【《压载水处理设备协同控制策略及仿真分析案例》3800字】

压载水处理设备协同控制策略及仿真研究案例目录TOC\o"1-3"\h\u22996压载水处理设备协同控制策略及仿真研究案例 121941压载水处理设备协同控制策略 3167391.2压载水处理设备协同控制方案介绍 4145922压载水处理设备协同控制策略仿真实验 61压载水处理设备协同控制策略1.1Seascape-BWMS压载水处理系统控制方案分析

该压载水处理系统通过过滤单元少压载水中的较大生物及杂质，降低超声波处理装置负担，同时降低被处理压载水浊度来提升紫外透射率。当过滤单元率网上杂质较多堵塞滤网从而使得该单元工作效率降低时，由于滤网阻塞导致过滤单元两端管道壁压力产生差值，并且随滤网的阻塞程度压差逐渐增大。当压差增大到一定值时，表明滤网堵塞已经极大的影响了过滤单元的处理效率，因此控制打开反冲洗装置对滤网进行冲洗，设定反冲洗装置开启时间为15min，完成反冲洗工作后关闭反冲洗装置，过滤单元在反冲洗装置打开时仍然可以正常工作。如图4-1为该系统反冲洗装置控制方案。图4-1反冲洗装置控制方案该系统过滤单元设计的创新点是通过反冲洗装置的安装改变了停机清洗或更换滤网的处理方式，可以实现压载水处理过程中过滤单元的持续工作，增大了压载水设备处理的效率。但是该反冲洗装置的控制方案较简单，每次开机时间固定，这就导致反冲洗装置开机前过滤单元处理效率一直降低，无法实现反冲洗单元不停机实时开机清洗滤网，严重影响过滤单元工作效率，这也是后续需要改进的部分。1.2压载水处理设备协同控制方案介绍在原有的控制基础上，改进控制方案。该控制方案通过传感器同时检测进入压载水处理设备的流量、过滤单元两端管壁压力的差值以及紫外线处理装置中单元内壁接受到的紫外线强度来共同控制反冲洗装置开启的功率、紫外线单元紫外灯管功率和超声波清洗装置的功率，从而根据不同的处理要求及压载水处理的实际情况改变反冲洗装置、紫外线处理单元的实时功率，使该压载水处理设备始终保持较高的处理效率，提升该设备处理能力。该控制方案如图4-2所示，水泵从海底门抽取压载水进入过滤单元处理，反冲洗装置全程开机运转，通过压力传感器实时监测过滤单元两端压差，并且实时控制反冲洗装置清洗过滤，流量传感器监测流量的变化也会影响反冲洗装置的冲洗功率，当压载水流速较大时增大反冲洗装置功率来提高冲洗能力；通过进入压载水处理设备的压载水流量和过滤单元两端管道压力差来共同控制反冲洗装置功率，采用pid控制器来达到更好的控制效果。由进入压载水处理设备的压载水流量和紫外处理单元中光强传感器共同作为输入值控制紫外线灯管功率，采用pid控制器控制。超声波发生装置功率由光强直接控制。当反冲洗装置达到最大功率运转时，如果压差持续增大或流量持续增大，反冲洗装置可以给水泵一个反馈信号，使水泵功率降低从而降低流量，减轻该设备的处理压力，达到更好的处理效果。1：过滤单元前端管道处压力传感器2：过滤单元后端管道处压力传感器3：EPT单元紫外线强度传感器4：超声波装置图4-2改进后的控制方案图1.3该协同控制方案创新点①原控制方案反冲洗装置中，由压载水处理设备中过滤单元两端管壁压力差单独控制反冲洗装置开闭，当压力差达到一定阈值时开启反冲洗装置进行15min的清洗。原控制方案的缺点是反冲洗装置只受过滤单元两端管壁压力差改变影响，且在该值达到一定值时才控制反冲洗装置打开，不能对水流流速进行反应；其次，滤网不能被实时清洁，当滤网部分阻塞但是未达到清洗压差时，过滤单元的工作效率将会降低。因此新的控制方式采用pid控制器，由进入压载水处理设备的流量和过滤单元两端管壁压力差作为影响因素实时控制反冲洗装置功率，当开启压载水处理装置时就可以打开反冲洗装置实时清洗，并且清洗功率根据进入压载水处理设备的流量以及过滤单元两端管壁压力差实时变化，达到更高的清洗效率；同时加入反馈回路，当功率过高时反馈给水泵降低流速，以降低该压载水处理设备的处理压力，达到最高效、安全的处理状态。②原控制方案中紫外线灯管、超声波装置处于常开状态，无法实时确定紫外线处理单元中压载水的浑浊度和透光度，不能根据实际情况做出反应，只能根据固定功率进行处理。该控制方案中，位于紫外处理单元内部的光强传感器实时测量值可以影响紫外线单元中紫外线灯管和超声波发生装置的实时功率，当紫外线强度较弱时，说明该单元内部压载水处理难度较高（浑浊度较高或微生物较多），控制器控制紫外处理单元内紫外线灯管以及超声波处理装置功率增大，从而达到更好的控制效果；紫外线灯还受进入该处理设备的压载水流量影响，流量的变化也会控制紫外线灯管功率变化，在时间上，流量变化先发生，之后经过过滤单元处理到达紫外线处理单元，因此该协同控制方案有一定的前馈控制效果。③考虑到实际中流速和压力差等因素对反冲洗装置的功率有不同程度的影响，因此可以通过权重参数来调整不同因素的影响程度达到更好的控制效果。2压载水处理设备协同控制策略仿真实验2.1该控制方案simulink建模如下图4-3，为该控制方案控制框图。分别通过流量传感器、压力传感器和光敏电阻来测量反冲洗装置、紫外线灯管和超声波发生装置的功率。反冲洗装置达到最大运转功率时还可以控制水泵减小抽水功率。图4-3压载水设备协同控制框图进行该控制器的仿真实验。首先利用simulink进行控制器建模，得到如下控制器模型（如图4-4所示）。将输入量、输出量连接至示波器，通过改变输入来观察输出情况，主要验证该控制器的稳定性、快速性以及能否实现相应的控制作用。图4-4simulink控制器建模图建立该控制器模型时，考虑将被控对象进行近似建模，反冲洗装置主要通过电机驱动进行冲洗工作，将该被控对象近似为二阶模型，设定其二阶等效模型为（4.1）所示；紫外线灯管近似为电阻，传递函数用固定增益代替,设定传递函数为（4.2）；超声波发生装置近似为一阶模型，传递函数近似为（4.3）.（4.1）（4.2）（4.3）2.1反冲洗装置的功率控制模型的建立该部分由两个输入量共同控制反冲洗装置功率，第一个输入量为进入该压载水处理设备的压载水流量，即通过流量传感器测量；其次，通过过滤单元两端的压力传感器得到两个压力值，两个压力值相减的差值作为第二个输入量；两个输入量求和后（后续可以通过增益环节来确定不同控制因素之间的权重）通过一个PID控制器来控制电机，进而控制反冲洗装置的功率。总系统为闭环控制，调节反冲洗装置的功率偏差，使其最终趋于稳定。其中PID控制器为（4.4）所示，反冲洗装置电机二阶等效模型为（4.1）。根据上述参数和等效模型搭建反冲洗装置功率控制的闭环模型，如图4-5所示。（4.4）图4-5反冲洗装置控制建模当输入为阶跃信号时，设定流量输入如图4-6所示；设定压力值1输入如图4-7所示，压力值2设定为常值。输入、输出波形图4-8如图所示：图4-6流量输入设定图4-7压力值1输入设定图4-8阶跃信号仿真结果图4-8中，黄色波形为流量输入波形图，红色波形为压力差值的输入波形图，蓝色波形为输出波形图。从图中可以看出，输出波形为要分为三个阶段，每个阶段的反冲洗装置输出功率的大小分别和两个输入量有关，且最终趋于一个稳定值，可以看出该系统在每个阶段都具有稳定性。而在每个阶段变化时，反冲洗装置功率能较快速的跟踪其变化，可以验证该系统的快速性能良好。修正控制器参数，将pid控制器传递函数改进为（4.5），则控制效果更好，输入输出波形图如图4-9所示。（4.5）图4-9pid控制器参数修正图当输入量随时间进行无规律变化时，测试控制器的控制性能。改变流量控制输入为图4-10所示，此时仿真结果波形图如图4-10所示。可以观察到，当进入压载水处理设备的流量实时变化时，控制器控制反冲洗装置的输出功率响应输入的变化，并且跟随性比较好，控制效果较好。图4-10控制器效果图2.2紫外线灯管的功率控制模型的建立该控制模型的输入量为进入压载水处理设备的压载水流量和紫外线处理单元光敏电阻的阻值，输出量为紫外线灯管的功率。该环节被控对象传递函数近似为常数，调节pid控制器参数，根据该部分控制等效模型（如图4-11所示），进行控制器仿真。对该pid控制器进行参数调整，获得更好的效果。可以得到此时pid控制器传递函数为（4.6）。（4.6）图4-11紫外线灯控制模型仿真图首先，使输入信号压载水流量和光强传感器测量的光强分别为阶跃信号，可以得到该控制器输入、输出波形如图4-12所示。蓝色波形为输出的紫外线灯管功率波形；黄色波形为流量输入波形，模拟流量实时变化；红色波形为光敏电阻阻值波形，模拟电阻值阶跃变化。可以看到，该控制器稳定性好，可以根据输入的变化快速做出响应，当进入压载水处理设备的流量或光敏电阻测量值变化时，输出紫外线灯管功率可以较好的跟随变化，初步达到控制效果。图4-12紫外线灯管控制仿真波形图当输入随时间变化时，探究控制器的控制效果，可得到输出图4-13。由图可知，应增大积分积分时间常数，提高系统的无静差跟踪能力。由仿真结果可以得知，该控制器可以较好的完成控制要求。图4-13输入变化时输入输出波形图2.3超声波发生装置控制模型的建立该部分由光强传感器直接控制超声波发生装置功率，通过pid控制器来控制输出量。将被控对象（超声波发生装置）近似为一阶模型（4.7），pid控制器传递函数（4.8），建立控制模型