基于DMC的污水PH值控制仿真研究

基于DMC的污水PH值控制仿真研究摘要污水处理中的PH值控制具有非线性、时滞性、不确定性的特点，这使得PH 值控制成为污水处理中的一项难题。

动态矩阵控制算法是基于阶跃响应模型的一种预测控制算法，能够有效规避PH中和反应过程中非线性、时滞性等影响，从而实现对污水处理中PH值的有效控制，这对于工业生产、环境保护等无疑具有巨大的现实意义。

本文在总结人前研究的基础上，应用动态矩阵控制方法对污水PH值控制过程进行仿真实验，以验证动态矩阵控制方法的优势所在。

研究主要针对污水处理中的酸碱中和反应过程，利用MATLAB的Simulink对PH中和反应过程控制进行仿真实验。

仿真结果显示，动态矩阵控制算法对PH中和反应过程的控制性能显著优于PID算法，从整个控制的过程来看，动态矩阵控制无需离线辨识，在参数调整上较为容易，具有良好的收敛性和姣好的跟踪效果，另外还具有瞬态反应快、超调量小等特征，有效地避免了PID控制器所显示出的较大时滞性和较大超调量。

研究表明，动态矩阵控制方法是一种较为理想的污水PH值控制方法，值得在工业生产和环境保护实践中加以应用。

关键词：污水处理；动态矩阵控制；PH中和反应；仿真AbstractpH value control of wastewater treatment has the characteristics of nonlinearity, time lag, uncertainty, which makes the pH control become a difficult problem in wastewater treatment. Dynamic matrix control algorithm is based on the step response of the model, a predictive control algorithm can effectively avoid pH neutralization reaction in the process of nonlinear and time lag, so as to realize the effective control of PH value of wastewater treatment, for the industrial production, environmental protection is undoubtedly has great practical significance. In this paper, based on the summary of the front, dynamic matrix control method is applied to wastewater PH value control process simulation, to verify the advantage of the dynamic matrix control method. Research mainly for acid and alkali neutralization reaction of wastewater treatment process, using MATLAB Simulink to control the pH neutralization reaction process and the simulation experiment. The simulation results show that the dynamic matrix control algorithm for the control performance of PH neutralization reaction process was superior to that of PID algorithm, from the point of view of the whole control process, dynamic matrix control without off-line identification, on the parameter adjustment is relatively easy, it has good convergence and good tracking effect, it also has quick transient response, less overshoot, effectively avoid the PID controller is shown the amount of large time lag and large overshoot. Study shows that the dynamic matrix control method is an ideal water pH value control method, is worth application in industrial production and environmental protection practice.Keywords: sewage treatment; dynamic matrix control; pH neutralization reaction; simulation目录摘要 (I)Abstract ............................................................................................................................... I I 1绪论.. (1)1.1研究目的及意义 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.3研究内容及方法 (3)2污水处理中PH中和反应特征及PH值控制分析 (4)2.1污水处理的原理与工艺 (4)2.1.1污水处理原理 (4)2.1.2污水处理工艺 (4)2.2污水处理PH中和反应特征 (6)2.3污水处理PH值的控制分析 (9)2.4污水处理中的常用控制方法 (11)3动态矩阵控制（DMC） (13)3.1动态矩阵控制算法 (13)3.1.1预测模型 (13)3.1.2滚动优化 (14)3.1.3反馈校正 (16)3.1.4伪偏导数估计算法 (17)3.2动态矩阵控制参数分析 (18)3.3动态矩阵控制与PID控制的比较 (21)4 DMC应用于污水PH值控制过程仿真实验 (21)4.1污水PH值控制动态模型 (22)4.2仿真结果 (24)5结论 (28)参考文献 (29)1绪论1.1研究目的及意义我国水资源总量丰富，达到2.8万亿立方米，在全世界排名第四位，然而人均水资源占有量却非常匮乏，只有约2300立方米，在全世界只占到第121位。

据调查显示，我国668个城市中有400多个城市出现供水不足的现象，其中有118个城市严重缺水[1]。

我国水资源的先天不足的另外一个原因是由于经济的发展，城市的发展给社会环境带来了严重的影响，工业废水、生活污水等污染水资源不断流入自然水体中，导致水体资源质量降低，水功能逐渐减退，使得平原湖泊、地下水等水体都受到了不同程度的污染。

在国家水质评估河流10万公里的长河中，受污染的河长占51%，污染情况尤其严重，超过90%的城市水污染严重，71个水源中有30各达不到二级标准，水污染加剧了水资源的短缺。

水体的不同程度的污染，进一步加剧了城市用水紧张，为了进一步促进城市化的可持续发展和社会经济的紧张局势缓解水，确保城市水资源的可持续利用，加强城市污水处理，减少水污染环境是至关重要的。

这是一项需要长久奋斗的事业[2][3]。

改革开放以来，随着经济建设的高速发展，人们普遍重视对环境的保护和治理，国人环保意识普遍增强。

在污水处理工艺和技术方面，国内企业做出了积极的努力，取得了喜人的成就。

但是由于起步较晚，与发达国家相比，污水处理的自动化设备仍然有很大差距。

因此加强在污水处理设备自动化方面的研究无疑具有极其重要的意义[4]。

工业废水的排放，废水的PH值往往是监测环境保护部门关注的焦点[5]。

工业废水处理过程中，有一个大的水PH值检测和控制和他们中的很多人都添加中和剂来达到控制的目的。

在PH值检测和控制并不是一个新话题，但它是不容易得到好结果[6]。

由于严重的非线性过程和时间延迟和非参数模型允许使用传统的控制技术，如PID控制PH值精确控制很难达到预期的效果，成为工业自动化相对薄弱环节，PH值为这被公认为最难控制的变量[7][8]。

1.2国内外研究现状PH值控制不仅在酸性废水处理的过程中，但在工业生产的很多领域中也有应用，但其控制基于一个统一的理论基础。

自1907年以来，丹麦科学家索伦森PH值的概念，提出了建模和控制研究一直在不断探索。

1972年麦卡沃伊首先提出了酸碱中和过程的动态数学模型，该模型验证实验结果，它奠定了理论基础研究PH值控制问题理论基础[9]。

1973年，ShinskoyEG自适应增益PI控制器来解决高的增益和附近的一个点这个问题，取得一些突破的控制效果[10]。

1983年，GustafssonTK研究了PH值和过程应用在非线性自适应控制策略，设计非线性控制器添加到缓冲PH值和过程提出的输入-输出线性校正方法，不幸的是设计和算法是复杂的[11]。

孙西、金以惠在谷氨酸结晶生产过程中的PH值控制在双线性自适应PH值控制问题，双线性机制作为一个过程模型，基本上反映了PH值中和过程[12]。

许峰等人提出自适应模型预测控制算法的变种，在非线性状态空间模型的基础上行通过线性模型在当前通过每一步操作点(非平衡)线性化，以便进行状态反馈预测控制，并应用于酸碱中和过程[13]。

马浩使用专家系统方法对锅炉给水的PH值进行了控制[14]。

1993年，庞全等人开始研究PH值专家智能控制系统，他们将PH反应过程分为三个阶段：不灵敏区、过渡区和敏感区域，分别采用当量控制、限速控制以及间隙控制的方法，在研究中取得了一定成果[15]，但专家智能控制系统的建立，需要大量的系统信息和相关的专业知识，包括信息和特性等效计算和PH值控制着基本的化学方程式、公式、曲线。

存储库加载与基本的物理结构和污水系统、参数信息，如池和体积流量单位时间内，加中和剂泵流，中和剂的性质和生产历史的信息等等，因此，专家系统比较困难复杂的过程。

许多大型复杂系统难以建立精确的数学模型。

模糊控制的对象，一个清晰的线不能分类，传统的集合的概念集合理论不能描述这个模棱两可。