一種氯氣投加過程的抗干擾控制方法和系統技術方案

本發明專利技術公開了一種氯氣投加過程的抗干擾控制方法和系統，對出廠水中余氯的含量進行控制。通過余氯分析儀得出出廠水中余氯含量，并通過PLC控制器傳遞到上位機，上位機計算得到控制量，并通過PLC控制器控制加氯機來實現氯氣投加過程。所述控制方法采用擾動觀測器構成的前饋控制器和傳統的PID構成的反饋控制器相結合的控制方法，根據擾動觀測器的輸出和PID控制器的輸出共同決定下一時刻加氯機的加氯量。本發明專利技術通過使用擾動觀測器對原水流量波動和原水水質變化等外界干擾以及模型參數不匹配等內部干擾進行有效估計，從而在大的外部干擾的環境中依然可以很好的控制住出場水中余氯量，這既能有效的抑制微生物的繁殖，又不會影響人的健康。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種水處理中氯氣投加過程的抗干擾控制方法，尤其是一種使用擾動觀測器來減少擾動影響的控制方法。
技術介紹
對于自來水消毒工藝而言，我國城鎮自來水常規工藝處理過程通常采取氯消毒方式，作用是殺滅水體中的藻類、細菌、病毒等微生物。常用的氯消毒劑有液態氯、二氧化氯、氯胺、漂白粉等，其中液氯消毒成本較低，簡便易行，對設備要求低，因此使用最為廣泛。液氯消毒時總氯在水體中可以分為兩個部分，一個是與水中的物質如氨氮等化學反應消耗掉的氯，另一個是余氯。余氯量是氯氣消毒工藝中最重要的指標，它是指在水體中投加液氯，經過一定時間相互反應以后，在水體中余留下來的游離性余氯和結合性余氯的總和。國家標準中規定：為了抑制水中殘留的微生物再度繁殖，要保證氯氣在清水池中與水接觸30分鐘以上并保證自來水出廠時有一定的余氯量。目前我國大多數自來水廠水處理過程的處理效果往往得不到有效保障。一方面由于氯氣投加過程是復雜的物理、化學、生物反應過程。加之整個化學反應過程時間較長,使得這個過程具有典型的非線性、大時滯、大慣性和時變嚴重不確定性的特點，再加上有原水水質(包括水溫、pH值、氨氮量等)變化、進水流量變化、過程工況(如一級二級泵房泵組啟停，濾池反沖洗等)等的干擾，使得出廠水的水質波動較大。有時為了提高出廠水水質，人工加大氯氣的投加量，不僅難以準確把握控制量的準確性以及及時性，而且加大了制水成本，也增大了生成三氯甲烷、溴酸鹽等有害物質的可能。因此開展氯氣投加控制的研究，解決水處理過程中的一系列關鍵技術點，設計開發一套克服大時延、大慣性、非線性時變過程的控制系統，對改善出廠水水質，具有十分重要的經濟及社會意義。
技術實現思路
專利技術目的：針對現有控制方法在面對原水流量和原水水質變化較大等外界干擾，以及內部工況變化和加氯機的非線性等使得工業控制上廣泛使用的PID控制算法不能很好適應，進而不能很好的控制出廠水的余氯量的問題，本專利技術提出一種氯氣投加過程的抗干擾控制方法和系統，使用擾動觀測器提高對擾動的抑制能力。技術方案：本專利技術提出一種氯氣投加過程的抗干擾控制方法，包括：使用余氯分析儀實時檢測出廠水的余氯量，并通過PLC控制器傳遞到上位機數據庫中；上位機運行抗干擾控制算法得出控制量，并通過PLC控制器控制加氯機來控制加氯量，最終完成氯氣投加工藝的自動化控制。所述控制算法采用擾動觀測器構成的前饋控制器和傳統的PID構成的反饋控制器相結合的控制方法，通過擾動觀測器的輸出和PID控制器的輸出共同決定下一時刻加氯機的加氯量，具體計算公式如下：X(s)=N(s)-D‾ff(s)---(1)]]>式中，X(s)為氯氣流量，N(s)為PID控制器的控制輸出，為擾動觀測器的輸出；N(s)和表示如下：N(s)=Kp(1+1Tis+Tds)(r(s)-Y(s))---(2)]]>D‾ff(s)=F(s)gn-1(s)Y(s)-F(s)e-θnsX(s)---(3)]]>式中，Kp為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數，r(s)為余氯量設定值，Y(s)為處理后水中余氯量，gn(s)為過程通道標稱模型的最小相位部分，θn為標稱模型的時延，F(s)為擾動觀測器中使用的濾波器。由于氯氣投加過程可以近似為一個二階慣性加時延過程，所述擾動觀測器中的濾波器F(s)設計為一個二階低通濾波器，同時該低通濾波器的穩態增益為1，低通濾波器F(s)表示如下：F(s)=1(λs+1)2,λ>0---(7)]]>當綜合考慮系統的抗干擾性和可實現性進行合理設置擾動觀測器的參數如λ后，集總擾動包括原水流量變化和原水水質變化等外部擾動和模型參數不匹配等內部擾動，可以漸進趨于0，即使用擾動觀測器和PID結合的控制方法可以很好的抑制外部和內部擾動。擾動觀測器和傳統的PID控制器相結合的控制算法通過上位機IFIX組態軟件的后臺編程實現，計算出的控制量通過PLC控制器來控制加氯機。一種氯氣投加過程的抗干擾控制方法的系統，包括余氯分析儀、加氯機、PLC控制器和上位機，PLC控制器分別與余氯分析儀、加氯機以及上位機連接；其中余氯分析儀用于采樣得出出廠水中的余氯含量，并通過PLC控制器傳遞到上位機數據庫中；上位機用于計算得到控制量，并通過PLC控制器控制加氯機實現氯氣的投加過程；所述上位機通過IFIX組態軟件的后臺編程實現加氯機加氯量的計算，具體計算方法見公式(1)(2)(3)。有益效果：1、本專利技術提供的控制方法采用擾動觀測器構成的前饋控制器和傳統的PID構成的反饋控制器相結合的方法，使用擾動觀測器對為原水流量變化和原水水質變化等外界干擾以及模型參數不匹配等內部干擾進行有效估計，從而在大的外部干擾的環境中可以很好的控制住余氯含量，保證出廠水的余氯量保持在合理的范圍，既能有效的抑制微生物的繁殖，又不會影響人的健康。2、本專利技術提供的抗干擾控制方法通過常用的上位機組態軟件IFIX軟件實現，可以很方便的使用后臺編程語言編程實現PID控制算法和擾動觀測器，使得PLC中的編程更為簡單，同時在不需要去檢測原水流量和原水水質的情況下使用軟件方法實現對擾動進行軟測量就可以有效抑制外部擾動和內部模型不匹配擾動，提高了控制系統的抗干擾能力。附圖說明圖1為本專利技術實施例的氯氣投加抗干擾控制系統框圖。圖2為本專利技術實施例的擾動觀測器的設計框圖。圖3為本專利技術實施例的擾動觀測器和PID相結合的控制方法框圖。具體實施方式下面結合附圖，對本專利技術方法進行詳細的闡述。本專利技術提出一種自來水處理中氯氣投加過程的抗干擾控制方法，使用余氯分析儀實時檢測出廠水的余氯量，并通過PLC控制器傳遞到上位機數據庫中，上位機運行抗干擾控制方法得出控制量，并通過PLC控制器控制加氯機來控制加氯量，最終完成氯氣投加工藝的自動化控制。所述控制方法將擾動觀測器構成的前饋控制器和傳統的PID構成的反饋控制器相結合，通過擾動觀測器的輸出和PID控制器的輸出共同決定下一時刻加氯機的加氯量，具體計算公式如下：X(s)=N(s)-D‾ff(s)---(1)]]>式中，X(s)為氯氣流量，N(s)為PID控制器的控制輸出，為擾動觀測器的輸出；N(s)和表示如下：N(s)=Kp(1+1Tis+Tds)(r(s)-Y(s))---(2)]]>D‾ff(s)=F(s)gn-1(s)Y(s)-F(s)e-θnsX(s)---(3)]]>式中，Kp為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數，r(s)為余氯量設定值，Y(s)為處理后水中余氯量，gn(s)為過程通道標稱模型的最小相位部分，θn為標稱模型的時延，F(s)為擾動觀測器中使用的濾波器；此處可以在過程通道輸入端加入階躍，然后對輸出端的階躍響應曲線進行擬合得出過程通道標稱模型的最小相位部分和時延部分。此處使用的氯氣投加為二階慣性加時延模型。Y(s)表示如下：Y(s)＝Gco(s)N(s)+Gdo(s)Dex(s)(4)式中，Gco(s)為控制通道的傳遞函數，Gdo(s)為擾動通道的傳遞函數，Dex(s)為原水流量變化和原水水質變化等外界擾動量；Gco(s)和Gdo(s)表示如下：Gco(s)=g(s)本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種氯氣投加過程的抗干擾控制方法，用于對出廠水中余氯含量進行控制，包括：通過余氯分析儀得出出廠水中的余氯含量，并通過PLC控制器傳遞到上位機數據庫中；上位機運行抗干擾控制算法計算得到控制量，并通過PLC控制器控制加氯機來實現氯氣投加過程的自動化控制；其特征在于：所述控制算法采用擾動觀測器構成的前饋控制器和傳統的PID構成的反饋控制器相結合的控制方法，根據擾動觀測器的輸出和PID控制器的輸出共同決定下一時刻加氯機的加氯量，具體計算公式如下：X(s)=N(s)-D‾ff(s)---(1)]]>式中，X(s)為氯氣流量，N(s)為PID控制器的控制輸出，為擾動觀測器的輸出；N(s)和表示如下：N(s)=Kp(1+1Tis+Tds)(r(s)-Y(s))---(2)]]>D‾ff(s)=F(s)gn-1(s)Y(s)-F(s)e-θnsX(s)---(3)]]>式中，Kp為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數，r(s)為余氯量設定值，Y(s)為出廠水中當前余氯量，gn(s)為過程通道標稱模型的最小相位部分，θn為標稱模型的時延，F(s)為擾動觀測器中使用的濾波器。...

【技術特征摘要】
1.一種氯氣投加過程的抗干擾控制方法，用于對出廠水中余氯含量進行控制，包括：通過余氯分析儀得出出廠水中的余氯含量，并通過PLC控制器傳遞到上位機數據庫中；上位機運行抗干擾控制算法計算得到控制量，并通過PLC控制器控制加氯機來實現氯氣投加過程的自動化控制；其特征在于：所述控制算法采用擾動觀測器構成的前饋控制器和傳統的PID構成的反饋控制器相結合的控制方法，根據擾動觀測器的輸出和PID控制器的輸出共同決定下一時刻加氯機的加氯量，具體計算公式如下：X(s)=N(s)-D‾ff(s)---(1)]]>式中，X(s)為氯氣流量，N(s)為PID控制器的控制輸出，為擾動觀測器的輸出；N(s)和表示如下：N(s)=Kp(1+1Tis+Tds)(r(s)-Y(s))---(2)]]>D‾ff(s)=F(s)gn-1(s)Y(s)-F(s)e-θnsX(s)---(3)]]>式中，Kp為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數，r(s)為余氯量設定值，Y(s)為出廠水中當前余氯量，gn(s)為過程通道標稱模型的最小相位部分，θn為標稱模型的時延，F(s)為擾動觀測器中使用的濾波器。2.根據權利要求1所述的氯氣投加過程的抗干擾控制方法，其特征在于：所述擾動觀測器中的濾波器F(s)設計為一個二階低通濾波器，同時該低通濾波器的穩態增益為1，表示如下：F(s)=1(&lamb...

【專利技術屬性】
技術研發人員：牛丹，崔佳威，張煒森，王曉俊，周杏鵬，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32