1、I / 43污水處理過程中 PH 值的無模型控制系統設計摘 要我國的水資源地區分布極不平衡，導致許多地區出現水資源短缺現象。水資源短缺已成為制約經濟發展的重要因素。環境污染是造成我國水資源緊的另一個重要原因。目前，全國約有 1/3 的工業廢水和大量的生活污水未經處理就直接排入江、河、湖、海，使水環境遭到嚴重的污染。如何使水資源得到保護，污水得到與時有效的處理并作為一種資源得到再一次的有效利用，已經成為我國面臨的重要課題之一。本文介紹了無模型控制器又稱非建模自適應控制器的基本理論和近年來在理論和應用方面研究的進展，無模型控制器的設計途徑是一種非典型的途徑。該途徑的特點是：建模和反饋控制一體化，沖

2、破經典PID的概念和控制器設計的線性框架，采用了功能組合設計方法。建模與控制一體化的手續，是設計出來的控制器具有一定的結構自適應性。本次設計的這個污水處理系統將提高污水處理的質量，使排放有害物量較大減少，而且將使操作人員的工作量減少，勞動強度隨之降低，盡量滿足出水水質要求。同時，與某些大型污水處理設備相比，系統要運行可靠，投資大為降低。關鍵詞：污水處理；無模型控制器；建模與控制一體化；功能組合；結構自適；應用II / 43TheThe SystemSystem DesignDesign ofof ModelModel FreeFree ControlControl inin TheThePro

3、cessProcess ofof SewageSewage TreatmentTreatment AbstractAbstractChinas unbalanced regional distribution of water resources, leading to water shortages in many regions. Water shortage has become an important factor restricting economic development. Environmental pollution is caused by tension of wat

4、er resources is another important reason. At present, about 1 / 3 of industrial waste and untreated sewage lot directly discharged into rivers, lakes, sea, the water environment has been contaminated. How to make the protection of water resources, timely and effective treatment of sewage as a resour

5、ce by the effective use of once again has become an important issue facing of our country.In this paper the basic theory and the progress of theoretical and application research of model free controller or anther name non - modeling adaptive controller has been introduced. The designing approach of

6、model free controller is a non - classical .The character of this approach is that :the unity of modeling and feedback control has been used 、 the concepts of PID have been canceled、 the leaner pattern of designing method of classical controller has been broke、 the designing method of functions comb

7、ination has been used. The III / 43method of unity of modeling and feedback control such that designed controller there is adaptation of structure. The urban wastewater treatment control system will improve the quality, so that a large amount of reducing harmful emissions, and operator workload redu

8、ction in labor intensity decreases, fully meet the effluent quality requirements. Meanwhile, some large-scale sewage treatment equipment, system to run reliably, much less investment.Keywords:Keywords:municipal wastewater treatment; Model free controller ; Unity of modeling and control ; Function co

9、mbination ; Adaptation of structure ; Application. IV / 43目 錄摘要 IABSTRACTII第 1 章引言 11.1 污水處理研究現狀 11.2 無模型控制簡介 31.2.1 無模型控制方法的定義 31.2.2 典型無模型控制方法的簡要綜述 41.2.3 無模型控制方法的應用 51.2.4 無模型自適應控制（MFAC）的基本原理 71.2.5 無模型控制律的設計途徑 8第 2 章污水處理工藝流程 112.1 序批式活性污泥法（SBR）工藝簡介 112.1.1 SBR 國外發展與應用概況 112.2 SBR 的工作原理 12V / 432

10、.3 SBR 污水處理工藝 13第 3 章污水處理電氣控制部分 163.1 污水處理電氣控制系統設計要求 163.2 控制系統的動力設備 163.3 污水處理電氣控制總體方案說明 163.4 污水處理電氣控制原理圖設計 173.5 SBR 污水處理系統電氣工藝設計 20第 4 章 PH 值的無模型控制系統設計 224.1 PH 值的無模型自適應控制方案 224.1.1 無模型自適應控制技術簡述 224.2 無模型學習自適應控制的設計 244.2.1 單入單出非線性系統的緊格式線性化 244.2.2 基于緊格式線性化的無模型學習自適應控制控 254.2.3 基于緊格式線性化的無模型學習自適應控制

11、偽 264.3 PH 值控制中的仿真研究與性能分析 274.3.1 PH 值控制系統模型 274.3.2 仿真研究與穩定性分析 284.4 PH 值的控制目標 324.5 系統投運后的效果 32第 5 章總結 33參考文獻 34VI / 43辭 361 / 43第 1 章引言1.1 污水處理研究現狀 我國污水處理面臨著水污染嚴重，污水治理起步晚、基礎差、要求高的形勢。近些年，污水處理的建設有了很大發展，截至 2005 年 6 月底，全國 661 個城市建有污水處理廠 708 座，處理能力為 4912 萬噸，是 2000 年的兩倍多；全年污水處理量 1628 億，比 2000 年增加了 43。污

12、水處理率達 457。但絕大3m多數污水處理能力滿足不了實際需要，全國還有 297 個城市沒有建成污水處理廠，其中，地級以上城市 63 個。包括人口 5O 萬以上的大城市 8 個；位于重點流域、區域“十五”規劃圍的城市 54 個。全國 5 萬多個城鎮。370 多萬個村莊，9 億多人口居住地尚無污水處理設施。 與國際相比，我國污水處理率較低，其主要原因是我國的污水處理廠建設滯后。據資料介紹，美國現在平均每1萬人就擁有1座污水處理廠，英國和德國每70008000人擁有1座污水處理廠。而我國城鎮人171中，平均每150萬人才擁有1座污水處理廠。據建設部通報的全國污水處理情況。目前已建成的污水處理廠，除

13、正在調試運行的外，尚有不能正常運行的，其原因主要有：第一，對污水處理組織管理不力，致使有的污水處理廠已建成半年甚至近一年仍未運行。第二，一些已建成污水處理廠的城市仍未開征污水處理費，或收費標準和征繳率低，污水處理設施運行經費難以保障。第三，污水收集管網建設滯后，污水處理廠運行負荷率低，甚至難以運行。第四，地方配套資金不落實，影響污水處理廠調試運行。2 / 43另外，還有部分污水處理廠設計規模偏大，過度超前，造成設施能力部分閑置不能充分發揮效益。城市污水處理的主要方法有物理、化學、物理化學和生物方法。這些方法可以單一使用，也可以針對不同的污水水質組合使用。污水生物處理法是l9世紀末出現的污水治理

14、技術，現今已成為世界各國處理污水的主要手段。我國現階段的污水處理主要以生物法為主，物理法和化學法起輔助作用。目前我國污水處理廣泛使用的水污染治理技術有傳統活性污泥法，延時曝氣活性污泥法，SBR，AB，UNITANK和氧化溝工藝，AO和等。這些工藝被證明是行之有效的OA2水污染控制技術。我國污水處理普遍采用的上述工藝是歐美等發達國家在20世紀六七十年代根據歐洲國家排放標準制定的工藝。進入20世紀90年代后。一些西方國家污水處理率達到90以上每年僅有一兩個城市污水處理廠的建設項目，污水處理市場需求萎縮，失去了開發新工藝的動力。而我國污水處理新技術開發仍有巨大的需求和動力。王凱軍認為：在最近一個時期

15、，我國污水處理廠主要以延時曝氣的氧化溝和SBR工藝為主是不適合我國國情的。對于我國這樣一個污染嚴重、資源短缺的發展中國家。先進的處理工藝開發應適合我國國情，遵循高效、低耗和低成本的原則。目前我國污水處理工藝的發展趨勢是高效反應器的發展，其中對沉淀和分離性能的改進，生物的量和質的提高，是高效反應器發展的要點。開發各類效率高、投入低、可達到一定治理深度的城市污水處理新技術。對于經濟尚不夠發達而污染急待治理的我國，尤其是對于沒有污水處理的17000多個建制鎮，在一段期都具有重要意義。其中以厭氧-好氧生物處理工藝、流化床和曝氣生物濾3 / 43池等為代表的低耗、高效工藝有望滿足這一需求。 隨著工業的不

16、斷發展和城市人口的急劇增加，大量工業和生活污水未經處理流入江河湖海，環境被嚴重污染，使環境保護問題日益成為影響和制約人類社會發展的因素之一。因此，建立高度自動化的污水處理廠是解決水污染問題的有效途徑。為確保污水處理工藝和設備能夠長期安全可靠地運行，無模型控制器以其技術成熟、可靠性高、安裝靈活、擴展方便、性價比高等一系列優點，在污水處理自動控制中得到了越來越廣泛的應用。1.2 無模型控制簡介1.2.1 無模型控制方法的 定義 無模型控制理論與方法是指“控制器的設計僅利用受控系統的數據,控制器中不包含受控過程數學模型的任何信息的控制理論與方法 。目前,有關無模型控制方法國外己有一些標志性的成果 應

17、該指出,應用神經元網絡的控制方法盡管其作者宣稱也是無模型控制方法,但嚴格意義上講,它們不是無模型控制方法,為網絡的節點需要受控對象的部分信息， 而且,廣義上講,神經元網絡就是系統的模型,系統變化時，網絡需要重新訓練另外,模糊控制方法也不屬于無模型控制方法,因為,廣義上講,這一規則也是一種模型,需要對受控系統非常深的了解。同時,當系統發生較大的變化時,規則需要重新給出，因此,按照無模型學術上講,它們不屬于無模型控制方法。無模型控制方法由兩部分組成,即基本的無模型控制方法部分和功能組合控制方法部分。無模型功能組合控制方法部分是用功能組合途徑設計的非線性控制方法。它是依據功能組合的思想或者說是功能模

18、塊組合的思想 , 以被控對象對4 / 43控制方法的功能要求為導向 , 而不是先考慮建立被控系統的數學模型的設計途徑 , 即所謂功能組合途徑。控制方法的功能組合途徑由一系列單元控制方法用線性和非線性方式組合成控制律的途徑。單元控制方法包括靜差克服控制方法、反向預調控制方法、控制作用轉向加速控制方法、強制穩定控制方法、前饋控制方法、時滯控制方法、串級調節控制方法與正反作用控制方法等。每項單元控制方法均由相應的控制方法模塊表示 , 每個單元控制方法模塊都有相對應的參數。單元控制方法模塊的不同組合方式可得出不同的控制規律。應用功能模塊組合的思想 , 在控制器的設計中 , 需要注意控制器的各種功能模塊

19、 , 包括線性控制功能 , 也包括非線性控制功能。在應用無模型控制方法時 , 根據被控對象的不同 , 選取不同的功能模塊 “組裝” 起來就行了。顯然 ,這種控制器對被控制對象的適應性更強。 控制方案的設計是否合理 ,是能否解決難控環節控制問題的一個重要問題 ,也是能否更好地發揮無模型控制方法的優越性的一個重要因素。1.2.2 典型無模型控制方法的簡要綜述按給出的無模型控制理論與方法的定義，目前國外已存在的典型無模型控制方法有類控制技術與相關的方法控制和基本的控制方法的文獻非常多,并且己經在實際中得到了最廣泛的應用。到目前為止,工業過程控制中，最重要的仍然是控制 ,該方法是標準的無模型方法 然而

20、該類方法的多年理論分析和實際應用都表明,控制技術在處理具有強非線性 、時變性和具有周期性擾動的系統控制問題時其控制效果不甚理想,不具有學習功能,不具備對系統結構變化的適應性針對控5 / 43制利用誤差的過去 、現在和變化趨勢的線性加權和控制策略的缺點,京清教授提出了非線性的概念,并且進而發展出了一系列理論成果,如跟蹤微分器 、擴展狀態觀測器 、自抗擾技術等,使得傳統的無模型控制技術又有了本質的改進和豐富,并且在實際中己經得到了成功的應用。無模型自適應控制 ,是侯忠生在其博士論文中提出的,其基本思想是利用一個新引入的偽梯度向量或偽矩陣和偽階數的概念,在受控系統軌線附近用一系列的動態線性時變模型緊

21、格式、偏格式、全格式線性化控制的現狀與展望模型來替代一般離散時間非線性系統,并僅用受控系統的 數據來在線估計系統的偽梯度向量,從而實現非線性系統的,該種方法控制器設計，僅用受控系統的數據,不包括任何受控系統的模型信息,就能夠實現受控系統的參數自適應控制和結構自適應控制。該方法已經在一些假設條件下，就其中的基于格式線性化和偏格式線性化的方案給出了收斂性和穩定性的理論證明。目前,此類無模型自適應控制方法己經在鑄模、電機、化工、溫度、壓力等領域 ,城市快速路交通控制陽 、工程結構減震 、板材成形中得到了成功的應用,而且已經獲得了中國技術發明專利實際應用、仿真研究和理論證明，并且能夠處理具有強非線性和

22、時變性系統的控制問題。1.2.3 無模型控制方法的應用無模型控制方法的應用方式，目前在工業生產中，自動化設備主要應用的是國外引進的集散型計算機控制系統和現場總線計算機控制系統。在應用部分都沒有收到滿意的效果。幾乎所有應用裝置都沒能得到所希望的控制效果。原因是它們的基本單元控制回路算法仍然脫離不開 。如果基本單元控制回路不能實現穩定閉環控制，整個裝置實現先進最優控制是不可能的。舊算法對于非線性、大時6 / 43滯、強耦合系統的控制一般是無能為力的,所以目前想提高控制效果，就成了一個難題。無模型控制技術的應用解決了這個難題。以無模型控制技術為基礎的無模型控制方法軟件包和無模型控制工作站 ,能很好的

23、對不能實現閉環穩定控制的環節實現閉環穩定控制。這恰恰補救了大量國外產品的不足 ,所以社會效益，經濟效益十分重大。（1）無模型控制方法系列產品能夠對非線性、大時滯、強干擾、時變與強耦合系統進行閉環穩定控制。(2)無模型控制工作站可以通過通訊接口與集散控制系統相連接，對系統較難實現閉環控制的環節可以簡便地實現閉環穩定控制。無模型控制方法的理論和應用研究方興未艾。我們將把進一步的理論研究重點放在加強控制方法的穩定性、抗干擾能力、解耦能力、跟蹤速度以與簡化參數組態等幾方面:(1)定性方面增加強制穩定功能可以使系統從一般穩定性達到指數穩定。(2)抗干擾能力在算法中加進抗干擾模塊，可以對外部干擾進行濾波和

24、屏蔽， 從而使抗干擾能力由原來的較強變為具有強的抗干擾能力。(3)解耦能力在軟件算法中改進解耦模塊功能，增強解耦能力，使之對強耦合系統具備解耦的能力。(4)跟蹤速度進一步完善功能算法的組合功能,縮短調整時間,加快跟蹤速度可以由原來二個周期穩定提高到一個周期穩定。(5)組態參數在算法中加大算法集成度 ,盡量簡化泛模型的系統包括無模型7 / 43控制算法的所有功能,對大時滯、強干擾、強耦合、時變、非線性都有很好的控制效果。1.2.4 無模型自適應控制（ MFAC）的基本原理考慮對于任意一步時滯的離散時間動態系統S，設和)(),1(kyku是系統在相鄰時刻的兩組觀察數據，并假定,則必存)1(),(k

25、yku)() 1(kuku在S,使得下式成立： （1）)1()()()() 1(kukukkyky式（1）稱為系統S的泛模型，稱為泛模型的特征參量。在（1）式中，)(k形式上是一個動態線性系統。然而，任何系統本質上是非線性的，這里我們可以將其看成非線性系統的一種折線化。為了使這種一般的非線性系統由動態線性化（1）式的替代在合理的圍，就必須對控制的輸入的變化量加以限制（一般)(ku假設，,其中b的大小根據系統的非線性的強弱來具體確定。系統的非線bku)(性越強，b的值越小；反之越大） 。否則，的變化量較大，這種代替將不再)(ku合理。 注1：控制率算法的作用有兩個：其一它限制了輸入量的變化，從而

26、使得泛模型代替非線性系統比較合理；其二避免了控制律中的分母可能出現為零的奇異情況。這是一個很重要的參數，仿真結果表明它可以改變系統的動態特性。從控制律中可以看出，在K時刻唯一不知道的參數是特征參量；對于時)(k變參數估計方法有很多。下面我們根據控制律給出基于對稱相似性理論的)(k參數估計方法。注2：從控制律和特征參量的估計算法來看他們的結構具有相似性。 （1）式8 / 43就是我們所說的MFA控制律。可以看出，此類控制算法不受系統數學模型的限制，僅僅用系統的IO數據來設計控制律。實現了在線建模與控制的一體化，突破了原有的參數自適應，真正意義上實現了結構自適應。不但如此，控制律還具有遞推形式使得

27、他具有學習能力，不在需要系統具有持續的激勵。解決了傳統自適應控制中的辨識與控制兩者之間的矛盾。相對于傳統的PID控制和先進控制算法，MFAC具有以下優點：1） 無需過程精確定量知識；2） 不需要針對某一過程進行控制器設計；3） 控制律結構簡單，參數少且不需要人工整定；4） 閉環系統具有穩定性判據。總的來說，MFAC算法就是由泛模型（1）式的估計算法和控制算法在線交互進行、而組成的。當經過估計值以后，即可以用控制律把系統進行反饋控制，控制的結果將進行一組新的觀測數據，在已有的數據中添加這一組新的數據，用特征參量進行估計。如此下去，就可以實現整個系統的控制。1.2.5 無模型控制律的設計途徑無模型

28、控制方法的核心是無模型控制律,它的設計途徑由以下兩部分構成:用建模與控制一體化途徑設計無模型控制律的基本形式 依據建模與自適應控制的一體化途徑，可得到模型未知系統S的建模與反饋。控制一體化途徑的框架如下:(1)依據觀測數據和泛模型)1()()()() 1(kukukkyky利用適當的估值方法得到的估值 )(k)(k(2)尋求的向前一步的預報值 ,一個簡單的方法就是取 1)(k2)(k9 / 43=在尋求控制律時 ，依據泛模型導出控制律，我們把它記成， 1)(k2)(k)|(|/()()() 1()(201kakyykkukuk（3）把控制律作用于系統得到新的輸出，于是得到了一組新的數據 ,。)

29、(),2(kuky在這組新數據的基礎上重復 （1） ， （2） ， （3） 。即可又得出新的數據 ,如此繼續下去。可以證明 ，只要系統S滿足一定的條件，在)1(),2(kuky這種手續的作用下系統S的輸出將逐漸地逼近。)(kyy把控制律稍加改寫就可得出無模型控制律的基本形式： （3）)|(|/()()() 1()(201kakyykkukuk在控制律（3）中，控制參數 a是一個小正常數 。它的存在避免了分母為0 ,是特征參量的估值，A而且是非負的參數。1)(k)(k用功能組合途徑設計出無模型控制律的一般形式 無模型控制律的一般形式是：= +1k +nk1kY,mkkU1,) / )(ku) 1

30、( ku1)(k)(0kyy (Dk) 2|)(|ka其中部分是一個適當的函數,它表示控制律的功能組合,而(.)Dnk1kY = )(,.,1(nkykymkkU1 = ; )(),.,1(mkuku10 / 43其中,A 和 是無模型控制器的組態參數。構成途徑是：（1）以被控對象對控制方法的功能要求為導向,把一切可能的這種功能尋求出來,并盡可能的分解成最單一的功能稱為原功能或功能元。（2）把可能用算法表示的原功能用算法表示，實踐證明，絕大多數的功能元 ,都能用算法表示，例如離散時間。調節器的遞推形式就包含了三個功能元。（3）所有功能單元構成的集合記作 E，并稱其為功能空間。),(11kUYD

31、mkknkk就是定義在上 E 的適當的函數,是該函數所含的參數向量。 從理論上可以證明無模型控制律的基本形式在滿足不太苛刻的條件下具有很好的收斂性質。由基本控制方法和組合控制方法組成無模型控制方法。依據無模型控制理論方法研發設計出了四類無模型控制方法,這四類無模型控制方法基本上覆蓋了過程控制現場出現的各種難控現象，使得相應的問題迎刃而解,它們是、大時滯、強干擾系統的無模型控制方法、強耦合系統的無模型控制方法高階非線性大時滯系統的無模型控制方法、時變系統強制穩定的無模型控制方法。11 / 43第 2 章 污水處理工藝流程2.1 序批式活性污泥法（SBR）工藝簡介2.1.1 SBR 國外發展與應用

32、概況1.序批式活性污泥法（SBR）工藝的發展序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor,縮寫為SBR）以其獨特的優點，近年來在世界各地得到發展。人們對它的研究逐漸增多，在20世紀80年代，國外對其研究進入了工業化生產階段。20世紀80年代末我國的一些科研單位與大專院校也對其展開了研究，并在實際工程中開始應用。最初的活性污泥工藝采用間歇式，稱之為Fill-and-draw（充排式）系統。1893年Wardle處理生活污水所采用的就是這種充排式工藝。1914年，Arden和Lackett首次提出活性污泥法這一概念時，采用的也是這種系統。當時，他們使用容積為2L、3L的燒瓶進

33、行試驗研究，將原本與微生物絮體混合，然后進行曝氣，停止曝氣后混合液開始沉淀，最后排除上清液留下的污泥再開始新的處理過程。第一座生產規模的活性污泥法污水處理廠采用的依然是充排式的運行方式，并且證明可以達到很好的處理效果。隨著技術的發展，對SBR的生化動力學與其在工藝上的優越性有了更深的了解。20實際50年代初，美國Hoover與其同事對SBR法處理制酪工業廢水進行了探索。20世紀70年代，美國印第安納州大學的Irvine教授對SBR和連續流活性污泥處理工藝作了系統的比較研究后，美國、澳大利亞、日本、原聯邦德國等許多國家和地區都展開了對SBR法的研究和應用工作，使SBR法在世界圍得到了越來越深12

34、 / 43入的研究和越來越廣泛的應用。2.我國SBR工藝的發展我國于20世紀80年代中期開始對SBR進行系統研究與應用。1985年虞壽樞等為市吳淞肉聯廠設計并投產了我國第一座SBR廢水處理設施；永松等人也展開了對SBR特性的研究；在SBR的控制技術方面，建筑大學的永臻等人對SBR反應時間的計算機控制參數進行了研究；華北市政工程設計研究院在SBR的基礎上開發出了一種稱為DAT-IAT的新型SBR工藝。隨著SBR在國的廣泛應用，國SBR專用設備的研究也取得了長足的進步，開發出了一系列的設備。國家環保總局還把SBR專用設備的產業化和系列化列為“八五”和“九五”科技攻關項目。目前，SBR工藝在我國工業

35、廢水處理領域應用比較廣泛，已經建立了SBR工藝處理的污水包括：屠宰廢水、苯胺廢水、含酚廢水、啤酒廢水、化工廢水、淀粉廢水等。 、 、 、 、 、 、 、等地已有多座SBR處理設施投入運行。可以看出，SBR是一種高效、經濟、管理簡便，適用于中、小水量污水處理的工藝，具有廣闊的前景。2.2 SBR 的工作原理活性污泥法利用微生物去除有機物。首先需要微生物將有機物轉化成二氧化碳和水以與微生物菌體，反應后需要將微生物保存下來，在適當時間通過排除剩余污泥從系統中除去新增的微生物。連續流程工藝是從空間上進行這一過程的，污水首先進入反應池對混合液進行沉淀，與微生物分離后的上清液外排。而SBR則是通過在時間上

36、交替實現這一過程，它在流程上只設一個池子，將曝氣池和二沉池的功能集中在該池子上，兼行水質水量調節、微生物降解有機物和固液分離等功能。13 / 43在SBR的運行中，每個周期循環過程即進水、反應、沉淀、排放和待機都是可進行控制的。每個過程與特定的反應條件相聯系（混合/靜止，好氧/厭氧） ，這些反應條件促進污水物理和化學特性有選擇的改變，這些改變使出水得到了完全的處理。2.3 SBR 污水處理工藝SBR 污水處理技術是一種高效廢水回用的處理技術，采用優勢菌對城市生活污水進行處理，經過處理后的中水可以用來澆灌綠地、花木、沖洗廁所與車輛等，從而達到節約水資源的目的。SBR 污水處理系統方案力求達到設備

37、體積小，性能穩定，工程投資少的目的。廢水處理過程中環境溫度對菌群代產生的作用直接影響廢水處理效果，因此采用地埋式磚混結構處理池以降低溫度對處理效果的影響。同時，SBR 廢水處理技術工藝參數變化大，硬件設計選型與設備調試比較復雜，采用先進的無模型控制技術可以提高 SBR 污水處理的效率，方便操作和使用。SBR 污水處理系統分別由污水處理池、清水池、中水水箱、電控箱以與水泵、羅茨風機、電動閥門和電磁閥等部分組成，在污水處理池、清水池、中水水箱中分別設置液位開關，用以檢測水池與水箱中的水位。污水處理的第一階段：當污水池中的水位處于低水位或無水狀態時，電動閥會自動開起納入污水。當污水池納入的污水至正常

38、高水位時，電動閥自動關閉，污水池中污水呈微氧和厭氧狀態。污水處理的第二階段：采用能降解大分子污染物的曝氣法，可使污水脫色、除臭、平衡菌群的 pH 值并對污染物進行高效除污，即好氧處理過程。整個好氧14 / 43（曝氣）時間一般需要 68h。在曝氣管路上安裝了排空電磁閥，當電動閥門自動關閉后，排空電磁閥開起，羅茨風機延時空載起動，然后排空電磁閥延時關閉。曝氣風機在無負荷條件下起動和停止，能起到保護電動機和風機的作用。經過0.5h 的水質沉淀，下達起動 1#清水泵指令，將沉淀后的水泵入到清水池。當清水池中的水位升至正常高水位時，1#清水泵自動停止運行。這時 2#清水泵自動起動向中水箱泵水，當水箱中

39、達到正常高水位時，2#清水泵自動停止運行，這時中水箱的水全部完成處理過程。如上所示，當中水箱水位降至低水位時，2#清水泵又自動起動向中水箱泵水。當污水池中的水位降至低水位時，電動閥門會自動打開繼續向污水池納入污水。如此循環往復。 圖 2.1 污水處理系統示意圖15 / 43SBR 污水處理技術針對污水水質不同選用生物菌群不同，工藝要求有所不同，電氣控制系統應有參數可修正功能，以滿足污水處理的要求。16 / 43第 3 章 污水處理電氣控制部分3.1 污水處理電氣控制系統設計要求 （1）控制裝置選用無模型控制器作為系統的控制核心。 （2）可執行手動自動兩種方式，應能按照工藝要求編輯程序并可實時整

40、定參數。（3）為了設備安全運行，考慮必要的保護措施，如電動機過熱保護、控制系統短路保護等。3.2 控制系統的動力設備SBR 污水處理系統中所使用的動力設備（水泵、羅茨風機、電動閥） ，均采用三相交流異步電動機，電動機和電磁閥（AC220V 選配）選配防水防潮型。1#清水泵：立式離心泵 LS50-10-A，揚程 10m，流量 29，1kW。hm32#清水泵：立式離心泵 LS40-32.1，揚程 30m，流量 16，3kW。hm3曝氣羅茨風機：TSA-40，0.7/min，1.1kW。3m電動閥：閥體 D97A1X5-10ZB-125mm，電動裝置 LQ20-1，AC380V，60W。3.3 污水

41、處理電氣控制總體方案說明（1）SBR 污水處理系統控制對象電動機均由交流接觸器完成起、停控制，電動閥電動機要采用正、反轉控制。（2）污水池、清水池、中水水箱水位檢測開關，在選型時考慮抗干擾性能，選用電極考慮耐腐蝕性。（3）電動閥上驅動電動機，其部設有過載保護開關，為常閉觸點，作為電17 / 43動閥過載保護信號，無模型控制器控制電路考慮該信號邏輯關系。（4）1#清水泵、2#清水泵、羅茨風機電動機、電動閥電動機分別采用熱繼電器實現過載保護，其熱繼電器的常開觸點通過中間繼電器轉換后，作為無模型控制器的輸入信號，用以完成各個電動機系統的過載保護。（5）羅茨風機的控制要求在無負載條件下起動或停機，需要

42、在曝氣管路上設置排空電磁閥。（6）主電路用斷路器，各負載回路和控制回路以與無模型控制器控制回路采用熔斷器，實現短路保護。 （7）電控箱設置在控制室。控制面板與電控箱的電器板用 BVR 型銅導線連接，電控箱與執行裝置之間采用端子板連接。3.4 污水處理電氣控制原理圖設計1.主電路設計SBR污水處理電氣控制系統主電路如圖3.1所示。主回路流接觸器 KM1、KM2、KM3 分別控制 1#清水泵 M1、2#清水泵 M2、曝氣風機 M3；交流接觸器 KM4、KM5 控制電動閥電動機 M4，通過正、反轉完成開起閥門和關閉閥門的功能。電動機 M1、M2、M3、M4 由熱繼電器 FR1、FR2、FR3、FR4

43、 實現過載保護。電動閥電動機 M4 控制器還裝有常閉熱保護開關，對閥門電動機 M4 實現雙重保護。QF 為電源總開關，既可以完成主電路的短路保護，又起到分段三相交流電源的作用，使用和維修方便。熔斷器 FU1、FU2、FU3、FU4 分別實現各負載回路的短路保護。FU5、FU618 / 43分別完成交流控制回路和無模型控制器控制回路的短路保護。圖3.1 污水處理電氣控制系統主電路圖2.交流控制電路設計污水處理系統交流控制電路如圖3.2所示。控制電路有電源指示 HL1。無模型控制器供電回路采用隔離變壓器 TC，以防止電源干擾。隔離變壓器 TC 的選用根據無模型控制器耗電量配置，可以配置標準型、電壓

44、比 1：1、容量 100VA 隔離變壓器。1#清水泵 M1、2#清水泵 M2、曝氣風機 M3 分別有運行指示燈HL2、HL3、HL4，由 KM1、KM2、KM3 接觸器常開輔助觸點控制。閥門電動機風機2 泵 （清水）（污水）1 泵 KM5M4 M3 M2 M1 L6L5NNFU5FU6TSRQFFR4FR3FR2FR1FU43KM4FU33KM3FU23KM2KM1FU1319 / 43圖3.2 污水處理系統交流控制電路圖4 臺電動機 M1、M2、M3、M4 的過載保護分別由 4 個熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4 實現，將其常閉觸點并聯后與中間繼電器 KA1 連接構成過載保護信號，KA

45、1 還起到電壓轉換的作用，將 220V 交流信號轉換成直流 24V 信號送入無模型控制器完成過載保護控制功能。上水電磁閥 YA1 和指示燈 HL5、排空電磁閥 YA2 分別由中間繼電器 KA2 和KA3 觸點控制。3.主要參數計算斷路器 QF 脫扣電流。斷路器為供電系統電源開關，其主回路控制對象為電感性負載交流電動機，表示采用第三種接地方式注：電動機過載保護排空電磁閥上水閥指示上水電磁閥羅茨風機2 泵提示（清水）電源指示隔離變壓器1:1220220+241432123-152-212-143-132-121-1151 泵提示（污水）20 / 43斷路器過電流脫扣值按電動機起動電流的 1.7 倍

46、整定。SBR 污水處理系統有 3kW負載電動機一臺，起動電流較大，其余三臺為 1.1kW 以下，起動電流較小，而且工藝要求 4 臺電動機單獨起動運行，因此可根據 3kW 電動機選擇自動開關 QF 脫扣電流：QFI，選用=10A 的斷路器。AAAIINQF102 .1067 . 17 . 1QFI熔斷器 FU 熔體額定電流。 FUI以曝氣風機為例， ，選用 5A 的熔體。其余熔體額AAIINFU55 . 222定電流的選擇，按上述方法選配。控制回路熔體額定電流選用 2A。3.5 SBR 污水處理系統電氣工藝設計（1）先根據控制系統要求和電氣設備的結構，確定電器元器件的總體布局以與電控箱裝配板與控

47、制面板上應安裝的電器元器件。本系統除電控箱外，在污水處理設備現場設計安裝的電器元器件和動力設備有：電磁閥、水位開關、電動機、電動閥（含閥位控制器）等。電控箱電器板上安裝的電器元件有：斷路器、熔斷器、接觸器、中間繼電器、熱繼電器和端子板等。在控制面板上設計安裝的電器元件有：控制按鈕、開關、各色指示燈等。（2）依據用戶要求滿足操作方便、美觀大方、布局均勻對稱等設計原則，繪制電控箱電器板元器件布置圖、電器面板元器件布置圖，如圖 3.3、圖 3.4 所示。21 / 43圖 3.3 電控箱電器板元器件布置圖圖 3.4 電控箱電器面板元器件布置圖HL1HL13HL14HL16HL4HL11HL9HL7HL

48、5HL12HL10HL8SC6HL3HL2SC1SC5SC4SC3SC2SB1SB2線槽線槽線槽線槽線槽JDO-端子板FR4FR3FR2KM5KM4KM3KM2FR1KM1IRPLCOUTTCKA3KA2KA1FU6FU5FU4FU3FU2FU1QF22 / 43第 4 章 PH 值的無模型控制系統設計4.1 PH 值的無模型自適應控制方案由于 pH 加大滯后的特性疊加在該系統上，使控制算法相互矛盾，使問題的解決更加困難，簡單的采用傳統的控制手段是無法解決問題的。因此，我們考慮采用新的控制方案，即：無模型自適應控制技術 MFA （Model Free Adaptive） 。根據pH值處理過程的

49、時變和非線性特性, 將基于緊格式線性化的單入單出非線性離散時間系統的無模型學習自適應控制方法應用在帶有時滯的pH 值中和反應過程中。控制器的設計是無模型的, 是直接基于稱為偽偏導數的向量, 此偽偏導數是通過一種新型參數估計算法, 根據酸堿中和反應系統的輸入輸出信息在線導出的。此無模型控制方法非常適用于實際的模型參數難以辨識, 且是時變的非線性系統。仿真控制驗證了該方法對不確知動態的非線性pH 值的控制具有魯棒性強、響應速度快和控制精度高的優點,性能好于傳統的PID 控制。4.1.1 無模型自適應控制技術簡述無模型學習自適應控制(MFLAC)在19931994 被提出,其基本思想是利用一個新引入

50、的偽梯度向量的概念, 用一系列的動態線性時變模型, 包括緊格式、偏格式、全格式線性化模型來替代一般非線性系統, 并僅用受控系統的I/O 數據來在線估計系統的偽梯度向量, 從而實現非線性系統的無模型學習自適應控制。目前已成功應用于煉油、化工、電力、輕工等領域10與城市快速路交通流入口匝道控制的研究。由于無模型自適應控制無需受控系統的數學模型, 在線估計參數23 / 43少、設計簡單、易于實現, 所以對控制理論在實際中的應用具有重要的意義。而傳統的自適應控制系統需要辨識受控系統的模型參數或者是辨識受控系統的模型結構等辨識環節。MFA 控制是自動控制領域中一種全新的理論和技術，它為解決工業過程中的復

51、雜回路控制問題提出了新穎而有效的理念和方法。MFA 控制技術是與 PID 和自整定 PID、模糊控制、神經網絡、專家系統控制等流行方式是完全不同的。MFA 技術不同與傳統控制技術的方面可歸納為： （1）所有過程的信息都已包含在輸入輸出的信號中，只是以往傳統的控制方法缺乏有效提取這些信息并加以利用的手段； （2）通過無事先訓練的快速強制學習等方式，使 MFA 控制器能夠準確把握過程對象當前的特征，產生更合理的對策，從而獲得理想的調節控制結果。 MFA 控制技術主要的應用圍：采用傳統控制手段難以控制的非線形、 大滯后、 強耦合和時變系統。MFA 控制技術對于 pH 加大滯后過程有其獨特的技術優勢：

52、（1）僅需大致估計曲線的折點和滯后時間，輸入陡峭段和平穩段的 Kc， MFA 就可以進行有效地控制（2）有效控制流入速率和 PH 值的變化（3）自適應并補償大的增益改變在一般的應用場合使用 MFA（PH）模塊控制器，利用其默認值就可以得到比較穩定的投運效果。簡單的 pH 模塊可以抵抗的滯后過程，當時2T2T24 / 43可將 MFA 的 Time-Varying 模塊設為 Enable，然后估計出最大和最小的滯后時間，填入模塊參數表就可以得到滿意的控制效果。4.2 無模型學習自適應控制的設計被控系統可以通過下列單入單出非線性離散時間方程來描述:（1）)(),.1(),(),(),.1(),()

53、 1(nukukukunykykykyfky , 分別表示系統k 時刻的輸入與輸出, 分別表示系統未知的階)(ky)(kunynu數, 是未知的非線性函數。(.)f4.2.1 單入單出非線性系統的緊格式線性化緊格式線性化是在以下三個假設條件下完成的。假設1 系統(1) 式對某一系統有界的期望輸出信號 ,存在一有界的可行) 1( ky控制輸入信號, 在此控制輸入信號的作用下, 系統輸出等于期望輸出。此假設是對受控系統的基本假設。假設2 關于系統當前的控制輸入信號的偏導數是連續的, 它包括了一(.)f)(ku大類非線性系統。假設3 系統( 1) 式滿足對任意的k 和有:0)(ku)(| ) 1(|

54、kubky其中 , b 是常數。此假設是對系) 1()()(),() 1() 1(kukukukykyky統輸出變化量的限制。定理1 對非線性系統(1) 式, 如果滿足假設條件13,那么當時, 0)(ku25 / 43一定存在一個稱為是偽偏導數( Pseudo-Partial- Derivative, PPD) 的向量, 使得: (2)()() 1(kukky并且|，其中b 是一個常數。bk | )(|定理1 的證明, 其中的偽偏導數是一個時變參數,如果采樣周與的值)(ku均很小時, PPD 可以看成是一個慢時變參數。且與的關系可以忽略, 因此)(ku理論上是能夠設計自適應控制系統的。同時它的

55、結構非常簡單, 它將一個復雜的SISO 非線性系統轉化成一個帶有單參數的線性時變系統。4.2.2 基于緊格式線性化的無模型學習自適應控制控制率算法為保證表示一般非線性系統的(1) 式由動態線性化(2) 式合理替代, 必須限制控制輸入的變化量, 除在算法中要保證以外, 由于自適應控制)(ku0)(ku系統是在動態閉環方式下工作, 還必須在控制率算法中加入可調參數, 用以限制的變化, 使其變化不能太大。)(ku考慮如下控制輸入準則函數: (3)22| ) 1()(| ) 1() 1(*|)(kukukykykuJ此準則函數中引入的目的, 是使控制輸入量的變化受到限2| ) 1()(|kuku制,

56、且能克服穩態跟蹤誤差。其中是權重系數。將( 2)式帶入( 3) 式, 對求導, 并令其等于零, 得:)(ku (4)( )() 1(*)() 1()(2kkykykkukuk26 / 43其中是步長序列。k在(4)式中的作用是限制了的變化, 保證了(2)式對(1)式的合理替)(ku代圍, 因此可以間接限制偽偏導數值的變化。同時可以避免控制率算法( 4) 式中分母可能為零的情況。是一個非常重要的參數, 后面的仿真結果表明它可以改變系統的動態特性。從(4) 式可知, 此類控制率與受控系統參數數學模型結構、系統階數無關, 僅用系統I/O 數據設計, 這正是無模型自適應控制的優勢所在。4.2.3 基于

57、緊格式線性化的無模型學習自適應控制偽偏導數估計算法實踐證明用傳統的參數估計準則函數推導出的參數估計算法在估計參數時, 估計值常常變化太快, 或者對某些突變的采樣數據過于敏感, 而對自適應控制系統設計的非線性系統參數估計算法必須滿足在線控制的快速性要求。且線性化圍不能太大。新的估計準則函數如下:（5）) 1()()1()() 1()()(220kkkukkykykJ其中表示系統的真實輸出, 是關于參數估計變化量的懲罰因子, 通過它)(0ky的適當選取, 可以限制非線性系統進行線性替代的圍。準則函數( 5) 式中由于項的引入, 懲罰了參數的變化, 且由于(5)式中僅考慮了第2)1()(kkk個采樣

58、時刻, 故由準則函數推導來的參數估計算法應具有對時變參數的跟蹤能力。通過極小化推導過程9, 得到如下偽偏導數估計算法: （6）) 1()1() 1()()(1() 1()(2kukukkykukkk27 / 43，若或 （7）) 1 ()(k)(k) 1(ku(7)式是為了使定理4.1 的條件得到滿足,同時也為了使參數估計算法具有更強的時變參數跟蹤能力。在(4) 、（6) 、(7) 式中,，,( 0, 2) ,是權kk,重因子,是充分小的正數,是的初值。) 1 ()(k由于上述控制方案比傳統的自適應控制方案在線調整參數少, 計算量小, 系統偽偏導數是唯一在線調整的參數, 因此能適應系統快速性要

59、求, 且易于實現。4.3 PH 值控制中的仿真研究與性能分析pH 值是酸堿中和反應中對溶液酸堿度的定義,中和反應過程是將酸溶液、堿溶液和緩沖劑混合在一個固定體積的容器中，系統的輸入是堿的流速、緩沖)(tu劑流速和酸的流速)(tF,系統的輸出是排出溶液的pH 值。假設酸的流速)(t)(ty和容器的體積V是固定不變的, 通常最終目的是通過控制堿的流速來控制排)(tF出溶液的pH 值。不可測得的緩沖劑流速可以作為系統的干擾來處理。)(tpH 較低或較高時, 變化非常緩慢, 而在接近中性時, 即pH 在7 左右時, 添加的中和劑稍有變化, 就能引起pH值較大幅度的變化。又由于反應過程一般在大容器中進行

60、, 從中和劑加入到pH 值變化需要時間較長, 這一嚴重的非線性與時滯特性給pH 值控制帶來極大的困難, 不僅難以控制準確, 而且還浪費大量中和劑。本文通過基于緊格式線性化的無模型學習自適應控(MFLAC) 方法在pH 值控制中的應用研究, 分析當系統參數變化時, 系統的輸出對給定期望值的跟蹤情況, 證明此控制方法在酸堿中和反應過程中應用的魯棒性、快速性等。28 / 434.3.1 PH 值控制系統模型實際生產過程中的中和反應過程是非常復雜的, 這里考慮的被控對象選用通用化非線性動態模型如下： （8）)()()()()()(111tybtutyatFtdtVd （9）wtytyKty)()(11