预测控制和前馈控制在混凝投药中的应用

长期以来，国 内 的 混 凝 投 药 控 制 技 术 十 分 落
后 ，加 上 水 处 理 工 艺 、水 源 等 差 异 ，很 多 水 厂 的 混 凝 投 药 环 节 都 是 人 工 加 药 方 式 ，一 位 有 经 验 的 操 作 工 人可根据源水浊 度、水 量 的 变 化 情 况、反 应 后 的 矾 花 生 成 情 况 、沉 淀 水 的 情 况 ，凭 经 验 确 定 混 凝 程 度 ， 调节投药量，保 证 出 水 水 质 稳 定、合 格 。 ［１］ 这 种 人 工 控 制 方 式 不 仅 工 作 人 员 的 劳 动 强 度 加 大 ，而 且 往 往容易造成药量的浪费。且随着科学研究的不断 深入，研究对象或 过 程 越 来 越 复 杂，而 人 们 对 系 统 的 控 制 精 度 要 求 越 来 越 高 ，实 现 混 凝 投 药 的 自 动 化 也是控制领域的一个热点话题。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｇａｉｎｓｔ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ｏｆ ｄｅｌａｙ ａｎｄ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｉｎ ｃｏａｇｕｌａｎｔ ｄｏｓｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ，ａｆｔｅｒ
ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｃｏａｇｕｌａｎｔ ｄｏｓｉｎｇ，ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｒｅａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｄａｔａ，ａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｉｔ ｉｓ ｔａｋｅｎ ｆｌｏｗｉｎｇ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｆｅｅｄ－ｆｏｒｗａｒｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ．Ｉｔ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｏ ｃｏａｇｕ－ ｌａｎｔ ｄｏｓｉｎｇ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ：ｉｔ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｎ ｃｏａｇｕｌａｎｔ ｄｏｓｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｂｙ ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎｄ ｉｓ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｆｅｅｄ－ｆｏｒｗａｒｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈａｔ ｍａｄｅ ｃｏａｇｕｌａｎｔ ｄｏｓｅ ｒｅｃｔｉｆｉｅｄ ａｔ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｂｙ ｒａｗ ｗａ－ ｔｅｒ’ｓ ｑｕａｌｉｔｙ．
２ 混 凝 投 药 过 程 工 作 原 理
水处理 系 统 是 一 个 典 型 的 ＤＣＳ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ）系 统，由 若 干 个 相 互 联 系 又 各 自 独 立 工 作 的 子 系 统 组 成 ，其 中 一 个 子 系 统 是 混 凝 投 药 系 统 ，主 要 由 数 据 采 集 设 备 、控 制 器 、监 控 系 统 和 执行设备等组成 。 ［２－４］ 其控制结构框图见下图１：
６个，这也说明系统当前的浊度测 量 值 不 仅 与 当 前
的投药量有关，同 样 受 到 历 史 投 药 量 的 作 用，且 实
际运行过程中采用的是离散化的方式实现加药控
制 。 基 于 上 述 考 虑 ，文 中 采 用 了 预 测 模 型 滚 动 优 化
的 方 法 ，令 离 散 化 的 预 测 模 型 为 ：
图 １ 混 凝 投 药 控 制 系 统 框 图
原 水 流 入 混 凝 沉 淀 池 ，入 口 处 经 由 流 量 计 检 测 原水流量。原水在混凝沉淀池里通过与混凝药剂 反应后，其中的浑浊物充分聚结 ，形成具有一定粒 度及表面特性的 絮 凝 体，降 低 了 出 口 处 水 的 浊 度， 由浊度计将浊度值上传到 ＰＬＣ 控制器，由 ＰＬＣ 和 上位机监控系统经过计算得到当前要投加的混凝 药剂，再由 ＰＬＣ 下达命令到变频器，由变频器改变 设备参数，控制了 计 量 泵 的 冲 程 和 阀 门 开 度，进 而 达到调整混凝药剂投加量的目的。
入，混凝投药量为 输 出 量 的 预 测 控 制 模 型，通 常 系
统的预估模型采用工业常见的一阶滞后惯性环节：
Ｇ（ｓ）＝ＴｓＫ＋１ｅ－τｓ
（１）
考虑到投 药 系 统 的 滞 后 时 间 为 ９０ｍｉｎ 左 右，
设置控制器采集数据的时间间隔为 １５ｍｉｎ，则 预测
时 间 域 长 度 为 ９０ｍｉｎ，在 预 测 时 间 域 里 的 控 制 量 有
理系统实际的生产数据后，提出一种混凝投药控制方案。该控制 方 案 采 用 流 量 比 例 前 馈 控 制 与 预 测 控 制 相 结合，实现对混凝投药的复合控制。实 验 仿 真 结 果 表 明，提 出 的 预 测 控 制 有 效 实 现 了 混 凝 投 药 量 的 大 小 控 制 ，再 结 合 比 例 前 馈 控 制 方 法 ，使 投 药 量 能 够 实 时 在 线 地 根 据 原 水 水 质 的 情 况 进 行 及 时 调 整 。
民 （１９７９— ），男 ，山 东 章 丘 人 ，工 程 师 ，硕 士 ，研 究 方 向 ：电 气 自 动 化 。
２２
计算技术与自动化
２０１２ 年 ６ 月
定性好、可靠性高 的 特 点，因 而 被 广 泛 应 用 于 过 程 控制当 中。 但 对 非 线 性 时 滞 系 统 来 说，常 规 ＰＩＤ 控 制 器 不 能 在 线 准 确 整 定 控 制 参 数 ，就 可 能 会 因 为 控制作用失效成系统不稳定。关键是影响混凝剂 投 加 量 的 因 素 很 多 ，使 得 混 凝 剂 投 加 的 确 定 与 控 制 变 得 十 分 复 杂 与 困 难 ，目 前 还 没 有 一 个 完 整 的 理 论 计 算 模 式 ，也 无 法 采 用 一 个 通 用 的 控 制 手 段 。 本 文 提出了一种模型预测控制与流量前馈比例控制相 结合的复合控制策略。这种复合控制以自来水水 厂 的 具 体 水 处 理 工 艺 为 基 础 ，研 究 了 混 凝 投 药 的 基 本原理，大量分析 了 实 际 生 产 数 据，选 择 混 凝 投 药 的 主 要 影 响 因 素 作 为 控 制 输 入 ，将 混 凝 投 药 量 作 为 控制输出。同时考虑到混凝投药自身的时滞特性， 因 此 本 文 建 立 了 一 个 预 测 控 制 模 型 ，在 预 测 时 间 域 里 ，当 前 混 凝 投 药 量 不 仅 仅 由 当 前 时 刻 的 系 统 输 入 有关，还与 这 一 预 测 时 间 域 里 的 历 史 输 入 输 出 有 关 ，同 时 引 入 比 例 前 馈 控 制 ，更 及 时 地 调 整 投 药 量 。 将模型预测控制与前馈控制这两种方式结合起来， 各 自 发 挥 自 己 的 特 点 ，以 获 得 更 好 的 控 制 效 果 。
关 键 词 ：混 凝 投 药 ；前 馈 控 制 ；预 测 控 制 中 图 分 类 号 ：ＴＰ２９ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｆｅｅｄ－ｆｏｒｗａｒｄ Ｃｏｎｔｒｏｌｉｎ Ｃｏａｇｕｌａｎｔ Ｄｏｓｉｎｇ
ＺＨＡＮＧ Ｊｕｎ１，ＸＵＥ Ｔｉｎｇ－ｍｉｎ２，ＳＵＮ Ｃｈｅｎ－ｈａｏ３
张 俊１，薛 廷 民２，孙 辰 昊３
（１．湖南现代物流职业学院，湖南 长沙 ４１０１００；２．博世汽车部件长沙有限公司 ＡＴＭ０５，湖南 长沙 ４１０１００； ３．哈尔滨工业大学 电气学院，黑龙江 哈尔滨 １５０００１）
摘 要：针对自来水厂混凝投药过程存在的时滞、非 线 性 等 特 点，研 究 混 凝 投 药 的 工 作 原 理，分 析 水 处
第 ３１ 卷 第 ２ 期 ２ ０ １ ２ 年 ６ 月
计 算 技 术 与 自 动 化 Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ
文 章 编 号 ：１００３－６１９９（２０１２）０２－００２１－０４
Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．２ Ｊｕｎ．２ ０ １ ２
预测控制和前馈控制在混凝投药中的应用
常规 ＰＩＤ 控制器具 有 原 理 简 单、易 于 实 现、稳
收 稿 日 期 ：２０１２－０４－０２ 基 金 项 目 ：湖 南 省 教 育 厅 科 学 研 究 项 目 （１０Ｃ０２４９） 作者简介：张 俊（１９７８—），女，湖南吉首人，讲师，硕士，研究方向：智能自动化，网络控制系统等（Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｎｅｃｏｎ２３＠１６３．ｃｏｍ）；薛 廷
３ 混 凝 投 药 系 统 控 制 方 案
由 于 系 统 的 滞 后 性 ，虽 然 系 统 采 用 滤 前 水 浊 度
作为控制目标，在 一 定 程 度 上 把 控 制 目 标 提 前，但
实际上仍然存在较大的滞后。加药量要经过很长
一 段 时 间 才 能 达 到 实 际 水 浊 度 的 需 要 ，加 药 系 统 的
假 设ｋ＋１ 时 刻 系 统 的 输 出 值 ｙ（ｋ＋１）与 预 测
输 出 值 ｙ（ｋ＋１｜ｋ）存 在 误 差 ，即 ：
ｅ（ｋ＋１）＝ｒ（ｋ＋１）－ｙ（ｋ＋１｜ｋ）
（３）
其 中 ｒ（ｋ＋１）是 系 统 设 定 输 出 参 考 值 。
选取系统在ｋ 时刻的性能优化函数 ：
Ｎ
∑ Ｊ（ｋ）＝ ｛（ｒ（ｋ＋ｉ）－ｙ（ｋ＋ｉ｜ｋ））２ － ｉ＝１
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏａｇｕｌａｎｔ ｄｏｓｉｎｇ；ｆｅｅｄ－ｆｏｒｗａｒｄ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ ｃｏｎ程 中 ，混 凝 是 一 个 十 分 重 要 的 工 艺 过程 ，它决 定 着 后 续 工 艺 流 程 的 运 行 效 果 和 最 终 出厂的水质。混凝效果的好坏主要取决于混凝剂投 加量的准确 与 否 。 由 于 混 凝 过 程 本 身 具 有 时 滞 、非 线性等特点，且影响混凝剂投加量的因素很多，如原 水浊度、流 量、温 度、ＰＨ 值、所 含 杂 质 特 性、净 水 设 备 的负荷及 状 态 等 ，情 况 复 杂 ，加 之 混 凝 时 间 长 ，给 实现混凝剂投加量的自动控制带来很大困难。
３．１ 预 测 控 制 预测控制是直接从工业过程控制中产生的一
类 基 于 模 型 的 新 型 控 制 算 法 ，基 本 步 骤 可 归 结 为 预