建模三、神經(jīng)網(wǎng)絡控制例5-5 一體化氧化溝溶解氧濃度神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制四、MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱應用例5-6 簡化ASM1的神經(jīng)網(wǎng)絡模擬例5-7 液槽混合濃度神經(jīng)網(wǎng)絡模型預測控制第二節(jié) 模糊控制一、模糊集合理論二、模糊控制設計方法例5-8 污泥脫水模糊控制系統(tǒng)設計例5-9 曝氣池曝氣流量模糊控制三、MATLAB模糊控制工具箱應用例5-10 污泥回流模糊控制設計第三節(jié) 專家系統(tǒng)一、基本概念二、知識庫構建例5-11 活性污泥過程故障診斷專家系統(tǒng)知識庫三、專家系統(tǒng)編制例5-12 利用MSVisualBasic5.0和Access2000編制專家系統(tǒng)軟件四、專家系統(tǒng)控制例5-13 污水處理過程pH專家控制系統(tǒng)主要參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：仿真的第一步，是要建立研究對象或過程的數(shù)學模型，以描述研究對象或過程內(nèi)部各個變量間的相互關系。模型的主要用途是對問題進行分析。在過程的模型建立以后，可以通過有計劃地變動模型的輸人量，來模擬施加在該過程的外界擾動或人為控制，以考察該過程的響應情況；也可以通過改變模型的結構或參數(shù)，來模擬過程設施結構或過程參數(shù)的變化，以考察過程輸出的相應變化。一、模型分類數(shù)學模型主要有機理模型與統(tǒng)計模型兩大類。機理模型是依據(jù)過程的質量、能量及動量守恒的原則，以及反應動力學等原理來建立模型，屬“白箱”模型。統(tǒng)計模型是依據(jù)過程輸入、輸出數(shù)據(jù)，利用一定的統(tǒng)計方法對數(shù)據(jù)進行分析來建立模型，屬“黑箱”模型。有的模型既利用過程機理又利用測試數(shù)據(jù)來建立模型，這種模型為混合模型，屬“灰箱”模型。究竟使用機理模型還是統(tǒng)計模型，目前仍有各種意見。側重工藝的技術人員往往傾向于使用機理模型，因為機理模型有堅實的理論基礎；而側重控制的技術人員可能傾向于使用統(tǒng)計模型，因為只要有過程的數(shù)據(jù)，即可通過辨識來建立模型。在實際工作中，兼顧過程機理及數(shù)據(jù)統(tǒng)計的混合模型獲得廣泛應用。數(shù)學模型除按建模原理分類之外，還有其他分類方法。例如，在模型的數(shù)學形式上，有代數(shù)方程、微分方程、偏微分方程之分；在模型參數(shù)的適用范圍上，有集總參數(shù)和分布參數(shù)之分；在模型內(nèi)變量的關系上，有線性與非線性之分；在模型的時間特性上，有連續(xù)和離散之分；在變量與時間的關系上，有穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)之分，等等。在仿真工作中，機理模型仍是使用較多的模型。本章內(nèi)容主要涉及過程的機理模型。在機理模型中，集總參數(shù)過程的變量間關系一般用微分方程（組）來描述，而分布參數(shù)過程的變量間關系一般用偏微分方程（組）來描述。

編輯推薦

《環(huán)境工程仿真與控制(第3版)》是面向21世紀課程教材。

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