智能控制在水厂出水浊度控制的应用研究

摘要

混凝投药是自来水生产过程中净化水质的一个重要环节，它包括混凝剂投加、混合、絮凝和沉淀四个部分，该过程具有复杂性、时变性、非线形、多扰动和大时滞等特点。净化人员可凭经验调节投药量，从而保证出水稳定合格。但该方式不但存在滞后问题和要求水质稳定的局限性，而且工人的劳动强度也较大，同时加药量也往往过多而浪费。因此研究出一个智能控制方案对水厂加药絮凝沉淀的控制是十分有意义的。
　　 本论文主要进行了以下的研究工作：
　　 1．水厂模型的建立。本文深入水厂，对水厂的被控对象，流量干扰对象，浊度干扰对象做了阶跃仿真，得到了一个被控对象，两个干扰对象的模型，同时也得到了该系统是一个不仅具有大时滞，大惯性的特性的对象而且它具有时变特性。自来水厂具有多扰动特性，首先随着季节变化，用水量增大导致流量增大而带来了干扰，其次，暴雨季节也会导致源水浊度突然增加很高。水厂同时具有大时滞，大惯性特性，因为加药絮凝是一个漫长的化学反应过程。虽然这样的特性难以控制，但了解对象特性，对后面针对性的控制带来了好处。
　　 2．几种针对大时滞特性的控制方案的介绍。常规PID控制方案，简单实用，但却不能控制对控制精度要求高的系统；Smith控制方案对大时滞有很好的控制效果，但它对模型敏感，针对这个具有多扰动，时变的系统，显得素手无策；在这两者基础之上提出的一种新型控制方案，即自适应修正Smith控制方法，它能弥补Smith预估控制方案的对模型敏感的不足之处。对比了常规PID控制方案，Smith预估控制方案，自适应修正Smith控制方法，从仿真中证明了自适应修正Smith控制方法能在被控制对象发生变化时，很好的控制系统，具有很好的鲁棒性及快速性。
　　 3．无模型前馈反馈控制方案对水厂过程的控制应用。针对一个不仅具有时变，大时滞，大惯性，多扰动的被控系统，这里采用了无模型控制器的双前馈反馈控制器，无模型控制器最大的优点在于它对模型的不敏感，预先设置好根据仿真结果而来的参数，在运行中，它不但能克服对象不断变化带来的影响，它的流量前馈控制，浊度前馈控制也能克服流量增大，克服源水浊度突变带来的干扰，因此对当前水厂存在的问题都能具有良好的对策。仿真结果证明它的可行性，有望在水厂中运用。
　　 4．内模控制研究。内模控制是一种特殊的Smith预估控制方案，它不仅能针对大时滞系统具有很好的控制效果，同时，它能克服由于扰动，模型不准确而带来的影响，最重要的是它的调节参数只有一个，不必担心参数之间的克制作用而导致总是在鲁棒性与快速性之间折中。因此它也是一个具有良好发展前景的控制方案。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外发展情况

1.3 本论文的主要研究工作安排

第二章 水厂模型建立及几种常用控制方案的研究

2.1 给水厂常规处理工艺流程及特点

2.2 自来水厂控制通道模型与流量，浊度干扰通道模型建立

2.2.1 控制通道模型建立

2.2.2 流量干扰通道特性曲线及模型

2.2.3 浊度干扰通道模型建立

2.3 大时滞的常规控制方案

2.3.1 经典控制方法

2.3.2 现代控制方法

2.3.3 智能控制方法

2.4 本章小结

第三章 模型时变时几种控制方案的仿真比较研究

3.1 引言

3.2 常规PID控制

3.2.1 PID控制器设计原理

3.2.2 PID控制方案仿真研究

3.3 Smith控制大时滞系统

3.3.1 Smith预估控制器的原理

3.3.2 Smith预估控制器仿真结果研究

3.4 自适应修正Smith控制算法

3.5 本章小结

第四章 无模型控制器控制水厂出水浊度的实验方案和实验结果

4.1 无模型控制器的概述

4.1.1 无模型控制器参数调整

4.1.2 无模型控制器的控制特点

4.2 进水流量及浊度干扰下无模型控制器纯反馈对出水浊度控制

4.2.1 进水流量干扰下无模型控制器纯反馈控制作用时的出水浊度控制

4.3 进水流量及浊度干扰下无模型控制器前馈反馈控制出水浊度

4.3.1 前馈控制原理

4.3.2 进水流量干扰下无模型控制器前馈—反馈对出水浊度控制

4.4 流量前馈与浊度前馈控制流量及浊度干扰

4.5 本章小结

第五章 内模控制研究

5.1 内模控制

5.1.1 内模控制器原理及其设计

5.1.2 基于内模控制的PD参数调整的仿真

5.2 二自由度内模控制

5.2.1 二自由度内模控制器原理及其设计

5.2.2 二自由度内模控制仿真

5.3 三自由度内模控制

5.3.1 三自由度内模控制器原理及其设计

5.3.2 三自由度内模控制仿真

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致 谢