基于流量的城市排水系统协调优化控制策略研究与实现

摘要

城市污水排放系统是城市化建设不可或缺的重要组成部分。针对目前城市污水排放系统所面临的进水量不确定、调度功能缺乏、易引起污水外溢或高扬程大耗能排水等问题，本文提出了一种基于流量的城市排水协调优化调度策略并加以实现。该策略以防止污水溢出和优化节能为控制目标，致力于解决旧城管道受多种因素制约不易改造的情况，通过协调调度全局污水流量，提升管道通流能力，从而实现城市污水安全节能排放的控制效果。
　　 本文首先介绍了城市污水排放系统目前国内外的研究成果及所面临的问题；根据污水管网系统特性及控制结构，详细研究了基于机泵群控制的城市泵站排水控制系统数学模型，并以分布式泵站的无溢出排放和节能运行为双重目标，分析了降低扬程与优化机组运行效率的综合节能机理并提出了协调优化调度控制的思想。借助各泵站机泵指数律调速特性构建了实时流量优化计算方法，对排水系统各泵站的输入流量作测算；并依据历史流量数据作模糊推理，确定各泵站最佳目标水位与输入流量的对应关系，给出控制策略并以整个城市泵站排水系统为研究对象，探讨了全局综合协调优化控制策略。其基本技术路线及依据为：将现场采集获得的实时数据、各泵站的输入流量及目标水位作为初始条件，依据各级泵站之间（或泵站与污水处理厂之间）污水流入、排出流量与进水池水位的关系模型，在调度方程及约束条件下协调优化调度泵站间的流量关系，实现全局流量的合理分配，以期提高城市污水排放系统的安全性能与获取好的节电效果。此外，为提高排水系统的安全容错控制性能，还讨论了网络或下位机故障时的单级泵站优化控制策略及PLC后备保护控制策略。最后，在既定策略下对控制系统加以实现，涉及软硬件各方面的工作。其中软件工作有C/S结构下控制软件设计，上、下位机控制的主控制程序与PLC控制的后备保护控制程序包纳了数据采集、网络通信、控制策略、数据库设计、人机交互界面等各种功能；并依据理论模型和实际策略做多种不同的流量调度路径和相关水位跟随控制的仿真测试，效果良好。依托于杭州市留下和磁带厂两污水泵站的硬件改造平台作现场调试，并对过程中出现的传感器失灵、控制信号失调、电磁干扰等诸多问题，逐一加以解决，试运行测试综合效果好。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章 绪论

1.1 城市污水排放系统概述

1.1.1 引言

1.1.2 城市污水排放系统面临的问题

1.1.3 课题研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 城市排水系统溢出污染控制现状

1.2.2 城市排水系统智能控制策略现状

1.3 论文的主要工作及安排

1.4 本章小结

第二章 城市排水系统模型及节能机理

2.1 引言

2.2 城市排水系统结构

2.2.1 城市排水系统物理构成

2.2.2 城市排水系统控制架构

2.3 城市分布式泵站排水控制系统数学模型

2.4 区域泵站综合节能机理

2.5 区域排水协调调度问题的提出

2.6 本章小结

第三章 基于流量的城市排水系统协调优化控制策略研究

3.1 引言

3.2 协调优化调度策略

3.2.1 排放系统各泵站输入流量di(k)的计算方法

3.2.2 各泵站输入流量计算方程参数估计举例论证

3.2.3 系统各泵站目标水位hi(k+1)的自适应调节

3.2.4 系统各泵站排放流量qi-j的调度

3.3 单级泵站本地保护节能优化控制策略

3.3.1 目标水位的设定

3.3.2 单级泵站自适应PID优化控制

3.4 PLC后备保护控制策略

3.5 本章小结

第四章 城市排水系统优化调度协调控制软件系统设计

4.1 引言

4.2 城市排水控制系统软件实现

4.2.1 上位机程序设计

4.2.2 下位机程序设计

4.2.3 PLC程序设计

4.2.4 数据库设计

4.2.5 人机界面设计

4.3 本章小结

第五章 城市排水系统区域协调调度现场调试及试运行

5.1 引言

5.2 仿真测试

5.3 系统调试运行

5.3.1 硬件架构

5.3.2 遇到的问题及解决方法

5.3.3 试运行结果

5.4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

作者简历