水厂加矾工艺流程图
自来水厂的加矾自动化控制
自来水厂的加矾自动化控制一、引言自来水厂是为了提供清洁、安全的饮用水而建立的设施。
在自来水的处理过程中，加矾是一个重要的步骤，它可以调节水质的酸碱度，提高水的稳定性和清洁度。
为了提高加矾过程的效率和准确性，自来水厂需要引入自动化控制系统。
二、加矾自动化控制系统的需求1. 提高生产效率：引入自动化控制系统可以减少人工操作，提高加矾过程的效率，节省人力资源。
2. 提高加矾准确性：自动化控制系统可以根据预设的参数，精确控制加矾剂的投加量，避免人工操作中的误差。
3. 实时监测和报警：自动化控制系统可以实时监测加矾过程中的关键参数，如PH值、浊度等，一旦超出设定范围，系统会发出报警信号，及时采取措施。
4. 数据记录和分析：自动化控制系统可以记录加矾过程中的关键数据，方便后续分析和优化加矾工艺。
三、加矾自动化控制系统的设计方案1. 传感器选择：选择适合加矾过程的传感器，如PH传感器、浊度传感器等，用于实时监测水质参数。
2. 控制器选择：选择适合加矾过程的控制器，如PLC（可编程逻辑控制器）、DCS（分布式控制系统）等，用于控制加矾剂的投加量。
3. 人机界面设计：设计直观、易操作的人机界面，方便操作人员监控加矾过程和进行参数调整。
4. 控制策略设计：根据加矾过程的特点，设计合理的控制策略，包括PID控制、模糊控制等，以实现准确的加矾剂投加量控制。
5. 报警系统设计：设计报警系统，当关键参数超出设定范围时，及时发出声光报警信号，提醒操作人员采取措施。
6. 数据记录和分析系统设计：设计数据记录和分析系统，实时记录加矾过程中的关键数据，并进行数据分析，为优化加矾工艺提供依据。
四、加矾自动化控制系统的实施步骤1. 系统需求分析：与自来水厂合作方共同明确加矾自动化控制系统的需求，包括加矾剂种类、投加量范围、监测参数等。
2. 设计方案制定：根据需求分析，制定加矾自动化控制系统的设计方案，包括传感器选择、控制器选择、人机界面设计等。
加矾系统基本说明
技术领域本实用新型涉及自来水生产技术领域，特别是一种智能配矾系统。
背景技术常规的现代净水厂加矾工艺主要包括：絮凝剂的配置、投加、混合、反应、絮凝等。
系统主要由自动配矾系统、投加系统等部分构成。
混凝是净水系统中最重要的处理工艺,也是制水成本的主要组成部分,混凝剂的投加量是否准确直接影响到水处理的全过程，另外，药剂的消耗费用也是制水成本的主要组成部分，加药和沉淀工序的效果直接影响着最终的出厂水水质和处理成本。
目前国内水厂配矾方式大多为人工配矾，由原矾池，高位矾池，手动调节阀，水射器，电子钟和加药管路组成。
配矾以小计量池和电子钟为计量，原矾由泵和水射器加到高位矾池，再由化验室检测确定矾液浓度。
加矾则通常采用计量泵投药或者重力+手动调节阀投药。
人工配矾，该配矾方方式需值班人员时刻注意配加液位，防止溢矾，且对矾液浓度难以控制。
计量泵投药方式，以计量泵的频率和冲程作为矾流量控制的间接控制参数，部分由流动电流仪进行反馈控制。
加药量可以更具经验得到自动控制，但控制精度不高，而且对值班人员的观测水平和现场工作经验要求比较高，设备所需维护量相对较大。
同时据实际使用经验，流动电流仪反馈值在精度和稳定性方面有待提高，设备的故障率和维护工作较高；计量泵的频率和冲程与理论流量之间存在严重的非线性，当计量泵的隔膜劣化后，流量还将大大降低，危及生产安全。
重力+手动调节阀方式，通常配备相应的转子流量计作物投加量反馈，加药量可以精确控制。
但这种方式需要加药工作人员凭经验估算投矾量，并只能在现场手动操作，使得投矾人员工作量很大，要时刻关注源水流量、浊度变化来调节阀门，并容易产生人为失误。
投矾系统包括以下几部份基于人工神经网络进行前馈控制和基于模糊反馈控制的自来水混凝投矾自动化控制算法。
它包括：通过人工神经网络对投矾控制的过程参数进行学习，识别系统参数中间的内在对应关系，从而对芯的检测源水参数的控制值进行预测，然后通过模糊控制反馈的方法对预测值进行修正，最终得到一个符合需要的投矾控制量去控制计量泵工作，完成投矾控制的全过程。
加氯加矾系统操作手册新知识讲解
加氯加矾系统操作手册新目录第一章加矾系统操作说明 (3)1. 系统组成 (3)2. 操作说明 (4)2.1 液下泵 (4)2.2 计量泵 (4)2.3 搅拌 (6)第二章加氯系统操作说明 (7)1. 系统组成 (7)2. 操作说明 (8)2.1 切换控制箱 (8)2.2 手动阀 (9)2.3 真空调节器 (10)2.4 真空加氯机 (10)2.5 水射器 (11)第三章氯气吸收装置调试步骤 (12)1. 准备 (12)2. 试车 (12)第四章过滤反冲系统操作说明 (13)一、工艺布局 (13)1、滤池工艺设备： (14)2、反冲洗泵房工艺设备： (14)二、操作说明 (14)1、滤池 (14)2、空压机 (16)3、鼓风机及反冲泵 (16)第一章加矾系统操作说明1.系统组成本水厂加矾系统用的原料为高浓度液态矾，用槽罐车运到厂内加药间外的2个矾池，每个矾池配1台液下泵把浓矾抽到加药间的2个矾溶液池，每个矾溶液池配有水管进水稀释（配成10%的浓度）及由空压机来的气管搅拌。
配好的溶液由2台计量泵（一用一备）抽到原水投加点。
其工艺图如下：液下泵控制箱1期原水投加点加药控制柜PLC流量计止回阀阻尼缓冲器背压阀PLC柜安全阀ABS DN40配药池进矾进水DN50DN25液位计底阀电源1期原水投加点PLC柜后期泵预留计量泵DN25DN50后期泵预留空压机后期原水投加点预留搅拌气止回阀液位计储液池液下泵自来水球阀工艺图1-12.操作说明2.1 液下泵液下泵严禁空转及反转。
每台液下泵出口配有1个球阀及1个止回阀。
球阀平时常开，更换止回阀时关闭。
控制箱操作：控制箱柜面配有每台泵的“手动/0/自动”模式选择开关及“运行、停止、故障”指示灯，还配有手动运行时的“启动、停止”按钮。
（1）手动运行：把要运行的那台泵（对应矾池必须有矾液）的模式选择开关打到“手动”位置，按“启动”按钮开泵，运行时“运行”灯亮，故障时“故障”灯亮；按“停止”按钮停泵，停止时“停止”灯亮。
加氯加矾系统操作手册新知识讲解
加氯加矾系统操作手册新目录第一章加矾系统操作说明 (3)1. 系统组成 (3)2. 操作说明 (4)2.1 液下泵 (4)2.2 计量泵 (4)2.3 搅拌 (6)第二章加氯系统操作说明 (7)1. 系统组成 (7)2. 操作说明 (8)2.1 切换控制箱 (8)2.2 手动阀 (9)2.3 真空调节器 (10)2.4 真空加氯机 (10)2.5 水射器 (11)第三章氯气吸收装置调试步骤 (12)1. 准备 (12)2. 试车 (12)第四章过滤反冲系统操作说明 (13)一、工艺布局 (13)1、滤池工艺设备： (14)2、反冲洗泵房工艺设备： (14)二、操作说明 (14)1、滤池 (14)2、空压机 (16)3、鼓风机及反冲泵 (16)第一章加矾系统操作说明1.系统组成本水厂加矾系统用的原料为高浓度液态矾，用槽罐车运到厂内加药间外的2个矾池，每个矾池配1台液下泵把浓矾抽到加药间的2个矾溶液池，每个矾溶液池配有水管进水稀释（配成10%的浓度）及由空压机来的气管搅拌。
配好的溶液由2台计量泵（一用一备）抽到原水投加点。
其工艺图如下：液下泵控制箱1期原水投加点加药控制柜PLC流量计止回阀阻尼缓冲器背压阀PLC柜安全阀ABS DN40配药池进矾进水DN50DN25液位计底阀电源1期原水投加点PLC柜后期泵预留计量泵DN25DN50后期泵预留空压机后期原水投加点预留搅拌气止回阀液位计储液池液下泵自来水球阀工艺图1-12.操作说明2.1 液下泵液下泵严禁空转及反转。
每台液下泵出口配有1个球阀及1个止回阀。
球阀平时常开，更换止回阀时关闭。
控制箱操作：控制箱柜面配有每台泵的“手动/0/自动”模式选择开关及“运行、停止、故障”指示灯，还配有手动运行时的“启动、停止”按钮。
（1）手动运行：把要运行的那台泵（对应矾池必须有矾液）的模式选择开关打到“手动”位置，按“启动”按钮开泵，运行时“运行”灯亮，故障时“故障”灯亮；按“停止”按钮停泵，停止时“停止”灯亮。
水厂AI智能加药系统技术要求
项目需求一、概况近年来，随着供水行业信息化、智能化水平的不断提升，水厂运行逐渐形成智能化、智慧化的发展趋势。
药剂投加是水厂的核心环节，因此水厂药剂的智能精准投加是水厂智能化、高质量发展的主要方向之一。
目前，江苏省住建厅在《江苏省城市供水安全保障工作评价指标体系》和《江苏省城市供水安全保障工作评价细则》明确要求建立智能加药系统，来实现加药自动、智能化水平，保障供水安全。
水厂的加矾以前是建立在化验室小样试验基础上，根据水量和水质的变化，通过人工调节投加量的控制方式。
由于水厂实行多水源制，每天的原水水量时变化系数大，投加量主要依靠每天一次的小样试验结合经验来调控。
智能加药系统建设后，可根据不同情况，通过智能平台实行适时调整投加量来控制水质，实现药剂精准投加，达到保障水质和节能降耗目的。
综上所述，为提升水厂精益管理，保证供水考核达标，2023年已将水厂智能加药系统建设列入年度技改工作，拟先在城东水厂实施智能加矾系统改造项目。
二、智能加矾系统简介1、智能加矾模式与传统模式控制对比该系统主要由在线仪表（水下高清摄像机和在线浊度分析仪）、智能加矾模型预测控制（含PLC控制系统）和计量泵组成。
智能加矾系统是一种全自动化智能控制系统，它通过采集分析进水流量、原水水质、混凝剂投加量、混凝反应效果以及沉淀池出水水质等实时数据，并结合大量历史水质、水量等信息，快速建模，开展模型训练和测试，提前计算出合理的混凝剂投加量，并反馈给PLC控制系统调节计量泵投加量。
实现对沉淀池出水浊度多步超前调整，避免滞后性和强耦合性带来的投加误差，达到精准控制。
（如图1）图1 智能加矾系统控制流程图三、智能加矾系统改造方案1、水下高清摄像机配备在网格混凝反应池和平流沉淀池之间过渡区域（配水区中心处），分布式安装水下高清摄像机（每期东西侧各1台，共计6台）。
（如图2）通过水下高清摄像机，实时掌握混凝反应效果，为智能加矾系统提供信息支撑。
2、在线浊度分析仪配备二期和三期沉淀池出水浊度利用现有的在线浊度分析仪（每期东西侧各1台），一期东侧沉淀池出水利用现有的在线浊度分析仪，西侧沉淀池出水增加1台在线浊度分析仪。
自来水厂的加矾自动化控制
自来水厂的加矾自动化控制1. 简介自来水厂是为城市和居民供应安全饮用水的重要设施。
其中，加矾是水处理过程中的关键步骤之一，用于调节水的硬度和pH值，以保证水质的稳定和安全。
为了提高加矾过程的效率和准确性，自动化控制系统被引入到自来水厂的加矾过程中。
2. 自动化控制系统的组成自来水厂的加矾自动化控制系统主要由以下几个部分组成：2.1 传感器传感器是自动化控制系统的重要组成部分，用于实时监测水质参数。
在加矾过程中，常用的传感器包括pH传感器、溶解氧传感器和浊度传感器等。
这些传感器能够准确测量水质的相关参数，并将数据传输给控制系统。
2.2 控制器控制器是自动化控制系统的核心部分，负责接收传感器传输的数据，并根据预设的控制策略进行处理。
在加矾过程中，控制器可以根据水质参数的变化，自动调节加矾剂的投加量和速度，以实现对水质的精确控制。
2.3 执行器执行器是控制系统的执行部分，负责根据控制器的指令进行相应的动作。
在加矾过程中，常用的执行器包括加矾剂投加泵和搅拌器等。
这些执行器能够根据控制器的指令，自动调节加矾剂的投加量和搅拌速度，以保证加矾过程的稳定性和准确性。
2.4 人机界面人机界面是自动化控制系统与操作人员之间的交互界面，用于监控和操作控制系统。
在加矾自动化控制系统中，人机界面通常采用触摸屏或计算机软件，操作人员可以通过界面实时监测水质参数和控制系统的运行状态，并进行相应的操作和调整。
3. 加矾自动化控制系统的工作原理加矾自动化控制系统的工作原理如下：3.1 数据采集传感器实时采集水质参数的数据，并将数据传输给控制器。
3.2 数据处理控制器接收传感器传输的数据，并根据预设的控制策略进行处理。
控制策略可以根据水质参数的变化，自动调节加矾剂的投加量和速度。
3.3 控制指令控制器根据处理后的数据，生成相应的控制指令，并将指令传输给执行器。
3.4 执行动作执行器接收控制器传输的控制指令，并根据指令进行相应的动作。
基于有限时间扰动观测器的水厂加矾系统二阶滑模控制
第40卷第11期2023年11月控制理论与应用Control Theory&ApplicationsV ol.40No.11Nov.2023基于有限时间扰动观测器的水厂加矾系统二阶滑模控制王冬生†,张鹏,孙锦昊,郭若寒,蒋国平(南京邮电大学自动化学院人工智能学院,江苏南京210023)摘要:水厂絮凝沉淀过程具有强非线性、不确定性和参数时变等特点,并且原水水质和水量突变等扰动容易对絮凝沉淀过程造成不利影响.本文提出了一种基于有限时间扰动观测器的加矾系统二阶滑模控制设计方法.首先,文章采用带有非光滑项的二阶滑模控制方法设计加矾系统反馈控制;然后,文章设计有限时间扰动观测器对原水水质和水量突变等扰动,以及絮凝沉淀过程强非线性、不确定性和参数时变等导致的模型不匹配进行估计,估计结果作为前馈补偿与反馈控制相结合;最后,理论分析证明了基于有限时间扰动观测器的二阶滑模控制方法的稳定性.仿真结果表明,本文所提出的复合控制方法有效提升了加矾系统的鲁棒性和抗扰动性能.关键词:加矾控制;有限时间扰动观测器;二阶滑模控制;抗扰动引用格式:王冬生,张鹏,孙锦昊,等.基于有限时间扰动观测器的水厂加矾系统二阶滑模控制.控制理论与应用, 2023,40(11):1965–1971DOI:10.7641/CTA.2022.20462Second-order sliding mode control based onfinite-time disturbance observer for alum dosing system of water plantWANG Dong-sheng†,ZHANG Peng,SUN Jin-hao,GUO Ruo-han,JIANG Guo-ping(School of Automation,School of Artificial Intelligence,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing Jiangsu210023,China) Abstract:Theflocculation and sedimentation process of water plant has the characteristics of strong nonlinearity, uncertainty and time-varying parameters,and disturbances of sudden changes in raw water quality and waterflow are easy to adversely affect theflocculation and sedimentation process.This paper proposes a control design method of second-order sliding mode based on thefinite-time disturbance observer for alum dosing system.First,the feedback control of alum dosing system is designed by second-order sliding mode control method with non-smooth terms.Then,afinite-time disturbance observer is designed to estimate disturbances of sudden changes in raw water quality and waterflow,as well as model mismatch caused by strong nonlinearity,uncertainty,and time-varying parameters in theflocculation and sedimentation process.The estimation result is combined with feedback control as feedforward compensation.Finally,the theoretical analysis proves the stability of second-order sliding mode control method based on thefinite-time disturbance observer.The simulation results show that the composite control method proposed in this paper effectively improves the robustness and anti-disturbance performance of alum dosing system.Key words:alum dosing control;finite-time disturbance observer;second-order sliding mode control;anti-disturbance Citation:WANG Dongsheng,ZHANG Peng,SUN Jinhao,et al.Second-order sliding mode control based onfinite-time disturbance observer for alum dosing system of water plant.Control Theory&Applications,2023,40(11):1965–19711引言絮凝沉淀过程是水厂水质净化的重要环节,与出厂水水质安全密切相关.絮凝沉淀过程通过向原水中投加矾等絮凝剂去除原水中的悬浮杂质、胶体颗粒及附着于胶体颗粒上的细菌、病毒等有害物质.依据美国联邦环保局饮用水病毒去除技术标准,当滤后水浊度低于0.3NTU时,病毒去除率高达99%[1].加强对水厂加矾系统的有效控制,严格限制沉淀池出水浊度,有利于出厂水水质稳定和实现高品质饮用水目标.专家学者们对加矾系统控制问题进行了大量的研究和实践,提出了各种控制算法.流动电流法[2]和透光率脉动法[3]通过流动电流值和透光率检测跟踪絮凝收稿日期:2022−05−29;录用日期:2022−12−22.†通信作者.E-mail:***********************.cn;Tel.:+86189****9776.本文责任编委:李世华.国家自然科学基金项目(52170001)资助.Supported by the National Natural Science Foundation of China(52170001).1966控制理论与应用第40卷沉淀过程状态,据此调整加矾量,但是由于流动电流值和透光率是间接反应絮凝沉淀过程的相对值,而且对仪器的灵敏度和维护要求较高,影响了在实际应用中的效果.直接将沉淀池出水浊度作为被控变量来控制加矾量是目前加矾系统控制的主流.由于历史数据中包含了控制过程中的所有信息,数据驱动方法[4]可以通过对历史数据的训练获得控制器参数,数据驱动方法避免了传统控制方法对过程模型的依赖,但是历史数据信息的获取往往是不全面的,一定程度限制了数据驱动方法在实际应用中的推广.虽然絮凝沉淀过程难以精确建模,但仍然可以通过采用高级反馈控制和扰动估计等方法,对其过程模型不精确,以及水质、水量突变等因素作用下的扰动进行抑制.滑模控制(sliding mode control,SMC)是强非线性控制问题中的一种有效方法,具有抗扰动性强、动态响应快、控制实现简单等优势.目前,已有许多相关理论和应用研究[5–7].文献[5]针对一类非线性积分系统,利用有限时间控制技术,提出了一种输入饱和情况下的全局有限时间控制方案.文献[6]提出了一种新颖的二阶滑模(second-order sliding model,SOSM)控制方法来处理具有不匹配项的滑模动力学,从而减少控制通道中的项.文献[7]提出了一种带有有限时间扰动观测器(finite-time disturbance observer,FDOB)的连续动态滑模控制器.在实际应用中,SOSM控制使滑动变量的选择更加灵活,而且也更容易消除振颤问题. FDOB能够对扰动和过程不确定性进行估计,并通过前馈补偿设计减少对控制系统的不利影响.将扰动观测器与反馈控制相结合的复合控制方法是目前控制领域中抑制扰动和补偿模型不精确等问题的研究热点之一[8].本文提出了一种基于FDOB和SOSM的水厂加矾系统复合控制方法,针对实际絮凝沉淀过程受原水水质和水量突变的影响,以及强非线性、不确定性和参数时变等问题,采用前馈补偿和反馈控制相结合的设计方法.仿真结果证明,在与实际絮凝沉淀过程相符合的模型不匹配和扰动情况下,本文提出的控制方法更好地实现了出水浊度的稳定.2系统描述与控制器设计2.1问题描述自来水厂常规处理工艺流程如图1所示.其中,絮凝沉淀过程是在沉淀池入口处向原水中投加矾等絮凝剂,从而让各种杂质颗粒物等凝结成絮凝体,在重力作用下,絮凝体就能够沉淀在沉淀池底部,达到去浊澄清的目的.2.2控制器设计2.2.1SOSM已知系统状态等一些可测量的信息存在于˙s中,在˙s得到导数¨s的过程中可能会放大这些信息,所以需要更大的控制增益.由于振颤幅度与控制幅度之间存在正比关系,因此传统SOSM会导致振颤.图1自来水厂常规处理工艺流程Fig.1Conventional treatment process of waterworks针对上述问题,本文采用一种新的控制设计方法来处理具有不匹配不确定性的SOSM动力学.构造控制器包括3个步骤.首先,引入新的滑动变量,将传统SOSM动力学转变为具有不匹配不确定项的新型SOSM动力学.其次,通过定义失配不确定性的一些增长条件,以递归的方式构建一系列虚拟控制器来稳定新的滑动变量.最后,结合有限时间控制技术,设计一种带有非光滑项的SOSM控制器.本文通过将出水浊度与设定值的偏差作为输入,设计二阶滑模控制器.其中G(s)为G(s)=K(T1s+1)(T2s+1)=bs2+a1s+a0,(1)由上式可得¨x=−a1˙x−a0x+bu,(2)其中:x∈R n,代表出水浊度;u∈R,代表控制输入.现在将滑动变量s(即出水浊度误差)定义为s=x−x ref,其中x ref表示浊度设定值.二阶滑模动力学方程为{˙s1=s2,˙s2=a(t,x)+b(t,x)u+d(t),(3)其中:a(t,x)=−a1˙x−a0x,b(t,x)=b,d(t)=ξω1(t)+ω2(t),此处ω1(t)为模型不匹配不确定项,ω2(t)为模型匹配扰动项,ω1(t)与ω2(t)及其一阶导数是有界的,因此存在一个正常数D>0使得|d(t)| D.沿系统(3)对滑动变量进行二阶导数得到¨s= a(t,x)+ξω1(t)+ω2(t)+v,其中v=b(t,x)u.则系统(3)可以进一步表示为{˙s1=s2,˙s2=A(t,x)+U,(4)其中:U=v是一个虚拟控制器,A(t,x)=a(t,x)+ξω1(t)+ω2(t).在实际应用中,出水浊度x是有界的,这表示可以找到常数A0>0,使得|A(t,x)| A0.另外也存在正函数C(x)与正常数K m,使得|a(t,x)| C(x),b(t,x) K m.为简化表达式,定义⌊x⌋α=sgn x|x|α,∀x∈R,∀m>0.设计控制器[9]第11期王冬生等:基于有限时间扰动观测器的水厂加矾系统二阶滑模控制1967u=−C(x)K msgn(⌊s2⌋αr2+β1a r2⌊s1⌋αr1)−β2⌊⌊s2⌋αr2+β1a r2⌊s1⌋αr1⌋r3a.(5) 2.2.2FDOBFDOB是根据被控变量和控制变量对扰动进行估计的过程,将扰动估计作为前馈可以有效补偿扰动对被控过程的影响,从而达到抑制扰动的目的．给出的FDOB表示如下[10]:˙z0=v0,v0=−L1⌊z0−s1⌋23+z1,˙z1=v1+U,v1=−L2⌊z1−v0⌋12+z2,˙z2=−L3sgn(z2−v1),(6)其中:L1,L2和L3为正观测器增益,需要合理设计.然后,可以得到如下定理:定理1[11]如果FDOB构造为式(6),则不确定项A(t,x)可以在有限时间内通过Z2准确估计,即可以找到一个时刻T f>0使得z2≡A(t,x)对于∀t>T f.2.2.3FDOB-SOSM复合控制设计在FDOB和SOSM基础上设计复合控制方案,如图2所示.其中,FDOB采取主动抗扰动的策略对控制系统受到的外部扰动和模型不匹配进行估计进而抑制和消除.相较于只采用反馈控制,FDOB能更加有效地抑制干扰,极大地提高系统的鲁棒性.图2复合控制方案框图Fig.2Diagram of composite control scheme在滑模控制器设计中,令s1=s,s2=˙s,滑模动力学可以改写为˙s1=s2,˙s2=A(t,x)+U,此刻需要注意的是不确定项A(t,x)通常是不可测量的,在实际应用中关于A(t,x)的精确值是未知的,这表示控制器(5)不会直接运用于系统(4)中,为此,假设A(t,x)是可微,并且满足|˙A(t,x)|<L,其中L是一个Lipschitz 常数.构造一个FDOB来获取对不确定项A(t,x)的估计,并使用估计值ˆA(t,x)补偿不确定项A(t,x),估计值通常是有界的.3系统稳定性分析假设1存在一个正常数K m,一个正函数C(x),使得|a(t,x)| C(x),|b(t,x)|>K m和r1=2,r2= r1−τ,r3=r2−τ且τ∈(0,1].定理2在假设1下,有一个常数a r1和正函数β1(s1),β2(s1,s2),建立闭环系统(4)–(5)的有限时间稳定性.首先给出以下3个引理,然后给出定理2的证明.引理1[12]如果0<c 1,那么有以下不等式:∀x1∈R,x2∈R,|⌊x1⌋c−⌊x2⌋c| 21−c|⌊x1⌋−⌊x2⌋|c.引理2[13]如果a>0,b>0和实数c>0,那么有以下不等式:|x1|a|x2|b aa+bc|x1|a+b+ba+bc−a b|x2|a+b.引理3对于实数0<c 1,有以下不等式:对于x i∈R与i=1,···,n,(|x1|+···+|x n|)c |x1|c+···+|x n|c.证分步骤证明定理2.步骤1定义函数V1(s1)=r12ρ+τ|s1|2ρ+τr1,(7)且ρ a.然后鉴于假设1,V1(s1)沿SOSM动力学(4)的导数可以推导出为˙V1(s1)=⌊s1⌋2ρ−r2r1s2⌊s1⌋2ρ−r2r1(s2−s∗2)+⌊s1⌋2ρ−r2r1s∗2,(8)其中s∗2虚拟控制器,可以设计为s∗2=−β1(s1)⌊ξ1⌋r2a,(9)其中:ξ1=⌊s1⌋a r1,β1(s1) β0,β0>0.得出˙V1(s1) ⌊ξ1⌋2ρ−r2a(s2−s∗2)−β0⌊ξ1⌋2ρa.(10)步骤2定义函数V2(s1,s2)=V1(s1)+W2(s1,s2),(11)其中W2(s1,s2)可以设计为W2(s1,s2)=s2s∗2⌊⌊k⌋a r2−⌊s∗2⌋a r2⌋2ρ−r3a d k.(12) V2(s1,s2)沿系统(4)的导数由下式给出:˙V2(s1,s2)=˙V1(s1)+∂W2(s1,s2)∂s2˙s2+∂W2(s1,s2)∂s1˙s1,(13)可得出˙V2(s1,s2) −β0|ξ1|2ρa+⌊ξ1⌋2ρ−r2a(s2−s∗2)+∂W2(s1,s2)∂s2˙s2+∂W2(s1,s2)∂s1˙s1.(14)此时注意0<r ia1和|s2−s∗2|=|⌊s2⌋a r2·r2a−⌊s∗2⌋a r2·r2a|.(15)1968控制理论与应用第40卷使用引理2,可以从式(15)中计算出⌊ξ1⌋2ρ−r 2a (s 2−s ∗2) β023|ξ1|2ρa+c 2|ξ2|2ρa ,(16)其中c 2=r 22r 2a ρ(23−r 2a (2ρ−r 2)ρβ0)2ρ−r 2r2是一个正常数.同时,由引理1可以得知|∂W 2(s 1,s 2)∂s 1˙s 1|2ρ−r 3a |s 2−s ∗2||ξ2|2ρ−r 3a−1|∂⌊s ∗2⌋ar 2∂s 1˙s 1| γ1|ξ2|2ρ+τa −1|∂⌊s ∗2⌋a r 2∂s 1˙s 1|,(17)其中γ1=21−r 2a 2ρ−r 3a.通过式(9)可以得知⌊s ∗2⌋ar 2=⌊β1(s 1)⌋ar 2ξ1,(18)|∂⌊s ∗2⌋ar 2∂s 1| |∂βa r 21(s 1)∂s 1ξ1|+a r 1βa r 21(s 1)(|ξ1|+βa r 10(s 0)|ξ0|)1−r 1a ,(19)因为ξ0=0且使用引理3,还可以得出|s 2| |ξ2|r 2a+β1(s 1)|ξ1|r 2a.(20)通过将不等式(20)和系统(4)合并,使用引理2,可以得到两个正函数γ′1(s 1)和γ′2(s 1)使得|∂⌊s ∗2⌋ar 2∂s 1˙s 1| γ′1(s 1)|ξ1|1−τa +γ′2(s 1)|ξ2|1−τa .(21)将不等式(21)代入(17),并使用引理2,可以计算出正增益˜γ2(s 1)使得|∂W 2(s 1,s 2)∂s 1˙s 1| β022|ξ1|2ρa +β023|ξ1|2ρa +˜γ2(s 1)|ξ2|2ρa.(22)结合系统(4)得出∂W 2(s 1,s 2)∂s 2˙s 2=⌊⌊s 2⌋a r 2−⌊s ∗2⌋a r 2⌋2ρ−r 3a ˙s 2=⌊ξ2⌋2ρ−r 3a(A (t,x )+U ).(23)将不等式(16)(23)代入式(14)得到˙V 2(s 1,s 2) −β02|ξ1|2ρa +(c 2+˜γ2(s 1))|ξ2|2ρa +⌊ξ2⌋2ρ−r 3a(A (t,x )+U ).(24)根据不等式(24),可以设计U =−C (x )K mb (t,x )sgn ξ2−b (t,x )β2(s 1,s 2)⌊ξ2⌋r 3a,(25)且β2(s 1,s 2)c 2+˜γ2(s 1)+β02K m.此外s 2s ∗2⌊⌊k ⌋a r 2−⌊s ∗2⌋ar 2⌋2ρ−r 3ad k 21−r 2a|ξ2|2ρ+τa.(26)将控制器(25)代入式(24),结合V 1(s 1),可以验证出V 2(s 1,s 2) 2(|ξ1|2ρ+τa+|ξ2|2ρ+τa).通过使c =β02·22ρ2ρ+τ,可以证明˙V 2(s 1,s 2)+cV 2ρ2ρ+τ2(s 1,s 2) 0.(27)注意2ρ2ρ+τ∈(0,1).通过不等式(27),可以通过有限时间李雅普诺夫理论[14]得出闭环系统(4)(25)是全局有限时间稳定的.因此,闭环系统(4)–(5)实现了全局有限时间稳定性.证毕.然而,在实际应用中,无法使用FDOB 准确估计系统不确定项,始终存在观测误差|˜A(t,x )|=A (t,x )−z 2.因此,可以找到一个时刻T f 和一个正常数ε,使得|˜A(t,x )| ε,对于∀t T f .最后,结合SOSM 算法和FDOB 技术得到的最后一个结果由定理3给出.定理3在假设1下,有一个常数a r 1和正函数β1(s 1),β2(s 1,s 2)使得下面的SOSM 控制律成立:u =−C (x )K msgn(⌊s 2⌋a r 2+βa r 21(s 1)⌊s 1⌋a r 1)−β2(s 1,s 2)⌊⌊s 2⌋ar 2+βar 21(s 1)⌊s 1⌋ar 1⌋r 3a −z 2,(28)其中z 2是FDOB(6)给出的不确定项A (t,x )的估计,建立闭环系统(4)–(5)的有限时间稳定性.证根据U =v 和v =b (t,x )u 的定义,得到U =−C (x )K mb (t,x )sgn(⌊s 2⌋a r 2+βa r 21(s 1)⌊s 1⌋ar 1)−b (t,x )β2(s 1,s 2)×⌊⌊s 2⌋a r 2+βa r 21(s 1)⌊s 1⌋ar 1⌋r 3a −z 2,(29)将控制器(29)放入系统(4)中,可以得到{˙s 1=s 2,˙s 2=A (t,x )−z 2+U s ,(30)U s =−C (x )K mb (t,x )sgn(⌊s 2⌋a r 2+βa r 21(s 1)⌊s 1⌋ar 1)−b (t,x )β2(s 1,s 2)×⌊⌊s 2⌋a r 2+βa r 21(s 1)⌊s 1⌋ar 1⌋r 3a .(31)第11期王冬生等:基于有限时间扰动观测器的水厂加矾系统二阶滑模控制1969因为系统(30)与系统(4)结构相似,则系统(30)在控制器U s下将有限时间收敛到原点.由此进一步验证控制器不会在T f之前发散到无穷大.选择一个有限时间有限函数V(s1,s2)=12s21+12s22.(32)由于系统(30)中的不确定项A(t,x)总是有界的,因此可以很容易地得到˜A(t,x)=A(t,x)−z2也是有界的.因此,可以找到一个正常数Υ使得|˙s2| |˜A(t,x)|+|U s| Υ,(33)˙V(s1,s2)=s1s2+s2(A(t,x)−z2+U s)2V(s1,s2)+12Υ2,(34)之后可以得出结论V(s1,s2)=(V(s1(0),s2(0))+14Υ2)e2t−14γ2.(35)这意味着系统(30)的状态s1和s2在时间间隔(0, T f]内是有界的.此外,可以得出结论,系统(30)可以通过复合控制器(28)在有限域内稳定到原点.因此,滑动变量s可以在有限时间内稳定为零.证毕.4仿真验证加矾系统随着实际工况的变化而不同,本文采用在线辨识方法对加矾系统进行建模,即G(S)=1050s2+15s+1.(36)本文在MATLAB环境下进行控制仿真.模拟在0∼60min期间将出水浊度设定值保持在2NTU,在60∼120min期间将出水浊度设定值保持在1NTU.选择超调量、调节时间(∆=0.02min)和绝对误差积分(integral absolute error,IAE)作为量化指标来评估控制方案,即IAE(t)=1NN∑t=1|y r(t)−y(t)|,(37)其中:y r(t)是参考值,y(t)是实际过程输出.为了设计加矾系统的二阶滑模控制器,首先要选择一个滑动变量.将滑动变量s(即浊度误差)定义为s=y−y ref,(38)式中:y表示出水浊度,y ref表示出水浊度设定值,得到滑动变量s的动力学方程{˙s1=s2,˙s2=−0.3s2−0.02s1+0.2u.(39) 4.1模型不匹配情况在加矾系统中,由于天气恶劣或水源受到污染,原水水质有时会发生突变.这导致沉淀池的原水水质超出正常范围,并且建立的模型过程与实际过程不匹配.为了证实所提出的控制方案的鲁棒性,在模型不匹配的情况下,K和T提高20%,从而得到了传递函数G(S)=14.472s2+18s+1,(40)因此,滑动变量s的动力学方程{˙s1=s2,˙s2=−0.25s2−0.014s1+0.2u.(41)通过取−C(x)K m=−(1.5|s2|+0.1|s1|),α=2, r1=2,r2=1.6,r3=1.2,β1=0.4,β2=6控制器可以设计为u=−(1.5|s2|+0.1|s1|)sgn(⌊s2⌋21.6+0.421.6⌊s1⌋1)−6⌊⌊s2⌋21.6+0.421.6⌊s1⌋1⌋1.22.(42)为了更好展示FDOB-SOSM复合控制器的性能,仿真中将工业系统中广泛运用的比例–积分–微分(pr-oportional integral derivative,PID)控制器,SOSM控制器,FDOB-PID复合控制器加入对照实验中,仿真结果如图3和表1所示.由图3可以看出在0∼60min和60∼120min,本文提出的FDOB-SOSM复合控制,能够更好地跟踪出水浊度设定值(reference,REF)的变化;由表1可知FDOB-SOSM复合控制下的系统稳定时间最少,绝对误差积分最小,整体性能要优于其他控制器.3.02.52.01.51.00.50.0≤⍺/NTU020406080100120U / minFDOB + SOSMSOSMFDOB + PIDPIDREF图3模型不匹配情况仿真结果Fig.3Simulation results of model mismatch4.2受扰动情况在加矾系统中,由于原水水质和水量变化、以及传感器信号波动等原因会导致对加矾系统产生一定的扰动.因此考虑受扰动情况,由传递函数(36),得到滑动变量s的动力学方程{˙s1=s2,˙s2=−0.3s2−0.02s1+0.2u(t)+d(t),(43)1970控制理论与应用第40卷式中d (t )为扰动,仿真中取的是幅度0.05,频率为0.1的正弦信号.控制器采用式(42).表1模型不匹配情况控制性能指标Table 1Control performance index of model mismatch0∼60min60∼120min控制方案超调量/稳定绝对误超调量/稳定绝对误%时间/差积分/%时间/差积分/min NTU min NTUFDOB-SOSM 060.0994012.50.2045SOSM 114.50.11410160.2582FDOB-PID 6130.090336410.3036PID 27.535.50.18425049.50.4480仿真结果如图4和表2所示.由图4可以看出在0∼60min,只有FDOB-SOSM 控制方案很好的跟踪设定值.可以看出基于FDOB 的扰动估计补偿,使FDOB-SOSM 复合控制具有更好的抗扰动能力;同时,由表2可知FDOB-SOSM 复合控制下的系统稳定时间最少,绝对误差积分也最小.2.52.01.51.00.50.0≤⍺ / N T U020406080100120U / minFDOB + SOSM SOSMFDOB + PID PID REF图4受扰动情况仿真结果Fig.4Simulation results under disturbance表2受扰动情况控制性能指标Table 2Control performance index under disturbance0∼60min60∼120min控制方案超调量/稳定绝对误超调量/稳定绝对误%时间/差积分/%时间/差积分/min NTU min NTU FDOB-SOSM011.50.11020120.2144SOSM 8.5110.1153–>600.3158FDOB-PID –>600.1602–>600.3377PID–>600.1798–>600.41614.3模型不匹配受扰动情况为了进一步对比FDOB-SOSM 控制方案的性能,在模型不匹配且同时遭受扰动的情况下,由传递函数(40),得到滑动变量s 的动力学方程{˙s 1=s 2,˙s 2=−0.25s 2−0.014s 1+0.2u (t )+d (t ),(44)式中d (t )为扰动,仿真中取的是幅度0.05,频率为0.1的正弦信号,控制器采用式(42).仿真结果如图5和表3所示.由图5可以看出在0∼60min 和60∼120min,只有FDOB-SOSM 控制方案很好的跟踪设定值.可以看出模型不匹配和外部扰动时,基于FDOB 的扰动估计补偿,使FDOB-SOSM 复合控制具有更好的设定值跟踪和抗扰动能力.由表3可知,FDOB-SOSM 控制方案具有更好的鲁棒性、更快的响应和更小的超调.3.02.52.01.51.00.50.0≤⍺ / N T U020406080100120U / minFDOB + SOSM SOSMFDOB + PID PID REF图5模型不匹配受扰动情况仿真结果Fig.5Simulation results of model mismatch underdisturbance表3模型不匹配受扰动情况控制性能指标Table 3Control performance index of model mismatchunder disturbance0∼60min60∼120min控制方案超调量/稳定绝对误超调量/稳定绝对误%时间/差积分/%时间/差积分/min NTU min NTU FDOB-SOSM790.1018017.50.2332SOSM –>600.1623–>600.432FDOB-PID–>600.1498–>600.3833PID–>600.3109–>600.58185结论本文提出了一种水厂加矾系统的FDOB-SOSM 复合控制方案,采用了一种改进的带有非光滑项的SOSM 控制方法实现加矾反馈控制;FDOB 用于估计模型不匹配和扰动,并应用估计值作为前馈补偿削弱模型不匹配和扰动带来的不利影响.采用李亚普诺夫函数证明了系统的稳定性.在实际工程中存在的水第11期王冬生等:基于有限时间扰动观测器的水厂加矾系统二阶滑模控制1971质、水量突变等影响下造成的模型不匹配与扰动分别进行了仿真.仿真结果证明了控制方法的有效性.参考文献:[1]RATNAY AKA D D,BRANDT M J,JOHNSON M K.CHAPTER8-Water Filtration Granular Media Filtration.Oxford:Butterworth-Heinemann,2009.[2]CUI 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自来水厂的加矾自动化控制
自来水厂的加矾自动化控制一、引言自来水厂是为了满足人们日常用水需求而建设的重要设施。
在自来水的生产过程中，加矾是一个必要的步骤，它可以调整水质，提高水的口感和安全性。
为了提高加矾过程的效率和准确性，自来水厂需要进行加矾自动化控制的改进和优化。
二、背景传统的加矾过程需要人工操作，存在人为误差和工作强度大的问题。
为了解决这些问题，自来水厂需要引入自动化控制系统，实现加矾过程的自动化和智能化。
通过自动化控制系统，可以减少人工干预，提高加矾的准确性和稳定性。
三、加矾自动化控制系统的设计与实施1. 系统架构设计加矾自动化控制系统由传感器、控制器、执行器和监控系统组成。
传感器用于监测水质参数，控制器根据传感器数据进行决策，执行器负责控制加矾剂的投放，监控系统用于实时监测和记录加矾过程的数据。
2. 传感器选择与安装根据加矾过程中需要监测的参数，选择合适的传感器。
常用的传感器包括PH 值传感器、浊度传感器、余氯传感器等。
传感器应安装在适当的位置，以确保准确监测水质参数。
3. 控制器设计与编程控制器是加矾自动化控制系统的核心，负责根据传感器数据进行决策，并控制加矾剂的投放量。
控制器的设计应考虑加矾过程的特点和要求，采用合适的算法进行编程，确保加矾过程的稳定性和准确性。
4. 执行器选择与控制根据加矾剂的性质和投放要求，选择合适的执行器。
常用的执行器包括泵和阀门等。
执行器应能够精确控制加矾剂的投放量，确保加矾过程的准确性和稳定性。
5. 监控系统设计与实施监控系统用于实时监测和记录加矾过程的数据，以便后续分析和优化。
监控系统应能够显示加矾过程的关键参数和趋势图，并能够报警和生成报表。
监控系统的设计应考虑界面友好性和数据安全性。
四、加矾自动化控制系统的优势与应用1. 优势加矾自动化控制系统具有以下优势：- 提高加矾过程的准确性和稳定性，减少人为误差；- 提高加矾过程的效率，节约人力成本；- 实时监测和记录加矾过程的数据，方便后续分析和优化；- 提高自来水的口感和安全性，提升用户满意度。
某净水厂加矾系统应用实例
某净水厂加矾系统应用实例摘要：加矾系统是自来水厂关键及核心的系统之一，加矾系统的设计和运行对水厂生产有重要影响。
文章对茂名某净水厂加矾系统的设计和运行进行了介绍，阐述了影响矾液加药量的相关因素以及该厂加矾系统实际运行过程中存在的问题。
关键词：自来水厂；加矾；矾花自来水混凝加矾工艺是自来水制水工艺的关键及核心工艺之一，该工艺的作用是将进水通过与矾的混凝反应，使滤前水的浊度降低到一个可控的范围。
滤前水再经过滤池过滤使出厂水达到国家标准，因此加药混凝的处理效果，直接关系城镇供水水质安全。
1工程概况茂名某净水厂一期设计规模为50000m3/d，水源为地表水，水源水质符合《地表水环境质量标准》II类。
主要处理工艺为“格栅井及提升泵房+配水机械混合池+折板絮凝池+平流沉淀池+气水反冲洗滤池+清水池”。
供水水质符合《生活饮用水卫生标准》要求。
污泥处理系统出泥含水率60%。
管网末端供水压力0.28MPa。
加矾系统采用的混凝剂为聚合氯化铝（PAC）。
来料为10%液矾，矾液输送装置为数字计量泵。
矾液投加点为机械混合池。
2处理工艺图1 净水厂工艺流程工艺流程说明：原水进入格栅井，设置格栅的目的是拦截河水中的鱼虾、树叶等漂浮物，保证后续各处理单元的正常运行，格栅井与提升泵房合建。
提升泵房主要将原水提升至机械混合池。
机械混合池利用搅拌机搅拌水体，使混凝药剂向水体快速均匀扩散。
机械混合的混合效果好，对水质水量变化的适应性较强。
絮凝沉淀池用于絮凝反应和泥水分离。
气水反冲洗滤池采用石英砂滤料截留水中悬浮颗粒，进一步净化水质。
滤池出水进入清水池，经由送水泵房泵入配水管网。
3加矾系统设计3.1 絮凝沉淀池设计折板絮凝平流沉淀池将折板池与平流沉淀池合建。
絮凝是给水处理过程中最重要的环节，其通过对液体进行搅拌，来形成渐减的速度梯度，使经过混合脱稳的胶体和悬浮颗粒逐步形成较大絮体。
该絮体随后在平流沉淀池中进行沉淀。
折板絮凝池为单通道分级串联的立式絮凝池。
水厂加矾方案
小箱镇自来水公司投矾系统技术文件设计单位: 广州市波华水处理设备有限公司日期:2011年04月目录第一章概述第二章系统组成第三章设备简介第四章系统配置清单及安装图示第五章供货范围及售后服务第一章概述投矾系统主要由自动配水配矾系统、投加系统等部分构成。
混凝是净水系统中最重要的处理工艺,也是制水成本的主要组成部分,混凝剂的投加量是否准确直接影响到水处理的全过程。
传统的混凝投药自控技术需检测影响混凝效果的各项表现参数：源水的流量、浊度、pH、碱度、温度、混凝剂的流量、浓度、效能等，存在投资大、可靠性低、建立数学模型难、控制精度差、操作维护难等无法克服的缺点，因而无法推广应用。
流动电流检测法是国际上80年代开始应用的混凝剂投加自动控制新技术。
该系统利用检测凝聚过程的微观特性，即胶体粒子表面流动电荷的变化，在水处理投药工艺过程中，控制流动电流单个因子实现整个混凝剂投加的在线自动控制。
该技术是混凝剂投加的一项重要突破。
与传统的混凝投药自控技术相比，该方法具有检测控制参数单一、设备简单、操作方便、生产安全可靠、提高水质、节省药剂显著等优点。
自动混凝处理采用自动加药装置，系统配套需加药计量泵、SCD 仪（流动电流检测仪）、可编程控制器等。
原理是PLC自动控制器根据流动电流仪4-20mA反馈信号来实现自动控制，并通过变频器改变计量泵的频率来自动调节加药量的大小。
自动控制技术由于一次性投入的设备较多，造价比较高，一般只在水质较差，浊度高的大型水厂（10万T/D以上）使用。
对于水质较好的中小型（供水规模为3-5万T/D）水厂，由于加矾只是在洪水季节原水浊度较高时频繁使用。
从节省投资上考虑大都采用计量泵手动控制型投加，由有经验的员工操作，既可提高投矾的精确量（与重力自流相比）减少浪费，又可方便操作。
参考贵厂的供水规模及水质情况我们建议采用手动控制型计量泵投加系统。
第二章系统的组成一、混凝剂及投加量的确定：混凝剂：通常为液体硫酸铝（具体由业主自定）投药浓度：1~20%设计投加率（纯品）：平均加注量20mg/L，最大30mg/L。