本發明涉及一種生活污水處理控制系統及控制方法，具體涉及一種一種船舶的生活污水處理控制系統及控制方法。
背景技術：
國際海事組織(imo)對船舶污水的排放要求越來越嚴格。盡管生活污水處理技術和裝置在我國發展迅猛，但還是存在許多問題。尤其是在處理過程中的控制問題，主要表現在自動化程度低、控制精度差等方面。
目前多數針對船舶的污水處理裝置仍采用半手工半自動化控制，其主要缺陷有：1、多為手動控制，系統控制參數由人判斷，不但使得勞動力增大還會由于操作失誤等因素影響系統內部正常反應，不但使得生活污水處理系統處理效率低，而且耗時耗能；2、系統多只具有監測和診斷功能，不具備完整的監測、診斷、評估、預警和自修復體系，未能對故障進行應對和自修復，智能化程度低；
技術實現要素：
本發明為了解決目前的船舶多數污水處理裝置存在需要手動控制、系統控制參數由人判斷的問題。
一種船舶生活污水處理控制系統，包括：
設定控制單元，用于修改和控制污水處理設備運行參數，并顯示污水處理設備目前所處的狀態；運行參數包括污水液位信息、污水溫度信息、污水mbr膜的通量信息；
信息采集單元，用于采集船舶生活污水處理系統的液位、溫度和mbr膜的通量；
信號處理單元，用于獲取信息采集單元傳過來的模擬信號，將模擬信號轉換成數字信號并進行信號濾波處理，并將處理后的數字信號傳遞給微處理器單元予以處理；
微處理器單元，根據信號處理單元處理后的數字信號對船舶生活污水處理系統進行故障診斷和評估；
所述微處理器單元將信號處理單元處理后的數字信號與設定控制單元的運行參數信息進匹配和比較，進行狀態判斷，進而實現對生活污水系統的實時診斷；當所述微處理器單元將信號處理單元處理后的數字信號超過設定控制單元的運行參數信息的閾值范圍時，診斷生活污水系統出現問題，判斷超出閾值范圍的運行參數出現問題進行報警并啟動外設驅動單元；
運行參數報警單元，根據微處理器單元的處理結果進行報警；
外設驅動單元，根據運行參數報警單元的報警情況驅動生活污水系統的執行設備，使生活污水系統的自動修復。
優選地，所述的信息采集單元包括：
液位傳感器，用于實時采集和監控生活污水的液位信息和運行工況的實時參數；
溫度傳感器，用于實時采集和監控生活污水的溫度信息和運行工況的實時參數；
流量傳感器，用于實時采集和監控生活污水的mbr膜的通量信息和運行工況的實時參數。
優選地，所述設定控制單元包括：
參數控制模塊，用于修改和控制污水處理設備運行參數；所述運行參數包括生活污水液位、加熱器開閉溫度以及膜出水流速；
實時狀態顯示模塊，用于標識污水處理設備目前所處的狀態；狀態包括實時液位狀態，實時泵運行工況、實時膜出水流速、實時閥開啟狀態、實時溫度狀況；
優選地，所述外設驅動單元包括：
電機驅動模塊，用于驅動電機實現泵的啟停；
加熱模塊，用于驅動加熱器實現加熱的啟停；
閥控制模塊，用于驅動控制閥實現控制閥開閉。
優選地，所述的一種船舶生活污水處理控制系統還包括用戶管理單元，用于對用戶進行權限管理。
優選地，所述的一種船舶生活污水處理控制系統還包括：
設備報警單元，用于檢測外設驅動單元工作后生活污水系統是否在規定的時間范圍內自動修復到正常水平之內，并判斷是否報警；
如果外設驅動單元工作后生活污水系統在規定的時間范圍內自動修復到正常水平之內，則不進行報警；否則報警。
優選地，所述的一種船舶生活污水處理控制系統還包括：
系統運行狀態處理單元，用于對船舶生活污水處理系統的工作狀態進行建模，為船舶生活污水處理系統提供控制指導；具體的工作過程如下：
從船舶生活污水處理系統運行開始到結束，系統運行狀態處理單元對整個過程的故障類別和運行工況數據進行存儲和分析，基于bp神經網絡算法對船舶生活污水處理過程的運行參數進行數據收集并建模，得到船舶生活污水處理系統的控制系統模型，為船舶生活污水處理系統提供控制指導。
優選地，所述基于bp神經網絡算法對船舶生活污水處理過程的運行參數進行數據收集并建模的過程包括以下步驟：
步驟1、確定訓練樣本集和測試樣本集：
對采集到的所有運行工況參數和故障類型進行歸一化處理，進而組成數據樣本集；將數據樣本集分成訓練樣本集和測試樣本集；所述故障類型包括：液位故障、溫度故障、膜過堵故障；
步驟2、網絡設計和訓練：
根據訓練樣本集，基于levenberg-marquardt算法訓練的網絡函數trainlm對神經網絡進行訓練，得到控制系統模型；網絡函數trainlm的matlab調用函數如下：
[w,b,te,tr]＝trainlm(w,b,tf,x,t,tp)
其中，w和w分別為訓練前后的權值矩陣；b和b分別為訓練前后的偏值向量；te為實際訓練次數；tr為網絡訓練平方和的行向量；tf為傳輸函數；x＝[x1,x2,x3]為輸入向量，x1代表液位傳感器采集的信號數值，x2代表溫度傳感器采集的信號數值，x3代表流量傳感器采集的信號數值；t＝[t1,t2,t3]為目標向量，t1為液位故障，t2為溫度故障，t3為膜過堵故障；tp是訓練控制參數，其中tp(1)顯示間隔次數，默認值為25；tp(2)顯示最大循環次數，默認值為100；tp(3)為目標誤差平方和，默認值為0.02；tp(4)為最小梯度，默認值為0.001；tp(5)為學習速率η的初始值，默認值為0.001；tp(6)為學習速率η的增加系數，默認值為10；tp(7)為學習速率η的減小系數，默認值為0.1；tp(8)為學習速率η的最大值，默認值為10；
步驟3、網絡測試：
根據測試樣本集對控制系統模型進行檢測，如果控制系統模型不滿足精度要求返回步驟1從新劃分訓練樣本集和測試樣本集，并建模；
如果控制系統模型滿足精度要求，將其作為最終的控制系統模型，并找出最適合的運行工況參數，實現下一次船舶生活污水處理系統運行的自動控制。
一種船舶生活污水處理控制系統的控制方法，包括如下步驟：
步驟(1)、船舶生活污水處理系統設備啟動前，通過設定控制單元錄入并存儲船舶生活污水處理系統正常運行參數；
步驟(2)、船舶生活污水處理系統啟動時，信息采集單元不斷對實時液位、溫度和mbr膜通量進行信號采集，并傳遞給信號處理單元處理，微處理器單元將處理后的數據與初始設定參數進行匹配和比較，如果系統匹配正確，則設備正常運行；如果匹配不正確，則微處理器模塊開始進行狀態判斷和故障診斷；
步驟(3)、根據微處理器模塊的故障診斷類別，進行報警并提示故障類別，并通過外設驅動單元，根據運行參數報警單元的報警情況驅動生活污水系統的執行設備進行自修復；
步驟(4)、當船舶生活污水處理系統需要停止時，系統運行狀態處理單元錄入故障類別信息，通過bp神經網絡算法對船舶生活污水處理過程的運行參數進行數據收集并建模得到控制系統模型，從而實現下一次船舶生活污水處理系統運行的自動控制。
優選地，步驟(3)所述進行自修復的過程包括以下步驟：
生活污水系統液位過高或者過低，相應地通過電機驅動模塊啟停泵，進行排水或進水；
生活污水系統溫度過高或者過低，相應地通過加熱模塊驅動加熱裝置的啟或停；
生活污水系統中mbr膜通量過低，相應通過閥控制模塊驅動控制閥開或閉，實現對mbr膜的反沖洗以提高通量。
本發明具有以下有益效果：
1、本發明通過信息采集單元、信號處理單元和微處理器單元對船舶生活污水處理過程的重要環境因子及運行參數進行數據收集、自動監測與精確控制，實現對于船舶生活污水處理系統的診斷、監測、評估、預警和自修復體系的自動控制。
2、本發明所述的船舶生活污水行業內首創具備完整的監測、診斷、評估、預警和自修復體系的智能化船舶生活污水系統，通過對船舶生活污水處理系統進行監測，并通過故障診斷與評估，來實現對系統的預警和自修復，完全摒棄了任何手工控制，具有處理效率好、智能化程度高等特點，相比現有的控制系統及方法，本發明的處理效率提高31％以上；且參數可以通過學習方式獲得，系統控制參數無需由人進行判斷，避免了個人經驗差異導致的控制差異，具有規范統一的標準。
3、本發明是完整的監測、診斷、評估、預警和自修復體系的智能化船舶生活污水系統，可以實現對新型船舶生活污水處理系統的效能評價與狀態預估，得到不同運行時期的系統智能調控策略與不利條件下的系統救護方案。進行不同控制策略下的裝置運行過程診斷研究，在實時監控過程中進行效能評估，系統運行不利條件下能夠自動預警；
附圖說明
圖1為船舶生活污水處理控制系統邏輯框圖。
具體實施方式
具體實施方式一：結合圖1說明本實施方式，
一種船舶生活污水處理控制系統，包括：
設定控制單元，用于修改和控制污水處理設備運行參數，并顯示污水處理設備目前所處的狀態；運行參數包括污水液位信息、污水溫度信息、污水mbr膜的通量信息；
信息采集單元，用于采集船舶生活污水處理系統的液位、溫度和mbr膜的通量；
信號處理單元，用于獲取信息采集單元傳過來的模擬信號，將模擬信號轉換成數字信號并進行信號濾波處理，既濾除了信號中的噪聲又較好地保留了信號的細節，并將處理后的數字信號傳遞給微處理器單元予以處理；
微處理器單元，根據信號處理單元處理后的數字信號對船舶生活污水處理系統進行故障診斷和評估；
所述微處理器單元將信號處理單元處理后的數字信號與設定控制單元的運行參數信息進匹配和比較，進行狀態判斷，進而實現對生活污水系統的實時診斷；當所述微處理器單元將信號處理單元處理后的數字信號超過設定控制單元的運行參數信息的閾值范圍時，診斷生活污水系統出現問題，判斷超出閾值范圍的運行參數出現問題進行報警并啟動外設驅動單元；
運行參數報警單元，根據微處理器單元的處理結果進行報警；
外設驅動單元，根據運行參數報警單元的報警情況驅動生活污水系統的執行設備，使生活污水系統的自動修復。
具體實施方式二：
本實施方式所述的信息采集單元包括：
液位傳感器，用于實時采集和監控生活污水的液位信息和運行工況的實時參數；
溫度傳感器，用于實時采集和監控生活污水的溫度信息和運行工況的實時參數；
流量傳感器，用于實時采集和監控生活污水的mbr膜的通量信息和運行工況的實時參數。
其他功能模塊和參數與具體實施方式一相同。
具體實施方式三：
本實施方式所述設定控制單元包括：
參數控制模塊，用于修改和控制污水處理設備運行參數；所述運行參數包括生活污水液位、加熱器開閉溫度以及膜出水流速；
生活污水液位是指將生活水抽走的液位高低狀況，修改和控制生活污水液位是因為船舶生活污水處理系統最主要是里面的生化系統，而生化系統及其容易受到溫度的影響，所以還應該控制加熱器開閉溫度，因為生活污水中的生化系統需要在一定的溫度范圍內存活，超過或者過低都會抑制生化系統；同時還需要控制膜出水流速，當流速小于設定值的時候，證明膜出現堵塞現象，需要開始進行反沖洗，保證膜的正常工作。
實時狀態顯示模塊，用于標識污水處理設備目前所處的狀態；狀態包括實時液位狀態，實時泵運行工況、實時膜出水流速、實時閥開啟狀態、實時溫度狀況；
其他功能模塊和參數與具體實施方式一或二相同。
具體實施方式四：
本實施方式所述外設驅動單元包括：
電機驅動模塊，用于驅動電機實現泵的啟停；生活污水系統液位過高或者過低，相應地通過電機驅動模塊啟停泵，進行排水或進水，保持生活污水系統系統及內部生化系統的穩定；
加熱模塊，用于驅動加熱器實現加熱的啟停；生活污水系統溫度過高或者過低，相應驅動加熱裝置的啟停保持生化系統中微生物活性；
閥控制模塊，用于驅動控制閥實現控制閥開閉；生活污水系統中mbr膜通量過低，相應驅動控制閥開閉，實現對mbr膜的反沖洗以提高通量。
其他功能模塊和參數與具體實施方式一至三之一相同。
具體實施方式五：
本實施方式所述的一種船舶生活污水處理控制系統還包括用戶管理單元，用于對用戶進行權限管理。
其他功能模塊和參數與具體實施方式一至四之一相同。
具體實施方式六：
本實施方式所述的一種船舶生活污水處理控制系統還包括：
設備報警單元，用于檢測外設驅動單元工作后生活污水系統是否在規定的時間范圍內自動修復到正常水平之內，并判斷是否報警；
如果外設驅動單元工作后生活污水系統在規定的時間范圍內自動修復到正常水平之內，則不進行報警；否則報警，此時生活污水系統的外設驅動單元出現問題或者執行設備出現問題。
其他功能模塊和參數與具體實施方式一至五之一相同。
具體實施方式七：
本實施方式所述的一種船舶生活污水處理控制系統還包括：
系統運行狀態處理單元，用于對船舶生活污水處理系統的工作狀態進行建模，為船舶生活污水處理系統提供控制指導；具體的工作過程如下：
從船舶生活污水處理系統運行開始到結束，系統運行狀態處理單元對整個過程的故障類別和運行工況數據進行存儲和分析，基于bp神經網絡算法對船舶生活污水處理過程的運行參數進行數據收集并建模，得到船舶生活污水處理系統的控制系統模型，為船舶生活污水處理系統提供控制指導。
其他功能模塊和參數與具體實施方式一至六之一相同。
具體實施方式八：
本實施方式所述基于bp神經網絡算法對船舶生活污水處理過程的運行參數進行數據收集并建模的過程包括以下步驟：
步驟1、確定訓練樣本集和測試樣本集：
對采集到的所有運行工況參數和故障類型進行歸一化處理，進而組成數據樣本集；將數據樣本集分成訓練樣本集和測試樣本集；所述故障類型包括：液位故障、溫度故障、膜過堵故障；
步驟2、網絡設計和訓練：
根據訓練樣本集，基于levenberg-marquardt算法訓練的網絡函數trainlm對神經網絡進行訓練，得到控制系統模型，以減小系統故障檢測誤差；網絡函數trainlm的matlab調用函數如下：
[w,b,te,tr]＝trainlm(w,b,tf,x,t,tp)
其中，w和w分別為訓練前后的權值矩陣；b和b分別為訓練前后的偏值向量；te為實際訓練次數；tr為網絡訓練平方和的行向量；tf為傳輸函數；x＝[x1,x2,x3]為輸入向量，x1代表液位傳感器采集的信號數值，x2代表溫度傳感器采集的信號數值，x3代表流量傳感器采集的信號數值；t＝[t1,t2,t3]為目標向量，t1為液位故障，t2為溫度故障，t3為膜過堵故障；tp是訓練控制參數，其作用是設定如何進行訓練，其中tp(1)顯示間隔次數，默認值為25；tp(2)顯示最大循環次數，默認值為100；tp(3)為目標誤差平方和，默認值為0.02；tp(4)為最小梯度，默認值為0.001；tp(5)為學習速率η的初始值，默認值為0.001；tp(6)為學習速率η的增加系數，默認值為10；tp(7)為學習速率η的減小系數，默認值為0.1；tp(8)為學習速率η的最大值，默認值為10；
步驟3、網絡測試：
根據測試樣本集對控制系統模型進行檢測，如果控制系統模型不滿足精度要求返回步驟1從新劃分訓練樣本集和測試樣本集，并建模；
如果控制系統模型滿足精度要求，將其作為最終的控制系統模型，并找出最適合的運行工況參數，實現下一次船舶生活污水處理系統運行的自動控制。
其他功能模塊和參數與具體實施方式七相同。
具體實施方式九：
一種船舶生活污水處理控制系統的控制方法，包括如下步驟：
步驟(1)、船舶生活污水處理系統設備啟動前，通過設定控制單元錄入并存儲船舶生活污水處理系統正常運行參數；
步驟(2)、船舶生活污水處理系統啟動時，信息采集單元不斷對實時液位、溫度和mbr膜通量進行信號采集，并傳遞給信號處理單元處理，微處理器單元將處理后的數據與初始設定參數進行匹配和比較，如果系統匹配正確，則設備正常運行；如果匹配不正確，則微處理器模塊開始進行狀態判斷和故障診斷；
步驟(3)、根據微處理器模塊的故障診斷類別，進行報警并提示故障類別，并通過外設驅動單元，根據運行參數報警單元的報警情況驅動生活污水系統的執行設備進行自修復；
步驟(4)、當船舶生活污水處理系統需要停止時，系統運行狀態處理單元錄入故障類別信息，通過bp神經網絡算法對船舶生活污水處理過程的運行參數進行數據收集并建模得到控制系統模型，從而實現下一次船舶生活污水處理系統運行的自動控制。
具體實施方式十：
本實施方式步驟(3)所述進行自修復的過程包括以下步驟：
生活污水系統液位過高或者過低，相應地通過電機驅動模塊啟停泵，進行排水或進水，保持生活污水系統系統及內部生化系統的穩定；
生活污水系統溫度過高或者過低，相應地通過加熱模塊驅動加熱裝置的啟或停保持生化系統中微生物活性；
生活污水系統中mbr膜通量過低，相應通過閥控制模塊驅動控制閥開或閉，實現對mbr膜的反沖洗以提高通量。
其他功能模塊和參數與具體實施方式九相同。