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(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，也是面向21世紀(jì)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(diǎn)是將信息技術(shù)引入環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)，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(chǔ)上開(kāi)創(chuàng)了環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)的一個(gè)新方向。該教材在體系上以信息技術(shù)內(nèi)容為綱（系統(tǒng)仿真、過(guò)程控制、動(dòng)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(shí)例基本為目前或近期環(huán)境工程研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，如ASM、沉淀池流態(tài)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、專(zhuān)家系統(tǒng)等，教材內(nèi)容富有新意。該書(shū)第一版自2001年由高等教育出版社出版發(fā)行以來(lái)，受到我國(guó)環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)、科研、技術(shù)及管理部門(mén)有關(guān)人員的廣泛關(guān)注。教育部高等教育司2003年9月發(fā)文委托華東理工大學(xué)舉辦“環(huán)境工程仿真與控制”師資培訓(xùn)班（教高司函[2003]191號(hào)）。全國(guó)有39所高校的52名骨干教師在華東理工大學(xué)參加了為期6天42學(xué)時(shí)的師資培訓(xùn)班學(xué)習(xí)?！董h(huán)境工程仿真與控制》（第二版）是普通高等教育“十五”國(guó)家級(jí)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(yīng)用，涉及活性污泥過(guò)程仿真模型的編制、PI控制系統(tǒng)仿真的應(yīng)用、用Simulink編制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真模型及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制模型、用MATLAB工具箱進(jìn)行模糊控制設(shè)計(jì)等；二是可編程邏輯控制器（PLC）在環(huán)境工程中的應(yīng)用，涉及PLC基本原理、開(kāi)關(guān)量控制設(shè)計(jì)、模擬量控制設(shè)計(jì)、PLC編程方法等。此外，還對(duì)《環(huán)境工程仿真與控制》（第一版）中的部分內(nèi)容進(jìn)行了一些增、刪，總篇幅約增加1倍。本書(shū)第二版由上海市研究生教育專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)和華東理工大學(xué)研究生教育基金共同資助，謹(jǐn)此致謝。

內(nèi)容概要

　　全書(shū)共分五章，分別為“仿真”、“過(guò)程控制”、“動(dòng)態(tài)分析”、“復(fù)雜控制”及“人工智能”。在仿真部分，新增“模型校正”與“模型應(yīng)用”兩小節(jié)，介紹工廠數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)校核及計(jì)算校核、模型參數(shù)的靈敏度法校正與經(jīng)驗(yàn)法校正，用于工藝參數(shù)優(yōu)化的專(zhuān)用仿真平臺(tái)及用于控制方案比較的通用仿真平臺(tái)等；同時(shí)，對(duì)計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT的使用方法進(jìn)行了介紹。在控制部分，新增自動(dòng)控制系統(tǒng)常用概念和工程術(shù)語(yǔ)、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(yùn)方法、成分檢測(cè)變送器、過(guò)程狀態(tài)空間方程模型等，并新增串級(jí)、分程、比值、前饋、選擇性、非線性等復(fù)雜控制系統(tǒng)在環(huán)境工程中的應(yīng)用實(shí)例?！董h(huán)境工程仿真與控制（第3版）》可作為高等學(xué)校環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)本科生、研究生及青年教師學(xué)習(xí)“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(zhuān)業(yè)技術(shù)人員參考。

書(shū)籍目錄

第一章 仿真第一節(jié) 過(guò)程建模一、模型分類(lèi)二、簡(jiǎn)單系統(tǒng)建模例1-1 液槽儲(chǔ)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(zhì)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(zhǎng)及氨氮消耗模型例1-7 異養(yǎng)菌好氧生長(zhǎng)與有機(jī)碳消耗模型三、復(fù)雜系統(tǒng)建模例1-8 活性污泥反應(yīng)池?cái)?shù)學(xué)模型例1-9 厭氧消化過(guò)程數(shù)學(xué)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(chǎng)模型第二節(jié) 計(jì)算方法一、四階龍格一庫(kù)塔法例1-12 利用四階龍格一庫(kù)塔法計(jì)算連續(xù)反應(yīng)物質(zhì)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(yīng)用例1-14 利用Simulink編制基于ASMl的活性污泥過(guò)程數(shù)學(xué)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(yīng)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(cè)定污水易降解有機(jī)碳濃度例1-18 利用守恒計(jì)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(yīng)用例1-21 UniTank工藝流程專(zhuān)用仿真平臺(tái)例1-22 A/O流程自動(dòng)控制通用仿真平臺(tái)第二章 過(guò)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(dòng)化儀表一、控制器二、執(zhí)行器三、檢測(cè)變送器四、設(shè)計(jì)符號(hào)例2-3 初沉池和污泥泵的過(guò)程控制例2-4 流量分配的過(guò)程控制例2-5 深冷制氧的過(guò)程控制例2-6 廢棄污泥的過(guò)程控制例2-7 藥劑投放的過(guò)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(kāi)關(guān)量控制例2-8 曝氣池單元的PLC控制例2-9 進(jìn)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(dòng)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(guò)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(chǔ)槽液位模型線性化例3-4 連續(xù)攪拌反應(yīng)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(yīng)釜的傳遞矩陣及其零點(diǎn)和極點(diǎn)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(xué)模型間的轉(zhuǎn)換例3-9 在MATLAB環(huán)境下實(shí)現(xiàn)模型之間的轉(zhuǎn)換第四節(jié) 過(guò)程動(dòng)態(tài)分析一、定性分析二、定量分析例3-10 儲(chǔ)槽液位模型分析例3-11 兩個(gè)串聯(lián)相互無(wú)影響的質(zhì)量容量例3-12 兩個(gè)串聯(lián)相互有影響的質(zhì)量容量第五節(jié) 反饋控制過(guò)程動(dòng)態(tài)響應(yīng)一、閉環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)例3-13 求儲(chǔ)槽加熱器溫度反饋控制系統(tǒng)的閉環(huán)響應(yīng)二、比例控制對(duì)過(guò)程動(dòng)態(tài)的作用三、積分控制對(duì)過(guò)程動(dòng)態(tài)的作用四、微分控制對(duì)過(guò)程動(dòng)態(tài)的作用第四章 復(fù)雜控制第一節(jié) 串級(jí)控制一、結(jié)構(gòu)與原理二、串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用例4-1 污水溫度串級(jí)控制例4-2 物料浸取過(guò)程溫度串級(jí)控制例4-3 石灰石漿液密度串級(jí)控制例4-4 精餾塔溫度串級(jí)控制例4-5 溶解氧DO濃度和鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量串級(jí)控制例4-6 廢水焚燒爐溫度串級(jí)控制第二節(jié) 比值控制一、結(jié)構(gòu)與原理例4-7 氨氧化過(guò)程變比值控制二、比值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用例4-8 自來(lái)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(jié)構(gòu)與原理二、均勻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用例4-10 串聯(lián)曝氣池液位-流量串級(jí)均勻控制第四節(jié) 分程控制一、結(jié)構(gòu)與原理二、分程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)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(jié)構(gòu)與原理例4-14 兩個(gè)反應(yīng)器負(fù)荷平衡選擇性控制系統(tǒng)例4-15 有機(jī)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(shè)計(jì)與應(yīng)用例4-17 鍋爐壓力保護(hù)選擇性控制例4-18 產(chǎn)量自動(dòng)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(jié)構(gòu)與原理二、前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用例4-21 鍋爐汽包液位前饋控制例4-22 蒸發(fā)過(guò)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(jí)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(jié)構(gòu)與原理二、非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)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(luò)一、基本概念二、訓(xùn)練方法例5-1 活性污泥處理過(guò)程曝氣池曝氣量控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)模型例5-2 活性污泥過(guò)程動(dòng)態(tài)過(guò)程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合模型例5-3 廢紙?jiān)旒垙U水處理過(guò)程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模例5-4 污水處理過(guò)程的遞階神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模三、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制例5-5 一體化氧化溝溶解氧濃度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制四、MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱應(yīng)用例5-6 簡(jiǎn)化ASM1的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬例5-7 液槽混合濃度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)控制第二節(jié) 模糊控制一、模糊集合理論二、模糊控制設(shè)計(jì)方法例5-8 污泥脫水模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)例5-9 曝氣池曝氣流量模糊控制三、MATLAB模糊控制工具箱應(yīng)用例5-10 污泥回流模糊控制設(shè)計(jì)第三節(jié) 專(zhuān)家系統(tǒng)一、基本概念二、知識(shí)庫(kù)構(gòu)建例5-11 活性污泥過(guò)程故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)三、專(zhuān)家系統(tǒng)編制例5-12 利用MSVisualBasic5.0和Access2000編制專(zhuān)家系統(tǒng)軟件四、專(zhuān)家系統(tǒng)控制例5-13 污水處理過(guò)程pH專(zhuān)家控制系統(tǒng)主要參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：仿真的第一步，是要建立研究對(duì)象或過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，以描述研究對(duì)象或過(guò)程內(nèi)部各個(gè)變量間的相互關(guān)系。模型的主要用途是對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析。在過(guò)程的模型建立以后，可以通過(guò)有計(jì)劃地變動(dòng)模型的輸人量，來(lái)模擬施加在該過(guò)程的外界擾動(dòng)或人為控制，以考察該過(guò)程的響應(yīng)情況；也可以通過(guò)改變模型的結(jié)構(gòu)或參數(shù)，來(lái)模擬過(guò)程設(shè)施結(jié)構(gòu)或過(guò)程參數(shù)的變化，以考察過(guò)程輸出的相應(yīng)變化。一、模型分類(lèi)數(shù)學(xué)模型主要有機(jī)理模型與統(tǒng)計(jì)模型兩大類(lèi)。機(jī)理模型是依據(jù)過(guò)程的質(zhì)量、能量及動(dòng)量守恒的原則，以及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等原理來(lái)建立模型，屬“白箱”模型。統(tǒng)計(jì)模型是依據(jù)過(guò)程輸入、輸出數(shù)據(jù)，利用一定的統(tǒng)計(jì)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來(lái)建立模型，屬“黑箱”模型。有的模型既利用過(guò)程機(jī)理又利用測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)建立模型，這種模型為混合模型，屬“灰箱”模型。究竟使用機(jī)理模型還是統(tǒng)計(jì)模型，目前仍有各種意見(jiàn)。側(cè)重工藝的技術(shù)人員往往傾向于使用機(jī)理模型，因?yàn)闄C(jī)理模型有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)；而側(cè)重控制的技術(shù)人員可能傾向于使用統(tǒng)計(jì)模型，因?yàn)橹灰羞^(guò)程的數(shù)據(jù)，即可通過(guò)辨識(shí)來(lái)建立模型。在實(shí)際工作中，兼顧過(guò)程機(jī)理及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的混合模型獲得廣泛應(yīng)用。數(shù)學(xué)模型除按建模原理分類(lèi)之外，還有其他分類(lèi)方法。例如，在模型的數(shù)學(xué)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(guān)系上，有線性與非線性之分；在模型的時(shí)間特性上，有連續(xù)和離散之分；在變量與時(shí)間的關(guān)系上，有穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)之分，等等。在仿真工作中，機(jī)理模型仍是使用較多的模型。本章內(nèi)容主要涉及過(guò)程的機(jī)理模型。在機(jī)理模型中，集總參數(shù)過(guò)程的變量間關(guān)系一般用微分方程（組）來(lái)描述，而分布參數(shù)過(guò)程的變量間關(guān)系一般用偏微分方程（組）來(lái)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(jì)課程教材。

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