给水处理厂加药系统的控制研究

论文摘要

水是人类赖以生存的源泉,随着社会的发展,人们对水质的要求越来越高,这就对给水厂的水处理工艺提出了更高的要求。混凝加药是给水处理工艺最为重要的环节之一,加药量过少水质不达标,加药量过多也会影响混凝沉淀的效果,同时又会造成药剂的浪费,使水厂的运营成本增加。本文以给水处理工艺中的加药控制系统为研究背景。针对水厂中当原水的水质、水量等因素变化时,加药系统难以准确迅速的调整加药量保证混凝效果这一难题,进行了深入研究。通过调查发现水厂目前大部分的加药控制系统采用前馈一反馈的控制结构,当原水水质和水量发生变化时,利用前馈控制器来减小或消除干扰,利用反馈控制器来进行偏差的修正。而前馈控制器主要采用流量比例控制,即只根据流量的变化来控制加药量成比例的增加。水质变化产生的影响主要用反馈控制器来修正。但水质变化是影响加药量的重要因素,混凝反应又是个滞后的过程,利用反馈来修正水质的变化往往不够及时。因此本文利用最小二乘法对前馈控制器作了改进,加入了水质因素,使前馈加药量更为准确。目前水厂中反馈控制器主要采用传统的PID控制算法,当水质和水量稳定时,传统PID有比较良好的控制效果。但是当水质和水量变化时,导致干扰的加剧和混凝过程模型的变化,而传统PID控制器以一组不变的控制参数难以很好的应对这些变化,系统振荡加剧,对系统流动电流SCD设定值的跟踪效果不佳。针对以上问题,本文分别进行了内模-PID控制器和专家-PID控制器的设计,并与传统PID控制器进行了比较。仿真分析的结果表明,利用最小二乘法拟合出的前馈加药量与水厂烧杯试验得出的最佳加药量比较相近。当由水质和水量因素变化导致干扰的产生和混凝过程模型的变化时,内模-PID控制器和专家-PID控制器比传统的PID控制器有更好的跟踪性能,在抗稳定性、干扰能力和鲁棒性上都有所改善。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文背景说明
• 1.2 混凝加药控制发展现状
• 1.2.1 手动控制阶段
• 1.2.2 自动控制阶段
• 1.2.3 智能控制阶段
• 1.3 混凝投药控制研究意义
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 给水处理工艺
• 2.1 给水处理工艺流程
• 2.2 混凝机理
• 2.2.1 胶体结构及性质
• 2.2.2 水中胶体颗粒的稳定性
• 2.2.3 混凝机理
• 2.3 影响混凝投药的因素
• 2.4 混凝效果的反映
• 2.4.1 浊度值对混凝效果的反映
• 2.4.2 单因子流动电流
• 2.5 本章小结
• 第3章 水厂加药控制系统
• 3.1 加药控制系统介绍
• 3.1.1 溶液池控制系统
• 3.1.2 计量泵控制系统
• 3.1.3 控制系统架构
• 3.2 基于前馈—反馈的控制方法
• 3.3 前馈控制器的设计
• 3.3.1 影响前馈加药量的因素分析
• 3.3.2 水厂烧杯混凝试验
• 3.3.3 最小二乘法建立混凝投药的前馈数学模型
• 3.4 控制对象的数学模型建立
• 3.4.1 系统数学模型的初步分析
• 3.4.2 矾耗飞升试验
• 3.5 水厂前馈—反馈控制上的性能分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 内模控制与专家—PID的应用
• 4.1 内模控制的基本原理
• 4.1.1 内模控制结构及其等价形式
• 4.1.2 内模控制的主要性质
• 4.1.3 内膜控制器的实现问题
• 4.2 加药系统内模控制器的设计
• 4.2.1 内模控制器设计步骤
• 4.2.2 内模-PID控制器设计
• 4.3 加药系统专家-PID控制
• 4.3.1 专家系统思想
• 4.3.2 专家-PID控制基本原理
• 4.3.3 加药系统专家-PID控制规则建立
• 4.4 本章小结
• 第5章 加药系统仿真及结果分析
• 5.1 内模-PID控制仿真
• 5.1.1 内模-PID控制仿真结果
• 5.1.2 仿真结果分析
• 5.2 专家-PID仿真
• 5.2.1 专家-PID仿真结果
• 5.2.2 仿真结果分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢