污水处理湿式氧化实验系统的设计 3页

974化工自动化及仪表第43卷污水处理湿式氧化实验系统的设计关士远(沈阳化工研究院设计工程有限公司,沈阳110021)摘要针对实验室小试系统对于污水处理成本和效果的要求,提出了基于GPC-PID串级控制算法的工控机加温控器的污水处理系统。GPC-PID串级控制算法的计算与数据处理能力强,系统调整容易,是解决实验室污水监控问题的合理方案。针对污水处理过程中污水成分不确定、污水量不确定的现象,GPC-PID控制效果比单纯的PID控制要好,且成本大幅降低。关键词污水处理系统湿式氧化法GPC-PID串级控制组态王中图分类号TH862文献标识码A文章编号1000-3932(2016)09-0974-03目前,工业污水处理普遍采用的是基于PLC现控制方案对工业污水的动态跟踪处理。的DCS系统控制方案,但对于小系统来说这种控广义预测控制(GPC)算法是一种鲁棒性强、制方案成本较高,如小规模污水处理厂、实验室的能够有效克服系统滞后的先进控制算法,适用于[1,2]小试或中试系统,尤其对于实验室小试或中试系系统参数不确定的过程控制,因此工业污水统,DCS系统造价占总成本的比例较高,并且DCS处理可采用GPC-PID串级控制方案,即外环GPC系统一般采用PID控制,对于要求较高的污水处控制、内环PID控制,其中外环控制周期要大于内理指标该方案常不能满足要求。环,外环控制周期一般为5min,内环一般为1min。湿式氧化法是一种使污水中悬浮或溶解的有然而,这种带有先进控制算法软件包的DCS系统机物在液相水存在的条件下进行高温、高压氧化成本仍旧较高。为此,笔者给出一个利用工控机反应的污水处理方法,该方法可用于高浓度工业和温控器的解决方案,即温度控制采用SR93温污水的处理。但是由于工业污水的组成随着生产度控制器,在工控机上安装自行开发的GPC算法车间的不同而不同,温度、压力等反应条件也不控制程序,以降低系统成本,提高污水处理质量。同,这样就需要根据具体工厂或车间的情况来确1系统总体控制策略①定工艺参数。同时,反应条件的改变将导致动态1.1工艺流程系统模型改变,进而控制器也会随之改变,无法实工业污水处理工艺流程简图如图1所示。图1工艺流程简图可以看出,经过反应器处理后的污水会再次温度点TE201~TE216回到换热器2和换热器1中,这主要是为了充分压力点PT204~PT211利用反应热,实现节能降耗的目的。主反应器和1.2控制策略预热器用固态继电器控制其加热温度。主要的工在进行污水处理之前,实验人员首先需要对艺监控点布置如下:①收稿日期:2016-03-07(修改稿)\n第9期关士远.污水处理湿式氧化实验系统的设计975污水样品进行分析化验,确定污水组分,进而确定由于污水成分和污水量都是时变的,导致污反应温度。污水处理过程中反应器共分3部分进水处理过程系统参数是时变的,且具有时滞性,为行加热,但是根据具体的反应情况,这些反应加热了保证系统控制精度和污水处理效果,笔者采用段未必都使用,设定的反应温度越高加热段数就GPC-PID串级控制方案,系统结构框图如图2所越多。示。图2控制系统结构框图2系统硬件-1样周期,即3min,则d=3;C(z)=1。污水处理系统的上位机为研华IPC610工控已知n、n和d,则GPC算法步骤如下:ab机,内装组态王软件和数据分析软件,具有两个模a.设置初值θ^(0)、P(0),输入初始数据,设拟量输入模块ADAM-4117,3个Pt100输入模块置控制参数N、N、N、N、控制加权矩阵Γ、输出12uADAM4015,一个RS232转RS485ADAM4520模柔化系数α及遗忘因子λ等;其中θ^(0)=0为估块,一个SR93表(热电阻输入,固态继电器输出,计参数列向量的初值,P(0)=106I,N=3,N=N12带RS485通信口)。各模块之间采用屏蔽双绞线=4,N=4,控制加权矩阵Γ取4阶单位矩阵,输u连接,SR93的输入是GPC的输出,利用固态继电出柔化系数α=0.7,遗忘因子λ=1。器的通断来控制电加热棒。b.采样当前实际输出y(k)和参考输出3主反应控制算法y(k+j),y(k)和y(k+j)的表达式为rr3.1控制算法y(k)=y(k)rr由于反应过程中的污水处理组分含量不稳{,y(k+j)=αy(k+j-1)+(1-α)ω,j=1,2,…,Nrr定,处理水量也不同,并且控制系统具有时滞性,其中ω为温度设定值,具体根据工艺条件给定。因此为了适应这种模型参数的不确定性,加热过c.利用遗忘因子递推最小二乘法θ^(k)=程通常采用GPC。GPC算法不但能利用当前和θ^(k-1)+K(k)[Δy(k)-φT(k)θ^(k-1)]、过去时刻的系统输出,而且能利用将来时刻的预P(k-1)φ(k)1K(k)=、P(k)=[I-测输出来进行控制,对于系统时滞具有较好的抑Tλλ+φ(k)P(k-1)φ(k)制作用,控制精度和系统抗干扰性都有较好的提TK(k)φ(k)]P(k-1),在线实时估计被控对象参高。该算法首先辨识出系统模型,再根据变化的^^^数θ、A、B。数学参数设计控制器,由于模型实时变化,控制器-1-1d.求解Diophanine方程,C(z)=■A(z)·也根据这个变化实时做出相应改变。-1-j-1-1-1-1E(z)+zG(z)、F(z)=B(z)E(z)、系统模型采用受控自回归积分滑动平均jjjj-1-1-nej-1E(z)=1+ez+…+ez、G(z)=g+(CARIMA)模型,其表达式为:jj,1j,njjj,0A(z-1)y(k)=z-dB(z-1)u(k)+C(z-1)ζ(k)gz-1+…+gz-ngj、F(z-1)=f+fz-1+…+j,1j,ngjjj,0j,1A(z-1)=1+az-1+az-2+…+az-na-nfjì12nafj,nfjz、degEj=j-1,degGj=n■a-1=na,degFj=-1-1-2-nbíB(z)=b0+b1z+b2z+…+bnbz,b0≠0nb+j-1,解出多项式Ej、Gj和Fj。îC(z-1)=1+cz-1+cz-2+…+cz-nce.构造未来的参考轨迹输出向量Y=12ncrT其中,系数ai(1≤i≤na)、bi(0≤i≤nb)、[yr(k+N1),yr(k+N1+1),…,yr(k+N)]、过c(1≤i≤n)为过程需要辨识的参数。由于加热去的控制向量ΔU(k-j)=[Δu(k-1),Δu(k-ic-12),…,Δu(k-n)]T、Y(k)=[y(k),y(k-1),过程不是很复杂,因此取na=2,即A(z)=1+b-1-2Ta1z+a2z;除b3、b4外,其余涉及b的系数都为…,y(k-na)]以及矩阵F1、F2和G。-1-3-4T-1零,即B(z)=b3z+b4z;系统时滞为3个采f.利用Δu(k)=[1,0,…,0](F1F1+Γ)·\n976化工自动化及仪表第43卷TF[Y-FΔU(k-j)-GY(k)]和u(k)=u(k-1)数里实现控制算法,需要注意的是,定时器周期一1r2+Δu(k),计算u(k)。般设为5min,且要比模拟量的采样周期大。由于g.返回步骤b,k→k+1,继续循环算法。组态王已经集成了SR93驱动,因此在硬件组态其中,步骤e中的矩阵F=时只要在智能板卡下选择SR93即可。算法部分1ff…f0…0程序如下:éN1,N1-1N1,N1-2N1,0ùSetTimer(1,5000,NULL);f,Nf…ff…0N1+11N1,N1-1N1+1,1N1+1,0voidCSIDlg::OnTimer(UINT_PTRnIDEvent)︙︙︙︙︙⋱︙、{…fNu,0//预测控制算法︙}ff…………f4结束语ëN,N-1N,N-2N,N-Nuû(N-N1+1)×Nu笔者通过组态王客户端实现了GPC-PID串F=2级控制算法,该算法能够实时辨识由于污水成分éfN1,N1fN1,N1+1…fN1,nb+N1-1ù波动、污水量变化而引起的动态系统模型参数变ff…f,nN1+1,N1+1N1+1,N1+2N1+1b+N1-1、化,从而根据新的模型设计新的控制器。由于︙︙︙︙GPC控制器在设计时不但考虑了系统过去的输出ff…fëN,NN,N+1N,nb+N-1û(N-N1+1)×nb而且考虑了系统未来输出,所以产生的控制效果G=较单纯PID控制要好。同时,GPC-PID串级控制égN1,0gN1,1…gN1,naù算法成本低、效果好、可维护性较高,且易于实现,gg…g因此对于小系统或实验室小试系统非常适用,具N1+1,0N1+1,1N1+1,na。有很好的推广应用价值。︙︙︙︙gg…gëN,0N,1N,naû(N-N参考文献1+1)×(na+1)3.2算法的实现[1]向立志,张喜东,李荣,等.多变量预测控制在锅炉笔者分别采用组态王客户端实现GPC算法、燃烧系统中的应用[J].化工自动化及仪表,2006,SR93控制器实现PID算法。如果使用的是33(2):20~24.Win764位系统,则可以用VC++2010编写组态[2]韩曾晋.自适应控制[M].北京:清华大学出版社,王的客户端,在VC++2010定时器的消息处理函1995.DesignofWetOxidationExperimentSystemforWastewaterTreatmentGUANShi-yuan(SYRICIDesign&EngineeringCo.,Ltd.,Shenyang110021,China)AbstractAimingatthecostandperformanceoflabexperimentsystem,awastewatertreatmentsystemwhichemploysIPCandtemperaturecontrollerandbasesontheGPC-PIDcascadecontrolalgorithmwasproposed.TheGPC-PIDcontrolalgorithmhasstrongabilityincomputationanddataprocessandit’saproperschemeforlabwastewatersupervisoryandcontrol.Asfortheuncertaintyindeterminingwastewaterconstitutesandvol-ume,theGPC-PIDhasbettercontroleffectthanPIDcontrolalongwithagreatly-reducedcost.Keywordswastewatertreatmentsystem,wetoxidationmethod,GPC-PIDcascadecontrol,KingVIEW