污水处理过程中PH值的无模型控制系统设计说明

1、I / 43污水处理过程中 PH 值的无模型控制系统设计摘 要我国的水资源地区分布极不平衡，导致许多地区出现水资源短缺现象。水资源短缺已成为制约经济发展的重要因素。环境污染是造成我国水资源紧的另一个重要原因。目前，全国约有 1/3 的工业废水和大量的生活污水未经处理就直接排入江、河、湖、海，使水环境遭到严重的污染。如何使水资源得到保护，污水得到与时有效的处理并作为一种资源得到再一次的有效利用，已经成为我国面临的重要课题之一。本文介绍了无模型控制器又称非建模自适应控制器的基本理论和近年来在理论和应用方面研究的进展，无模型控制器的设计途径是一种非典型的途径。该途径的特点是：建模和反馈控制一体化，冲

2、破经典PID的概念和控制器设计的线性框架，采用了功能组合设计方法。建模与控制一体化的手续，是设计出来的控制器具有一定的结构自适应性。本次设计的这个污水处理系统将提高污水处理的质量，使排放有害物量较大减少，而且将使操作人员的工作量减少，劳动强度随之降低，尽量满足出水水质要求。同时，与某些大型污水处理设备相比，系统要运行可靠，投资大为降低。关键词：污水处理；无模型控制器；建模与控制一体化；功能组合；结构自适；应用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 录摘要 IABSTRACTII第 1 章引言 11.1 污水处理研究现状 11.2 无模型控制简介 31.2.1 无模型控制方法的定义 31.2.2 典型无模型控制方法的简要综述 41.2.3 无模型控制方法的应用 51.2.4 无模型自适应控制（MFAC）的基本原理 71.2.5 无模型控制律的设计途径 8第 2 章污水处理工艺流程 112.1 序批式活性污泥法（SBR）工艺简介 112.1.1 SBR 国外发展与应用概况 112.2 SBR 的工作原理 12V / 432

10、.3 SBR 污水处理工艺 13第 3 章污水处理电气控制部分 163.1 污水处理电气控制系统设计要求 163.2 控制系统的动力设备 163.3 污水处理电气控制总体方案说明 163.4 污水处理电气控制原理图设计 173.5 SBR 污水处理系统电气工艺设计 20第 4 章 PH 值的无模型控制系统设计 224.1 PH 值的无模型自适应控制方案 224.1.1 无模型自适应控制技术简述 224.2 无模型学习自适应控制的设计 244.2.1 单入单出非线性系统的紧格式线性化 244.2.2 基于紧格式线性化的无模型学习自适应控制控 254.2.3 基于紧格式线性化的无模型学习自适应控制

11、伪 264.3 PH 值控制中的仿真研究与性能分析 274.3.1 PH 值控制系统模型 274.3.2 仿真研究与稳定性分析 284.4 PH 值的控制目标 324.5 系统投运后的效果 32第 5 章总结 33参考文献 34VI / 43辞 361 / 43第 1 章引言1.1 污水处理研究现状 我国污水处理面临着水污染严重，污水治理起步晚、基础差、要求高的形势。近些年，污水处理的建设有了很大发展，截至 2005 年 6 月底，全国 661 个城市建有污水处理厂 708 座，处理能力为 4912 万吨，是 2000 年的两倍多；全年污水处理量 1628 亿，比 2000 年增加了 43。污

12、水处理率达 457。但绝大3m多数污水处理能力满足不了实际需要，全国还有 297 个城市没有建成污水处理厂，其中，地级以上城市 63 个。包括人口 5O 万以上的大城市 8 个；位于重点流域、区域“十五”规划围的城市 54 个。全国 5 万多个城镇。370 多万个村庄，9 亿多人口居住地尚无污水处理设施。 与国际相比，我国污水处理率较低，其主要原因是我国的污水处理厂建设滞后。据资料介绍，美国现在平均每1万人就拥有1座污水处理厂，英国和德国每70008000人拥有1座污水处理厂。而我国城镇人171中，平均每150万人才拥有1座污水处理厂。据建设部通报的全国污水处理情况。目前已建成的污水处理厂，除

13、正在调试运行的外，尚有不能正常运行的，其原因主要有：第一，对污水处理组织管理不力，致使有的污水处理厂已建成半年甚至近一年仍未运行。第二，一些已建成污水处理厂的城市仍未开征污水处理费，或收费标准和征缴率低，污水处理设施运行经费难以保障。第三，污水收集管网建设滞后，污水处理厂运行负荷率低，甚至难以运行。第四，地方配套资金不落实，影响污水处理厂调试运行。2 / 43另外，还有部分污水处理厂设计规模偏大，过度超前，造成设施能力部分闲置不能充分发挥效益。城市污水处理的主要方法有物理、化学、物理化学和生物方法。这些方法可以单一使用，也可以针对不同的污水水质组合使用。污水生物处理法是l9世纪末出现的污水治理

14、技术，现今已成为世界各国处理污水的主要手段。我国现阶段的污水处理主要以生物法为主，物理法和化学法起辅助作用。目前我国污水处理广泛使用的水污染治理技术有传统活性污泥法，延时曝气活性污泥法，SBR，AB，UNITANK和氧化沟工艺，AO和等。这些工艺被证明是行之有效的OA2水污染控制技术。我国污水处理普遍采用的上述工艺是欧美等发达国家在20世纪六七十年代根据欧洲国家排放标准制定的工艺。进入20世纪90年代后。一些西方国家污水处理率达到90以上每年仅有一两个城市污水处理厂的建设项目，污水处理市场需求萎缩，失去了开发新工艺的动力。而我国污水处理新技术开发仍有巨大的需求和动力。王凯军认为：在最近一个时期

15、，我国污水处理厂主要以延时曝气的氧化沟和SBR工艺为主是不适合我国国情的。对于我国这样一个污染严重、资源短缺的发展中国家。先进的处理工艺开发应适合我国国情，遵循高效、低耗和低成本的原则。目前我国污水处理工艺的发展趋势是高效反应器的发展，其中对沉淀和分离性能的改进，生物的量和质的提高，是高效反应器发展的要点。开发各类效率高、投入低、可达到一定治理深度的城市污水处理新技术。对于经济尚不够发达而污染急待治理的我国，尤其是对于没有污水处理的17000多个建制镇，在一段期都具有重要意义。其中以厌氧-好氧生物处理工艺、流化床和曝气生物滤3 / 43池等为代表的低耗、高效工艺有望满足这一需求。 随着工业的不

16、断发展和城市人口的急剧增加，大量工业和生活污水未经处理流入江河湖海，环境被严重污染，使环境保护问题日益成为影响和制约人类社会发展的因素之一。因此，建立高度自动化的污水处理厂是解决水污染问题的有效途径。为确保污水处理工艺和设备能够长期安全可靠地运行，无模型控制器以其技术成熟、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性价比高等一系列优点，在污水处理自动控制中得到了越来越广泛的应用。1.2 无模型控制简介1.2.1 无模型控制方法的 定义 无模型控制理论与方法是指“控制器的设计仅利用受控系统的数据,控制器中不包含受控过程数学模型的任何信息的控制理论与方法 。目前,有关无模型控制方法国外己有一些标志性的成果 应

17、该指出,应用神经元网络的控制方法尽管其作者宣称也是无模型控制方法,但严格意义上讲,它们不是无模型控制方法,为网络的节点需要受控对象的部分信息， 而且,广义上讲,神经元网络就是系统的模型,系统变化时，网络需要重新训练另外,模糊控制方法也不属于无模型控制方法,因为,广义上讲,这一规则也是一种模型,需要对受控系统非常深的了解。同时,当系统发生较大的变化时,规则需要重新给出，因此,按照无模型学术上讲,它们不属于无模型控制方法。无模型控制方法由两部分组成,即基本的无模型控制方法部分和功能组合控制方法部分。无模型功能组合控制方法部分是用功能组合途径设计的非线性控制方法。它是依据功能组合的思想或者说是功能模

18、块组合的思想 , 以被控对象对4 / 43控制方法的功能要求为导向 , 而不是先考虑建立被控系统的数学模型的设计途径 , 即所谓功能组合途径。控制方法的功能组合途径由一系列单元控制方法用线性和非线性方式组合成控制律的途径。单元控制方法包括静差克服控制方法、反向预调控制方法、控制作用转向加速控制方法、强制稳定控制方法、前馈控制方法、时滞控制方法、串级调节控制方法与正反作用控制方法等。每项单元控制方法均由相应的控制方法模块表示 , 每个单元控制方法模块都有相对应的参数。单元控制方法模块的不同组合方式可得出不同的控制规律。应用功能模块组合的思想 , 在控制器的设计中 , 需要注意控制器的各种功能模块

19、 , 包括线性控制功能 , 也包括非线性控制功能。在应用无模型控制方法时 , 根据被控对象的不同 , 选取不同的功能模块 “组装” 起来就行了。显然 ,这种控制器对被控制对象的适应性更强。 控制方案的设计是否合理 ,是能否解决难控环节控制问题的一个重要问题 ,也是能否更好地发挥无模型控制方法的优越性的一个重要因素。1.2.2 典型无模型控制方法的简要综述按给出的无模型控制理论与方法的定义，目前国外已存在的典型无模型控制方法有类控制技术与相关的方法控制和基本的控制方法的文献非常多,并且己经在实际中得到了最广泛的应用。到目前为止,工业过程控制中，最重要的仍然是控制 ,该方法是标准的无模型方法 然而

20、该类方法的多年理论分析和实际应用都表明,控制技术在处理具有强非线性 、时变性和具有周期性扰动的系统控制问题时其控制效果不甚理想,不具有学习功能,不具备对系统结构变化的适应性针对控5 / 43制利用误差的过去 、现在和变化趋势的线性加权和控制策略的缺点,京清教授提出了非线性的概念,并且进而发展出了一系列理论成果,如跟踪微分器 、扩展状态观测器 、自抗扰技术等,使得传统的无模型控制技术又有了本质的改进和丰富,并且在实际中己经得到了成功的应用。无模型自适应控制 ,是侯忠生在其博士论文中提出的,其基本思想是利用一个新引入的伪梯度向量或伪矩阵和伪阶数的概念,在受控系统轨线附近用一系列的动态线性时变模型紧

21、格式、偏格式、全格式线性化控制的现状与展望模型来替代一般离散时间非线性系统,并仅用受控系统的 数据来在线估计系统的伪梯度向量,从而实现非线性系统的,该种方法控制器设计，仅用受控系统的数据,不包括任何受控系统的模型信息,就能够实现受控系统的参数自适应控制和结构自适应控制。该方法已经在一些假设条件下，就其中的基于格式线性化和偏格式线性化的方案给出了收敛性和稳定性的理论证明。目前,此类无模型自适应控制方法己经在铸模、电机、化工、温度、压力等领域 ,城市快速路交通控制阳 、工程结构减震 、板材成形中得到了成功的应用,而且已经获得了中国技术发明专利实际应用、仿真研究和理论证明，并且能够处理具有强非线性和

22、时变性系统的控制问题。1.2.3 无模型控制方法的应用无模型控制方法的应用方式，目前在工业生产中，自动化设备主要应用的是国外引进的集散型计算机控制系统和现场总线计算机控制系统。在应用部分都没有收到满意的效果。几乎所有应用装置都没能得到所希望的控制效果。原因是它们的基本单元控制回路算法仍然脱离不开 。如果基本单元控制回路不能实现稳定闭环控制，整个装置实现先进最优控制是不可能的。旧算法对于非线性、大时6 / 43滞、强耦合系统的控制一般是无能为力的,所以目前想提高控制效果，就成了一个难题。无模型控制技术的应用解决了这个难题。以无模型控制技术为基础的无模型控制方法软件包和无模型控制工作站 ,能很好的

23、对不能实现闭环稳定控制的环节实现闭环稳定控制。这恰恰补救了大量国外产品的不足 ,所以社会效益，经济效益十分重大。（1）无模型控制方法系列产品能够对非线性、大时滞、强干扰、时变与强耦合系统进行闭环稳定控制。(2)无模型控制工作站可以通过通讯接口与集散控制系统相连接，对系统较难实现闭环控制的环节可以简便地实现闭环稳定控制。无模型控制方法的理论和应用研究方兴未艾。我们将把进一步的理论研究重点放在加强控制方法的稳定性、抗干扰能力、解耦能力、跟踪速度以与简化参数组态等几方面:(1)定性方面增加强制稳定功能可以使系统从一般稳定性达到指数稳定。(2)抗干扰能力在算法中加进抗干扰模块，可以对外部干扰进行滤波和

24、屏蔽， 从而使抗干扰能力由原来的较强变为具有强的抗干扰能力。(3)解耦能力在软件算法中改进解耦模块功能，增强解耦能力，使之对强耦合系统具备解耦的能力。(4)跟踪速度进一步完善功能算法的组合功能,缩短调整时间,加快跟踪速度可以由原来二个周期稳定提高到一个周期稳定。(5)组态参数在算法中加大算法集成度 ,尽量简化泛模型的系统包括无模型7 / 43控制算法的所有功能,对大时滞、强干扰、强耦合、时变、非线性都有很好的控制效果。1.2.4 无模型自适应控制（ MFAC）的基本原理考虑对于任意一步时滞的离散时间动态系统S，设和)(),1(kyku是系统在相邻时刻的两组观察数据，并假定,则必存)1(),(k

25、yku)() 1(kuku在S,使得下式成立： （1）)1()()()() 1(kukukkyky式（1）称为系统S的泛模型，称为泛模型的特征参量。在（1）式中，)(k形式上是一个动态线性系统。然而，任何系统本质上是非线性的，这里我们可以将其看成非线性系统的一种折线化。为了使这种一般的非线性系统由动态线性化（1）式的替代在合理的围，就必须对控制的输入的变化量加以限制（一般)(ku假设，,其中b的大小根据系统的非线性的强弱来具体确定。系统的非线bku)(性越强，b的值越小；反之越大） 。否则，的变化量较大，这种代替将不再)(ku合理。 注1：控制率算法的作用有两个：其一它限制了输入量的变化，从而

26、使得泛模型代替非线性系统比较合理；其二避免了控制律中的分母可能出现为零的奇异情况。这是一个很重要的参数，仿真结果表明它可以改变系统的动态特性。从控制律中可以看出，在K时刻唯一不知道的参数是特征参量；对于时)(k变参数估计方法有很多。下面我们根据控制律给出基于对称相似性理论的)(k参数估计方法。注2：从控制律和特征参量的估计算法来看他们的结构具有相似性。 （1）式8 / 43就是我们所说的MFA控制律。可以看出，此类控制算法不受系统数学模型的限制，仅仅用系统的IO数据来设计控制律。实现了在线建模与控制的一体化，突破了原有的参数自适应，真正意义上实现了结构自适应。不但如此，控制律还具有递推形式使得

27、他具有学习能力，不在需要系统具有持续的激励。解决了传统自适应控制中的辨识与控制两者之间的矛盾。相对于传统的PID控制和先进控制算法，MFAC具有以下优点：1） 无需过程精确定量知识；2） 不需要针对某一过程进行控制器设计；3） 控制律结构简单，参数少且不需要人工整定；4） 闭环系统具有稳定性判据。总的来说，MFAC算法就是由泛模型（1）式的估计算法和控制算法在线交互进行、而组成的。当经过估计值以后，即可以用控制律把系统进行反馈控制，控制的结果将进行一组新的观测数据，在已有的数据中添加这一组新的数据，用特征参量进行估计。如此下去，就可以实现整个系统的控制。1.2.5 无模型控制律的设计途径无模型

28、控制方法的核心是无模型控制律,它的设计途径由以下两部分构成:用建模与控制一体化途径设计无模型控制律的基本形式 依据建模与自适应控制的一体化途径，可得到模型未知系统S的建模与反馈。控制一体化途径的框架如下:(1)依据观测数据和泛模型)1()()()() 1(kukukkyky利用适当的估值方法得到的估值 )(k)(k(2)寻求的向前一步的预报值 ,一个简单的方法就是取 1)(k2)(k9 / 43=在寻求控制律时 ，依据泛模型导出控制律，我们把它记成， 1)(k2)(k)|(|/()()() 1()(201kakyykkukuk（3）把控制律作用于系统得到新的输出，于是得到了一组新的数据 ,。)

29、(),2(kuky在这组新数据的基础上重复 （1） ， （2） ， （3） 。即可又得出新的数据 ,如此继续下去。可以证明 ，只要系统S满足一定的条件，在)1(),2(kuky这种手续的作用下系统S的输出将逐渐地逼近。)(kyy把控制律稍加改写就可得出无模型控制律的基本形式： （3）)|(|/()()() 1()(201kakyykkukuk在控制律（3）中，控制参数 a是一个小正常数 。它的存在避免了分母为0 ,是特征参量的估值，A而且是非负的参数。1)(k)(k用功能组合途径设计出无模型控制律的一般形式 无模型控制律的一般形式是：= +1k +nk1kY,mkkU1,) / )(ku) 1

30、( ku1)(k)(0kyy (Dk) 2|)(|ka其中部分是一个适当的函数,它表示控制律的功能组合,而(.)Dnk1kY = )(,.,1(nkykymkkU1 = ; )(),.,1(mkuku10 / 43其中,A 和 是无模型控制器的组态参数。构成途径是：（1）以被控对象对控制方法的功能要求为导向,把一切可能的这种功能寻求出来,并尽可能的分解成最单一的功能称为原功能或功能元。（2）把可能用算法表示的原功能用算法表示，实践证明，绝大多数的功能元 ,都能用算法表示，例如离散时间。调节器的递推形式就包含了三个功能元。（3）所有功能单元构成的集合记作 E，并称其为功能空间。),(11kUYD

31、mkknkk就是定义在上 E 的适当的函数,是该函数所含的参数向量。 从理论上可以证明无模型控制律的基本形式在满足不太苛刻的条件下具有很好的收敛性质。由基本控制方法和组合控制方法组成无模型控制方法。依据无模型控制理论方法研发设计出了四类无模型控制方法,这四类无模型控制方法基本上覆盖了过程控制现场出现的各种难控现象，使得相应的问题迎刃而解,它们是、大时滞、强干扰系统的无模型控制方法、强耦合系统的无模型控制方法高阶非线性大时滞系统的无模型控制方法、时变系统强制稳定的无模型控制方法。11 / 43第 2 章 污水处理工艺流程2.1 序批式活性污泥法（SBR）工艺简介2.1.1 SBR 国外发展与应用

32、概况1.序批式活性污泥法（SBR）工艺的发展序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor,缩写为SBR）以其独特的优点，近年来在世界各地得到发展。人们对它的研究逐渐增多，在20世纪80年代，国外对其研究进入了工业化生产阶段。20世纪80年代末我国的一些科研单位与大专院校也对其展开了研究，并在实际工程中开始应用。最初的活性污泥工艺采用间歇式，称之为Fill-and-draw（充排式）系统。1893年Wardle处理生活污水所采用的就是这种充排式工艺。1914年，Arden和Lackett首次提出活性污泥法这一概念时，采用的也是这种系统。当时，他们使用容积为2L、3L的烧瓶进

33、行试验研究，将原本与微生物絮体混合，然后进行曝气，停止曝气后混合液开始沉淀，最后排除上清液留下的污泥再开始新的处理过程。第一座生产规模的活性污泥法污水处理厂采用的依然是充排式的运行方式，并且证明可以达到很好的处理效果。随着技术的发展，对SBR的生化动力学与其在工艺上的优越性有了更深的了解。20实际50年代初，美国Hoover与其同事对SBR法处理制酪工业废水进行了探索。20世纪70年代，美国印第安纳州大学的Irvine教授对SBR和连续流活性污泥处理工艺作了系统的比较研究后，美国、澳大利亚、日本、原联邦德国等许多国家和地区都展开了对SBR法的研究和应用工作，使SBR法在世界围得到了越来越深12

34、 / 43入的研究和越来越广泛的应用。2.我国SBR工艺的发展我国于20世纪80年代中期开始对SBR进行系统研究与应用。1985年虞寿枢等为市吴淞肉联厂设计并投产了我国第一座SBR废水处理设施；永松等人也展开了对SBR特性的研究；在SBR的控制技术方面，建筑大学的永臻等人对SBR反应时间的计算机控制参数进行了研究；华北市政工程设计研究院在SBR的基础上开发出了一种称为DAT-IAT的新型SBR工艺。随着SBR在国的广泛应用，国SBR专用设备的研究也取得了长足的进步，开发出了一系列的设备。国家环保总局还把SBR专用设备的产业化和系列化列为“八五”和“九五”科技攻关项目。目前，SBR工艺在我国工业

35、废水处理领域应用比较广泛，已经建立了SBR工艺处理的污水包括：屠宰废水、苯胺废水、含酚废水、啤酒废水、化工废水、淀粉废水等。 、 、 、 、 、 、 、等地已有多座SBR处理设施投入运行。可以看出，SBR是一种高效、经济、管理简便，适用于中、小水量污水处理的工艺，具有广阔的前景。2.2 SBR 的工作原理活性污泥法利用微生物去除有机物。首先需要微生物将有机物转化成二氧化碳和水以与微生物菌体，反应后需要将微生物保存下来，在适当时间通过排除剩余污泥从系统中除去新增的微生物。连续流程工艺是从空间上进行这一过程的，污水首先进入反应池对混合液进行沉淀，与微生物分离后的上清液外排。而SBR则是通过在时间上

36、交替实现这一过程，它在流程上只设一个池子，将曝气池和二沉池的功能集中在该池子上，兼行水质水量调节、微生物降解有机物和固液分离等功能。13 / 43在SBR的运行中，每个周期循环过程即进水、反应、沉淀、排放和待机都是可进行控制的。每个过程与特定的反应条件相联系（混合/静止，好氧/厌氧） ，这些反应条件促进污水物理和化学特性有选择的改变，这些改变使出水得到了完全的处理。2.3 SBR 污水处理工艺SBR 污水处理技术是一种高效废水回用的处理技术，采用优势菌对城市生活污水进行处理，经过处理后的中水可以用来浇灌绿地、花木、冲洗厕所与车辆等，从而达到节约水资源的目的。SBR 污水处理系统方案力求达到设备

37、体积小，性能稳定，工程投资少的目的。废水处理过程中环境温度对菌群代产生的作用直接影响废水处理效果，因此采用地埋式砖混结构处理池以降低温度对处理效果的影响。同时，SBR 废水处理技术工艺参数变化大，硬件设计选型与设备调试比较复杂，采用先进的无模型控制技术可以提高 SBR 污水处理的效率，方便操作和使用。SBR 污水处理系统分别由污水处理池、清水池、中水水箱、电控箱以与水泵、罗茨风机、电动阀门和电磁阀等部分组成，在污水处理池、清水池、中水水箱中分别设置液位开关，用以检测水池与水箱中的水位。污水处理的第一阶段：当污水池中的水位处于低水位或无水状态时，电动阀会自动开起纳入污水。当污水池纳入的污水至正常

38、高水位时，电动阀自动关闭，污水池中污水呈微氧和厌氧状态。污水处理的第二阶段：采用能降解大分子污染物的曝气法，可使污水脱色、除臭、平衡菌群的 pH 值并对污染物进行高效除污，即好氧处理过程。整个好氧14 / 43（曝气）时间一般需要 68h。在曝气管路上安装了排空电磁阀，当电动阀门自动关闭后，排空电磁阀开起，罗茨风机延时空载起动，然后排空电磁阀延时关闭。曝气风机在无负荷条件下起动和停止，能起到保护电动机和风机的作用。经过0.5h 的水质沉淀，下达起动 1#清水泵指令，将沉淀后的水泵入到清水池。当清水池中的水位升至正常高水位时，1#清水泵自动停止运行。这时 2#清水泵自动起动向中水箱泵水，当水箱中

39、达到正常高水位时，2#清水泵自动停止运行，这时中水箱的水全部完成处理过程。如上所示，当中水箱水位降至低水位时，2#清水泵又自动起动向中水箱泵水。当污水池中的水位降至低水位时，电动阀门会自动打开继续向污水池纳入污水。如此循环往复。 图 2.1 污水处理系统示意图15 / 43SBR 污水处理技术针对污水水质不同选用生物菌群不同，工艺要求有所不同，电气控制系统应有参数可修正功能，以满足污水处理的要求。16 / 43第 3 章 污水处理电气控制部分3.1 污水处理电气控制系统设计要求 （1）控制装置选用无模型控制器作为系统的控制核心。 （2）可执行手动自动两种方式，应能按照工艺要求编辑程序并可实时整

40、定参数。（3）为了设备安全运行，考虑必要的保护措施，如电动机过热保护、控制系统短路保护等。3.2 控制系统的动力设备SBR 污水处理系统中所使用的动力设备（水泵、罗茨风机、电动阀） ，均采用三相交流异步电动机，电动机和电磁阀（AC220V 选配）选配防水防潮型。1#清水泵：立式离心泵 LS50-10-A，扬程 10m，流量 29，1kW。hm32#清水泵：立式离心泵 LS40-32.1，扬程 30m，流量 16，3kW。hm3曝气罗茨风机：TSA-40，0.7/min，1.1kW。3m电动阀：阀体 D97A1X5-10ZB-125mm，电动装置 LQ20-1，AC380V，60W。3.3 污水

41、处理电气控制总体方案说明（1）SBR 污水处理系统控制对象电动机均由交流接触器完成起、停控制，电动阀电动机要采用正、反转控制。（2）污水池、清水池、中水水箱水位检测开关，在选型时考虑抗干扰性能，选用电极考虑耐腐蚀性。（3）电动阀上驱动电动机，其部设有过载保护开关，为常闭触点，作为电17 / 43动阀过载保护信号，无模型控制器控制电路考虑该信号逻辑关系。（4）1#清水泵、2#清水泵、罗茨风机电动机、电动阀电动机分别采用热继电器实现过载保护，其热继电器的常开触点通过中间继电器转换后，作为无模型控制器的输入信号，用以完成各个电动机系统的过载保护。（5）罗茨风机的控制要求在无负载条件下起动或停机，需要

42、在曝气管路上设置排空电磁阀。（6）主电路用断路器，各负载回路和控制回路以与无模型控制器控制回路采用熔断器，实现短路保护。 （7）电控箱设置在控制室。控制面板与电控箱的电器板用 BVR 型铜导线连接，电控箱与执行装置之间采用端子板连接。3.4 污水处理电气控制原理图设计1.主电路设计SBR污水处理电气控制系统主电路如图3.1所示。主回路流接触器 KM1、KM2、KM3 分别控制 1#清水泵 M1、2#清水泵 M2、曝气风机 M3；交流接触器 KM4、KM5 控制电动阀电动机 M4，通过正、反转完成开起阀门和关闭阀门的功能。电动机 M1、M2、M3、M4 由热继电器 FR1、FR2、FR3、FR4

43、 实现过载保护。电动阀电动机 M4 控制器还装有常闭热保护开关，对阀门电动机 M4 实现双重保护。QF 为电源总开关，既可以完成主电路的短路保护，又起到分段三相交流电源的作用，使用和维修方便。熔断器 FU1、FU2、FU3、FU4 分别实现各负载回路的短路保护。FU5、FU618 / 43分别完成交流控制回路和无模型控制器控制回路的短路保护。图3.1 污水处理电气控制系统主电路图2.交流控制电路设计污水处理系统交流控制电路如图3.2所示。控制电路有电源指示 HL1。无模型控制器供电回路采用隔离变压器 TC，以防止电源干扰。隔离变压器 TC 的选用根据无模型控制器耗电量配置，可以配置标准型、电压

44、比 1：1、容量 100VA 隔离变压器。1#清水泵 M1、2#清水泵 M2、曝气风机 M3 分别有运行指示灯HL2、HL3、HL4，由 KM1、KM2、KM3 接触器常开辅助触点控制。阀门电动机风机2 泵 （清水）（污水）1 泵 KM5M4 M3 M2 M1 L6L5NNFU5FU6TSRQFFR4FR3FR2FR1FU43KM4FU33KM3FU23KM2KM1FU1319 / 43图3.2 污水处理系统交流控制电路图4 台电动机 M1、M2、M3、M4 的过载保护分别由 4 个热继电器FR1、FR2、FR3、FR4 实现，将其常闭触点并联后与中间继电器 KA1 连接构成过载保护信号，KA

45、1 还起到电压转换的作用，将 220V 交流信号转换成直流 24V 信号送入无模型控制器完成过载保护控制功能。上水电磁阀 YA1 和指示灯 HL5、排空电磁阀 YA2 分别由中间继电器 KA2 和KA3 触点控制。3.主要参数计算断路器 QF 脱扣电流。断路器为供电系统电源开关，其主回路控制对象为电感性负载交流电动机，表示采用第三种接地方式注：电动机过载保护排空电磁阀上水阀指示上水电磁阀罗茨风机2 泵提示（清水）电源指示隔离变压器1:1220220+241432123-152-212-143-132-121-1151 泵提示（污水）20 / 43断路器过电流脱扣值按电动机起动电流的 1.7 倍

46、整定。SBR 污水处理系统有 3kW负载电动机一台，起动电流较大，其余三台为 1.1kW 以下，起动电流较小，而且工艺要求 4 台电动机单独起动运行，因此可根据 3kW 电动机选择自动开关 QF 脱扣电流：QFI，选用=10A 的断路器。AAAIINQF102 .1067 . 17 . 1QFI熔断器 FU 熔体额定电流。 FUI以曝气风机为例， ，选用 5A 的熔体。其余熔体额AAIINFU55 . 222定电流的选择，按上述方法选配。控制回路熔体额定电流选用 2A。3.5 SBR 污水处理系统电气工艺设计（1）先根据控制系统要求和电气设备的结构，确定电器元器件的总体布局以与电控箱装配板与控

47、制面板上应安装的电器元器件。本系统除电控箱外，在污水处理设备现场设计安装的电器元器件和动力设备有：电磁阀、水位开关、电动机、电动阀（含阀位控制器）等。电控箱电器板上安装的电器元件有：断路器、熔断器、接触器、中间继电器、热继电器和端子板等。在控制面板上设计安装的电器元件有：控制按钮、开关、各色指示灯等。（2）依据用户要求满足操作方便、美观大方、布局均匀对称等设计原则，绘制电控箱电器板元器件布置图、电器面板元器件布置图，如图 3.3、图 3.4 所示。21 / 43图 3.3 电控箱电器板元器件布置图图 3.4 电控箱电器面板元器件布置图HL1HL13HL14HL16HL4HL11HL9HL7HL

48、5HL12HL10HL8SC6HL3HL2SC1SC5SC4SC3SC2SB1SB2线槽线槽线槽线槽线槽JDO-端子板FR4FR3FR2KM5KM4KM3KM2FR1KM1IRPLCOUTTCKA3KA2KA1FU6FU5FU4FU3FU2FU1QF22 / 43第 4 章 PH 值的无模型控制系统设计4.1 PH 值的无模型自适应控制方案由于 pH 加大滞后的特性叠加在该系统上，使控制算法相互矛盾，使问题的解决更加困难，简单的采用传统的控制手段是无法解决问题的。因此，我们考虑采用新的控制方案，即：无模型自适应控制技术 MFA （Model Free Adaptive） 。根据pH值处理过程的

49、时变和非线性特性, 将基于紧格式线性化的单入单出非线性离散时间系统的无模型学习自适应控制方法应用在带有时滞的pH 值中和反应过程中。控制器的设计是无模型的, 是直接基于称为伪偏导数的向量, 此伪偏导数是通过一种新型参数估计算法, 根据酸碱中和反应系统的输入输出信息在线导出的。此无模型控制方法非常适用于实际的模型参数难以辨识, 且是时变的非线性系统。仿真控制验证了该方法对不确知动态的非线性pH 值的控制具有鲁棒性强、响应速度快和控制精度高的优点,性能好于传统的PID 控制。4.1.1 无模型自适应控制技术简述无模型学习自适应控制(MFLAC)在19931994 被提出,其基本思想是利用一个新引入

50、的伪梯度向量的概念, 用一系列的动态线性时变模型, 包括紧格式、偏格式、全格式线性化模型来替代一般非线性系统, 并仅用受控系统的I/O 数据来在线估计系统的伪梯度向量, 从而实现非线性系统的无模型学习自适应控制。目前已成功应用于炼油、化工、电力、轻工等领域10与城市快速路交通流入口匝道控制的研究。由于无模型自适应控制无需受控系统的数学模型, 在线估计参数23 / 43少、设计简单、易于实现, 所以对控制理论在实际中的应用具有重要的意义。而传统的自适应控制系统需要辨识受控系统的模型参数或者是辨识受控系统的模型结构等辨识环节。MFA 控制是自动控制领域中一种全新的理论和技术，它为解决工业过程中的复

51、杂回路控制问题提出了新颖而有效的理念和方法。MFA 控制技术是与 PID 和自整定 PID、模糊控制、神经网络、专家系统控制等流行方式是完全不同的。MFA 技术不同与传统控制技术的方面可归纳为： （1）所有过程的信息都已包含在输入输出的信号中，只是以往传统的控制方法缺乏有效提取这些信息并加以利用的手段； （2）通过无事先训练的快速强制学习等方式，使 MFA 控制器能够准确把握过程对象当前的特征，产生更合理的对策，从而获得理想的调节控制结果。 MFA 控制技术主要的应用围：采用传统控制手段难以控制的非线形、 大滞后、 强耦合和时变系统。MFA 控制技术对于 pH 加大滞后过程有其独特的技术优势：

52、（1）仅需大致估计曲线的折点和滞后时间，输入陡峭段和平稳段的 Kc， MFA 就可以进行有效地控制（2）有效控制流入速率和 PH 值的变化（3）自适应并补偿大的增益改变在一般的应用场合使用 MFA（PH）模块控制器，利用其默认值就可以得到比较稳定的投运效果。简单的 pH 模块可以抵抗的滞后过程，当时2T2T24 / 43可将 MFA 的 Time-Varying 模块设为 Enable，然后估计出最大和最小的滞后时间，填入模块参数表就可以得到满意的控制效果。4.2 无模型学习自适应控制的设计被控系统可以通过下列单入单出非线性离散时间方程来描述:（1）)(),.1(),(),(),.1(),()

53、 1(nukukukunykykykyfky , 分别表示系统k 时刻的输入与输出, 分别表示系统未知的阶)(ky)(kunynu数, 是未知的非线性函数。(.)f4.2.1 单入单出非线性系统的紧格式线性化紧格式线性化是在以下三个假设条件下完成的。假设1 系统(1) 式对某一系统有界的期望输出信号 ,存在一有界的可行) 1( ky控制输入信号, 在此控制输入信号的作用下, 系统输出等于期望输出。此假设是对受控系统的基本假设。假设2 关于系统当前的控制输入信号的偏导数是连续的, 它包括了一(.)f)(ku大类非线性系统。假设3 系统( 1) 式满足对任意的k 和有:0)(ku)(| ) 1(|

54、kubky其中 , b 是常数。此假设是对系) 1()()(),() 1() 1(kukukukykyky统输出变化量的限制。定理1 对非线性系统(1) 式, 如果满足假设条件13,那么当时, 0)(ku25 / 43一定存在一个称为是伪偏导数( Pseudo-Partial- Derivative, PPD) 的向量, 使得: (2)()() 1(kukky并且|，其中b 是一个常数。bk | )(|定理1 的证明, 其中的伪偏导数是一个时变参数,如果采样周与的值)(ku均很小时, PPD 可以看成是一个慢时变参数。且与的关系可以忽略, 因此)(ku理论上是能够设计自适应控制系统的。同时它的

55、结构非常简单, 它将一个复杂的SISO 非线性系统转化成一个带有单参数的线性时变系统。4.2.2 基于紧格式线性化的无模型学习自适应控制控制率算法为保证表示一般非线性系统的(1) 式由动态线性化(2) 式合理替代, 必须限制控制输入的变化量, 除在算法中要保证以外, 由于自适应控制)(ku0)(ku系统是在动态闭环方式下工作, 还必须在控制率算法中加入可调参数, 用以限制的变化, 使其变化不能太大。)(ku考虑如下控制输入准则函数: (3)22| ) 1()(| ) 1() 1(*|)(kukukykykuJ此准则函数中引入的目的, 是使控制输入量的变化受到限2| ) 1()(|kuku制,

56、且能克服稳态跟踪误差。其中是权重系数。将( 2)式带入( 3) 式, 对求导, 并令其等于零, 得:)(ku (4)( )() 1(*)() 1()(2kkykykkukuk26 / 43其中是步长序列。k在(4)式中的作用是限制了的变化, 保证了(2)式对(1)式的合理替)(ku代围, 因此可以间接限制伪偏导数值的变化。同时可以避免控制率算法( 4) 式中分母可能为零的情况。是一个非常重要的参数, 后面的仿真结果表明它可以改变系统的动态特性。从(4) 式可知, 此类控制率与受控系统参数数学模型结构、系统阶数无关, 仅用系统I/O 数据设计, 这正是无模型自适应控制的优势所在。4.2.3 基于

57、紧格式线性化的无模型学习自适应控制伪偏导数估计算法实践证明用传统的参数估计准则函数推导出的参数估计算法在估计参数时, 估计值常常变化太快, 或者对某些突变的采样数据过于敏感, 而对自适应控制系统设计的非线性系统参数估计算法必须满足在线控制的快速性要求。且线性化围不能太大。新的估计准则函数如下:（5）) 1()()1()() 1()()(220kkkukkykykJ其中表示系统的真实输出, 是关于参数估计变化量的惩罚因子, 通过它)(0ky的适当选取, 可以限制非线性系统进行线性替代的围。准则函数( 5) 式中由于项的引入, 惩罚了参数的变化, 且由于(5)式中仅考虑了第2)1()(kkk个采样

58、时刻, 故由准则函数推导来的参数估计算法应具有对时变参数的跟踪能力。通过极小化推导过程9, 得到如下伪偏导数估计算法: （6）) 1()1() 1()()(1() 1()(2kukukkykukkk27 / 43，若或 （7）) 1 ()(k)(k) 1(ku(7)式是为了使定理4.1 的条件得到满足,同时也为了使参数估计算法具有更强的时变参数跟踪能力。在(4) 、（6) 、(7) 式中,，,( 0, 2) ,是权kk,重因子,是充分小的正数,是的初值。) 1 ()(k由于上述控制方案比传统的自适应控制方案在线调整参数少, 计算量小, 系统伪偏导数是唯一在线调整的参数, 因此能适应系统快速性要

59、求, 且易于实现。4.3 PH 值控制中的仿真研究与性能分析pH 值是酸碱中和反应中对溶液酸碱度的定义,中和反应过程是将酸溶液、碱溶液和缓冲剂混合在一个固定体积的容器中，系统的输入是碱的流速、缓冲)(tu剂流速和酸的流速)(tF,系统的输出是排出溶液的pH 值。假设酸的流速)(t)(ty和容器的体积V是固定不变的, 通常最终目的是通过控制碱的流速来控制排)(tF出溶液的pH 值。不可测得的缓冲剂流速可以作为系统的干扰来处理。)(tpH 较低或较高时, 变化非常缓慢, 而在接近中性时, 即pH 在7 左右时, 添加的中和剂稍有变化, 就能引起pH值较大幅度的变化。又由于反应过程一般在大容器中进行

60、, 从中和剂加入到pH 值变化需要时间较长, 这一严重的非线性与时滞特性给pH 值控制带来极大的困难, 不仅难以控制准确, 而且还浪费大量中和剂。本文通过基于紧格式线性化的无模型学习自适应控(MFLAC) 方法在pH 值控制中的应用研究, 分析当系统参数变化时, 系统的输出对给定期望值的跟踪情况, 证明此控制方法在酸碱中和反应过程中应用的鲁棒性、快速性等。28 / 434.3.1 PH 值控制系统模型实际生产过程中的中和反应过程是非常复杂的, 这里考虑的被控对象选用通用化非线性动态模型如下： （8）)()()()()()(111tybtutyatFtdtVd （9）wtytyKty)()(11