设计-基于模糊控制的智能空气质量监测.docx

基于模糊控制的智能空气质量监测摘要现代工业和社会经济的快速发展，使社会财富成倍增长，人类的生活水平较之以前有了很大幅度的提高,但随之而来的还有日趋严重的城市环境问题，其中，城市空气污染是倍受人们关注的问题之一。中国深入贯彻可持续发展战略，环境污染问题已经严重阻碍到了社会的发展，为有效治理空气污染问题，首先要对城市空气污染现状有所了解，通过一些科学方法预测其发展趋势，这将会给城市空气污染的有效控制和可持续发展战略的实施提供重要的参考信息。本论文是在模糊集合、模糊逻辑、模糊推理等模糊数学基础上，分析阐述了模糊控制系统基本原理及模糊控制器的设计过程，将模糊控制系统应用于空气监测上，根据空气质量监测原理的要求，构建了基于模糊控制的空气质量监测，并对其进行了仿真测试和性能分析，研究表明将模糊控制模型应用于空气质量监测具有良好的发展前景，在实践中有重大意义。关键词：空气质量监测；模糊逻辑；模糊推理；模糊控制器；模糊控制IntelligentairqualitymonitoringbasedonfuzzycontrolAbstractTherapiddevelopmentofmodemindustryandsocialeconomymakesthesocialwealthgrowexponentially,andthelivingstandardofmankindhasbeengreatlyimprovedthanbefore.However,therearealsotheincreasinglyseriousurbanenvironmentalproblems,andtheairpollutionisoneoftheproblemsthatpeoplepaycloseattentionto.Chinathoroughlyimplementedthestrategyofsustainabledevelopment,theproblemofenvironmentalpollutionhasseriouslyhinderedthedevelopmentofsociety,fortheeffectivegovernanceofairpollution,Mustfirstunderstandthestatusquoofurbanairpollution,throughsomeofthescientificmethodtoforecastthetrendofitsdevelopment,itwilltotheimplementationofurbanairpollution,theeffectivecontrolandthestrategyofsustainabledevelopmentprovidesanimportantreferenceinformation,Thisthesisisbasedonthebasicprincipleoffuzzycontrolsystem,Thefuzzycontrolsystemisappliedtoairmonitoring,andtheairqualitymonitoringbasedonfuzzycontrolisconstructedaccordingtotheprincipleofairqualitymonitoring,thesimulationandperformanceanalysisofthefuzzycontrolmodelisofgreatsignificanceinpractice.Keywords：airqualitymonitoring;fuzzylogic;fuzzyreasoning;fuzzycontroller;fuzzycontrol.1绪论11.1 课题研究背景和目的I1.1.1 课题研究背景11.1.2 课题研究意义11.3 课题研究方法31.4 论文构成及研究内容32智能空气质量概论32.1 空气中的污染物32.2 空气质量监测方法43模糊控制的数学基础73.1 模糊集73.2 模糊关系和模糊矩阵83.3 模糊逻辑与模糊推理I94模糊控制系统与模糊控制器设计104.1 模糊控制系统104.2 模糊控制器设计114.2.1 模糊控制器的基本结构及设计Il4.2.2 模糊控制规则及算法设计124.2.3 清晰量运算134.2.4 解模糊计算155实验仿真165.1 MATLAB和模糊逻辑工具箱介绍165.2 模糊隶属函数的确定165.3 模糊推理规则的构造175.4 仿真测试186总结与展望21致谢221.1 课题研究背景和目的1.1.1 课题研究背景人类为了生存进行了改造自然的活动，对人类的发展史来说，这是一个必然的趋势，然而，人类这一行为活动严重的打破了自然界的生态平衡。为了满足人口快速增长的需求，人类大力发展农牧业，丰富的森林资源急剧锐减，地表的植被日渐光秃，过度的开发导致水土大量流失，大片大片的土壤丧失肥力，盐碱化和沙漠化日渐普遍。一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物及其他化学污染物的大量排放，使地球的臭氧层出现漏洞，大气平衡的破坏，酸雨、光化学烟雾、温室效应、沙尘暴等等天气灾害频频爆发，这给人类的生产和生活带来了严重影响，人类的健康更是受到重大威胁。自20世纪50年代，环境科学家通过一些科学研究，已经成功编制出多种环境指数，如早期的格林空气污染综合指数，这让人类对环境的污染有了进一步的认识。环境污染一直处于被动防治的状态，为了改变这一局面，人类制定了以预防为主的防治方针，严格遵循并加以实施，在认识环境和治理污染的过程中存在着共同的语言、标准和方法，空气质量监测因此而产生。准确及时的空气质量监测有利于指导人类生产，科学控制污染物的排放及减少不必要的经济损失，空气质量监测也可以指导人们户外活动和提高大家的生活环境质量。因此，如何能客观的进行空气质量监测是我们一直在努力研究的课题。本文正是从这个角度出发，将模糊控制系统引入该领域，进行了基于模糊控制的空气质量监测方法的研究。1.1.2 课题研究意义空气质量监测是通过一定科学手段来确定某一区域内空气质量状况，它反馈回来的结果能预测出空气质量变化的趋势，并能反应出人类活动对环境的影响程度。人类排放的污染物在不断的增加，污染范围变得更广，以空气总悬浮粒(TSP)、氮氧化物、二氧化硫等为主的空气污染问题日趋严重，基于这种情况,开展空气质量监测的工作已成为必然的要求，它能很好的反映出空气污染变化的趋势，提高人类对空气污染的警惕性，能为环境管理做正确决策提供全面的、及时的、准确的空气质量信息，能提醒保护环境的相关人员加大对环境污染的控制力度及加强对重大污染事件的预防，同时可以让人们能更好的监督环境污染治理的情况。空气质量监测是环境保护的先行、基础工作，监测所得到的结果给环境管理的工作提供了科学依据，空气质量监测是实现环境全面管理不可缺少的手段。空气质量监测是一个基于多种因素影响的复杂的系统，通过空气质量监测，能让我们快速的找出所监测区域范围内空气中的主要污染物及其来源，能让我们了解该区域范围内的环境污染情况，找到空气质量变化的规律，预测其发展趋势，为制定区域范围内环境污染治理及防治方针提供科学依据。从环境保护这一角度出发，空气质量监测所得结果会反映出人类对环境的影响程度，提高人类保护环境的意识，能让人类制定出合理的、科学的发展策略。因此，探讨如何让空气质量监测的结果更加及时、准确，具有非常深远的意义。1.2 国内外研究状况许多发达国家自20世纪70年代起相继构建了空气质量监测系统。目前，美国已拥有的空气质量监测网络，是最为全方位，它能监测空气中主要的污染物，如二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮、臭氧、颗粒等，还有其他具有挥发性的化合物、光化学烟雾及灰霾等等，并能在线监测实时汇报。美国还制定了一套关于监测方法、网络设计、监测标准的操作步骤、数据处理方法、通信技术站点选择与配置的指南规范，形成了一套十分完善的质量控制和质量保证体系（QC/QA）,并保证了监测所得数据采集、传输、分析和使用的完整性和正确性；监测所得的数据经处理后将会被传送到环保局里的空气质量系统，然后通过互联网的空气信息检索系统（AIRS）提供给研究人员、政府官员及公众使用。美国的监测仪器的技术已位居世界第一。到目前，我们国家初步建立了一个基础的全国空气质量监测网络，它由103个城市的空气监测站所构成，并不是很完善；2010底，完成了113个重点城市空气质量的在线实时发布工作。监测对象主要有氮氧化物、二氧化硫、一氧化碳、臭氧和颗粒等等空气污染物，广东、香港和珠江三角洲等区域陆续建立了复合型的空气质量监测网络。在空气质量监测领域，我国较发达国家起步晚，可是发展较为迅速；目前，我国已具备了自主研发并自主生产的能力；武汉的天虹、河北的先河、铜陵的兰盾、北京的中晟泰科等具备有空气质量监测系统的生产能力，这些公司是我国空气质量监测生产企业的骨干，其所生产的监测仪器在性能及可靠性上都已达到国内空气监测的要求，在技术方面赶超国际的先进水平，基本上代替了进口的产品。我国生产的的空气质量监测仪器虽然能替代了进口，且基本上能达到环境监测的要求，可与国外的先进仪器比较，在长期工作的稳定性、低限测量的准确性和产品的外观工艺等方面存在着很大的差距，在低浓度、VOC等参数监测上还主要靠进口的先进仪器。我国生产的空气质量监测仪器与国外先进仪器存在的差距主要表现为，国产空气质量监测仪器在长期运行中稳定性差、可靠性低，造成这种现象的根本原因是我国的整体制造水平较低，制造工艺粗糙，产品的利润空间小。我国生产的点式空气质量监测系统监测的主要对象一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、臭氧及悬浮颗粒等参数，基本上己达到国家的要求，但与国外比较不够齐全，重金属、化学有机物和灰霾等有害污染物不在监测对象范围内，绝大多数这类污染物的监测必须得引进国外产品。我国空气质量监测仪器的生产家与国外的厂家在生产技术经验上存在着很大差距。1983年，Therm。公司研发制造出AMQS,全球首套，并积累了丰富的研发生产经验；2000年，我国的河北先河才研制出了我国首套AQMS,在技术经验积累上，与国外相差甚远。安微的蓝盾生产出我国首套DASD的空气质量监测系统，比瑞典OPSIS公司晚了许多，而且在各方面的性能指标上远不及对方。我国在重点城市建立空气质量监测系统的工作基本完成，但农村站的监测建立得还比较少，许多中西部的小城市的空气质量监测还不普及，空气质量监测对象的类型较为局限，代表性的受影响人群不全面。技术的缺乏，使我国必须引进过外先进的专用空气质量监测仪、高质量分析仪和自动空气质量监测系统。我国还没建立好全国环境监测质量控制和质量网络，运营管理体系漏洞很多不够完善。目前，美国己建立了PM2.5监测的相关标准，在这块领域，中国还没有开展工作。我国需要加快空气质量监测的步伐，加大研究发展力度，争取跟上西方国家的节奏。1.3 课题研究方法(1)文献分析法：本文从构思到完成，查阅了许多相关的理论文献，在别人研究的成果上阐述了自己的观点。(2)仿真实验：熟悉MATLAB仿真软件，使用MATLAB中的模糊逻辑工具箱建立模糊推理系统并测试。1.4 论文构成及研究内容本文针对于目前空气质量监测方法中所存在的不足，将模糊控制引入该领域，建立基于模糊控制的智能空气质量监测模型，并使用MATLAB对其进行模拟仿真。本文的主要内容如下：第一章介绍了空气质量监测的目的和意义，及国内外发展状况，并介绍了课题所采用的研究方法及论文的构成和主要内容第二章介绍了空气中主要污染物的性质、来源及其危害，并介绍空气质量监测的方法。第三章介绍了模糊控制的数学基础、模糊逻辑和