混凝投药预测函数控制研究

论文摘要

混凝投药过程是水处理工艺中重要环节之一,它不仅影响最后的出水品质,而且对后续工艺处理效果也产生重要影响,因此对混凝投药过程中混凝剂的准确投加控制的研究是很有必要的。由于混凝投药过程的复杂特性,常规的投药控制方法难以适应水质的剧烈变化,鲁棒性较差。预测函数控制基于预测模型,对控制进行滚动优化,具有对模型要求低、在线计算量小、跟踪性和鲁棒性良好等特性,在复杂工业生产过程中得到广泛应用及取得良好效果,预测函数控制适合用于混凝投药过程控制。针对混凝投药过程具有大滞后、强非线性、难以精确建模及带有可测扰动等特点,本文提出了一种基于非线性回归模型带可测扰动前馈补偿的预测函数控制方法。考虑传统预测函数控制中的过程预测轨迹与参考轨迹在预测时域内只有有限个拟合点,提出一种通过对基函数进行加权的预测函数控制新方法,提高过程预测轨迹与参考轨迹逼近程度及控制量的准确性。论文的主要工作包括以下几个方面:1.针对传统预测函数控制未考虑整个预测时域内的整体优化目标问题,论文给出了基于阶跃基加权且权系数滚动优化的阶跃基权系数时变的预测函数控制方法。根据参考轨迹的特点,基函数选用阶跃基且加权系数随着预测时步的增加而减小,且每次控制量计算先进行基函数的权系数修正,保证过程预测轨迹与参考轨迹的尽可能全局拟合。数值仿真验证阶跃基权系数时变的预测函数控制方法的有效性。2.关于水处理混凝投药过程具有非线性带可测扰动的特点及传统预测函数控制对强非线性过程抗模型失配能力严重不足的特点,论文给出了基于非线性回归预测模型带可测扰动前馈补偿的预测函数控制方法。回归模型的非线性变量用泰勒展开公式表达,模型结构简单、计算量小、辨识方便。此外可测扰动前馈补偿提高了过程预测值的准确性,加强控制的抗模型失配能力。数值仿真验证非线性回归预测模型带可测扰动前馈补偿预测函数控制方法的有效性。3.由于水处理混凝投药过程的特点及上述的基于非线性回归预测模型带可测扰动前馈补偿阶的跃基权系数时变预测函数控制算法的特性,给出了基于此预测函数控制方法的混凝过程絮凝剂最佳投加控制器设计。同时由于混凝投药变频调节存在二次干扰,论文中给出了此预测函数控制与PID控制相结合的双环控制模式。所设计的控制器保证混凝投加控制适应水质剧烈变化,且跟踪性能良好,水厂运行结果验证了混凝投药预测函数控制方法的有效性。4.论文利用VB设计的混凝投药监控系统,实现了数据的采集、显示与保存,实时曲线绘制、历史曲线回顾,报警以及投药控制等功能,通过DDE与投药控制装置连接,实现投药控制。水厂运行结果表明,系统能满足监控要求。最后对全文作了总结,并对课题研究作了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 混凝投药控制研究现状
• 1.3 过程模型辨识研究现状
• 1.4 预测函数控制研究现状
• 1.5 本文的工作内容
• 第二章 净水工艺及混凝投药控制分析
• 2.1 引言
• 2.2 净水工艺流程
• 2.3 混凝沉淀过程
• 2.4 投药控制方案
• 2.5 本章小结
• 第三章 混凝投药过程模型辨识
• 3.1 引言
• 3.2 回归模型辨识
• 3.2.1 线性回归模型
• 3.2.2 非线性回归模型
• 3.3 混凝投药预测模型
• 3.3.1 控制作用预测模型
• 3.3.2 可测扰动预测模型
• 3.4 辨识数据预处理
• 3.4.1 数据滤波原理
• 3.4.2 归一化数据
• 3.5 过程模型辨识及检验
• 3.5.1 过程模型辨识
• 3.5.2 模型仿真检验
• 3.6 本章小结
• 第四章 混凝投药预测函数控制
• 4.1 引言
• 4.2 传统预测函数控制
• 4.3 可变基预测函数控制
• 4.3.1 可变基PFC 原理
• 4.3.2 可变基PFC 算例仿真
• 4.4 回归模型预测函数控制
• 4.4.1 回归模型PFC 原理
• 4.4.2 回归模型PFC 算例仿真
• 4.5 投药预测函数控制原理
• 4.6 本章小结
• 第五章 混凝投药软件设计及实现
• 5.1 引言
• 5.2 系统软件功能
• 5.3 系统软件设计
• 5.3.1 用户操作登录
• 5.3.2 投药过程控制
• 5.3.3 过程数据监测
• 5.3.4 变量历史曲线
• 5.3.5 过程模型辨识
• 5.4 上下位机通信
• 5.5 数据库模块
• 5.5.1 数据库类型及特征
• 5.5.2 数据库设计方案
• 5.5.3 VB 对Access 操作
• 5.6 本章小结
• 第六章 投药预测函数控制的应用
• 6.1 引言
• 6.2 水厂自动控制系统
• 6.3 控制应用试验
• 6.4 控制结果分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果