預(yù)測控制在水廠加藥系統(tǒng)中的應(yīng)用

       自來水在當今經(jīng)濟和生活中起著的重要作用,是經(jīng)濟的命脈,是保障人民生活和發(fā)展生產(chǎn)建設(shè)不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)。但是,由于水源遭受的污染日益嚴重,給水廠常規(guī)工藝處理和控制帶來一定的困難,水質(zhì)情況不容樂觀。歐共體、美國等國和世界衛(wèi)生組織規(guī)定的檢測項目比我們的多,水質(zhì)指標比我們嚴,而且他們實際執(zhí)行的是比指標規(guī)定更嚴格的指導(dǎo)值或推薦值,所以,我國供水水質(zhì)與國外的相比存在一定的差距,還不能很好地適應(yīng)發(fā)展的需要。隨著工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高,對水質(zhì)的要求也越來越高。年,國家新頒布的《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》規(guī)定,出廠水濁度指標小于原來指標為。為適應(yīng)新要求新形勢,必須采取相應(yīng)有效的措施。《城市供水行業(yè)年技術(shù)進步發(fā)展規(guī)劃》指出,根據(jù)供水企業(yè)的特點為實現(xiàn)水質(zhì)目標,使凈水過程都處于受控狀態(tài),提出凈水過程全面質(zhì)量控制,在保證安全供水,供出優(yōu)質(zhì)水的前提下,合理地降低藥耗和電耗,提高控制和管理水平。由于水的濁度高低在一定程度上反映了水質(zhì)的好壞,結(jié)合當前我國實際情況,要合理降低水的濁度,如果要求普遍采取深度水處理是不現(xiàn)實的,應(yīng)該通過技術(shù)改造和完善管理措施,充分利用現(xiàn)有資源,在常規(guī)處理和控制技術(shù)上多想點辦法。有資料表明水的濁度與有機物關(guān)系十分密切,將水中濁度降低到,則有機物可減少,如果加強常規(guī)處理,降低出水濁度,并且結(jié)合合理地加氯,不僅可以有效地將出廠水中揮發(fā)性有機物降低,對半揮發(fā)性有機物也能降低,衛(wèi)生毒理學(xué)方面試驗致突變活性下降,致溫血動物細胞染色體畸變活性下降。由此看出,采取合理有效的措施,降低出水濁度,既有利于減小水中有機物的含量,降低有機物對人體的危害,又有利于滿足一些用戶如醫(yī)療,精密加工制造等行業(yè)對特殊水質(zhì)的要求。近年來,隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,給水工程中的許多工藝都實現(xiàn)了智能控制。江西洪城水業(yè)集團朝陽水廠的投藥系統(tǒng)經(jīng)過改造實現(xiàn)了自動化。其自動投藥系統(tǒng)由投藥量計算和投藥量執(zhí)行兩部分組成,投藥量計算部分又分為兩個子系統(tǒng)前饋專家控制和反饋比例控制。其中反饋比例控制器能根據(jù)濾前水濁度對投藥量作微調(diào)調(diào)節(jié)幅度限制在最大加藥量的,濾前水濁度采樣值送至投藥量計算部分,與濁度設(shè)定值比較得出濁度偏差量,從而通過反饋比例控制調(diào)整前饋控制器得出的加藥量,獲得最佳投藥量。但是單純采用反饋比例調(diào)節(jié)作為微調(diào),其反饋性能不是很好。雖然系統(tǒng)采用濾前水濁度作為控制目標,在一定程度上把控制目標提前,但實際上仍然存在較大的滯后約多分鐘。因此,為了減小系統(tǒng)的大滯后性帶來的不利影響,現(xiàn)將預(yù)測控制應(yīng)用到自動投藥系統(tǒng)中。

      預(yù)測控制概論

      20世紀年代后期,在美、法等國的工業(yè)過程領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)了一類新型的計算機控制算法,如動態(tài)矩陣控制、模型算法控制。這類算法以對象的階躍或脈沖響應(yīng)為模型,采用滾動推移的方式在線地對過程實現(xiàn)優(yōu)化控制,在復(fù)雜的工業(yè)過程中顯現(xiàn)出良好的控制性能。年,形等首次詳細闡述了這類算法產(chǎn)生的動因、機理及其在工業(yè)過程中的應(yīng)用效果。從此,預(yù)測控制作為這類新型控制算法的統(tǒng)一名稱,便開始出現(xiàn)在控制領(lǐng)域中。

      預(yù)測控制的產(chǎn)生,并不是理論發(fā)展的需要,而首先是工業(yè)實踐向控制提出的挑戰(zhàn)。眾所周知,世紀年代初形成的現(xiàn)代控制理論,在航天、航空等領(lǐng)域都取得了輝煌的成果。利用狀態(tài)分析法分析和設(shè)計系統(tǒng),提高了人們對被控對象的洞察能力,提供了在更高層次上設(shè)計控制系統(tǒng)的手段。特別是,立足于最優(yōu)性能指標的設(shè)計理論和方法已經(jīng)趨于成熟,這對于在工業(yè)過程中追求更高控制質(zhì)量和經(jīng)濟效益的控制工程師來說,無疑具有極大的吸引力。然而,人們不久就發(fā)現(xiàn),在完美的控制理論與實踐之間還有巨大的鴻溝。這主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
      （1）現(xiàn)代控制理論的基點是對象精確的數(shù)學(xué)模型,而在工業(yè)過程中所涉及的對象往往是多輸入、多輸出的高維復(fù)雜系統(tǒng),其數(shù)學(xué)模型很難確立,即使建立了模型,從工程實用的角度來說,往往需要簡化,從而很難保證得到對象精確的模型。

      （2）工業(yè)對象的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、環(huán)境都具有很大的不確定性。由于這些不確定性的存在,按照理想模型得到的最優(yōu)控制在實際上往往不能保證最優(yōu),有時甚至?xí)鹂刂破焚|(zhì)的嚴重下降。在工業(yè)環(huán)境中,人們更關(guān)注的是控制系統(tǒng)在不確定性影響下保持良好性能的能力,即所謂魯棒性,而不能只追求理想的緩優(yōu)性。
      （3）工業(yè)控制中必須考慮控制手段的經(jīng)濟性,對工業(yè)控制計算機的要求不能太高。因此,控制算法必須簡易以滿足實時性的要求。而現(xiàn)代控制理論的許多算法往往過于復(fù)雜,難以用低性能的計算機實現(xiàn)。

      這些來自實際的原因,阻礙了現(xiàn)代控制理論在復(fù)雜工業(yè)過程中的有效應(yīng)用,也向控制理論提出了新的挑戰(zhàn)。為了克服理論與應(yīng)用之間的不協(xié)調(diào),從世紀年代以來,除了加強對系統(tǒng)辨識、模型簡化、自適應(yīng)控制、魯棒控制等的研究外,人們開始打破傳統(tǒng)方法的約束,試圖面對工業(yè)過程的特點,尋找各種對模型要求低、控制綜合質(zhì)量好、在線計算方便的優(yōu)化控制新算法。在此期間,數(shù)字計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,也為新算法的產(chǎn)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。預(yù)測控制就是在這種背景下發(fā)展起來的一類新型計算機優(yōu)化控制算法。最早產(chǎn)生于工業(yè)過程的預(yù)測控制算法,有形、等提出的建立在脈沖響應(yīng)基礎(chǔ)上的模型預(yù)測啟發(fā)控制。,簡稱,或稱,提出的建立在階躍響應(yīng)基礎(chǔ)上的控制。由于這類響應(yīng)易于從工業(yè)現(xiàn)場直接獲得,并不要求對模型的結(jié)構(gòu)有先驗知識,所以不必通過復(fù)雜的辨識過程便可設(shè)計控制系統(tǒng)。這些預(yù)測算法汲取了現(xiàn)代理論控制的優(yōu)化思想,但用不斷的在線有限優(yōu)化,即所謂滾動優(yōu)化,取代了傳統(tǒng)的最優(yōu)控制。由于在優(yōu)化過程中利用實測信息不斷進行反饋校正,所以在一定程度上克服了不確定性的影響,增強了控制的魯棒性。此外,這些算法的在線計算比較容易。這些特點使它們很適合于工業(yè)控制的實際要求。世紀年代后期,模型算法控制和動態(tài)矩陣控制分別在鍋爐和分餾塔的控制以及石油加工的生產(chǎn)裝置上獲得了成功的應(yīng)用,從而引起了工業(yè)控制界的廣泛興趣。此后,基于對象脈沖或階躍響應(yīng)的
各種預(yù)測控制算法相繼出現(xiàn),有些算法已形成了商品化軟件包,在石油、化工、電力等領(lǐng)域的過程控制中取得了明顯的經(jīng)濟效益。