給水處理廠混凝投藥中無(wú)模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

史 靚，顏一青

(上海市自來(lái)水市北有限公司閘北水廠，上海 200438)

城鎮(zhèn)供水是現(xiàn)代化城市建設(shè)的基礎(chǔ)。常規(guī)給水處理工藝包括混凝、沉淀、過(guò)濾、消毒，其中，混凝、沉淀的效果直接影響后續(xù)工藝和出廠水質(zhì)。影響混凝效果的因素較多，如進(jìn)水流量、原水濁度、水溫、pH等。目前，給水處理中加藥大部分仍采用人工控制的方式。由于受到原水水質(zhì)、進(jìn)水流量和氣候等多種因素的影響，故會(huì)對(duì)加藥的合理性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性帶來(lái)一定的困難，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)影響水質(zhì)，同時(shí)造成藥劑的浪費(fèi)。

隨著水處理技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)投藥系統(tǒng)的形式多種多樣，包括數(shù)學(xué)模型法、模擬沉淀池法、流動(dòng)電流法、絮凝控制法以及基于模型的模糊控制法等。數(shù)學(xué)模型法理論上能夠準(zhǔn)確控制加礬沉淀過(guò)程，但是，建模過(guò)程、建成后的模型質(zhì)量以及維護(hù)，必須投入大量的人力、物力。模擬沉淀池法要根據(jù)一個(gè)微縮沉淀池的出水濁度來(lái)控制加礬量。由于混凝沉淀過(guò)程較為復(fù)雜，用微縮沉淀池出水濁度來(lái)決定加礬量不夠全面，所以實(shí)際處理效果不太理想。流動(dòng)電流法是檢測(cè)原水在投藥后的流動(dòng)電流與ξ電位相關(guān)的混凝本質(zhì)參數(shù)，并以此為依據(jù)確定加礬量。絮凝控制法可分為脈動(dòng)法、圖像法。礬劑加入原水后，流動(dòng)擴(kuò)散形成礬花，礬花的大小可以直接反映混凝沉淀的效果，通過(guò)水下攝像記錄礬花的形狀大小，再經(jīng)圖像分析裝置得到礬花粒徑、密度等參數(shù)，并通過(guò)控制器去控制加礬量［1-5］。雖然這些方法具有一定成效，但是仍然存在建模難、投資大、適應(yīng)性差、不宜于維護(hù)和操作等問(wèn)題，因而無(wú)法廣泛應(yīng)用。此外，自動(dòng)投藥系統(tǒng)的推廣受以下原因制約，包括我國(guó)原水水源保護(hù)不嚴(yán)格、原水水質(zhì)變化大且易突變等。因此，采用新技術(shù)研發(fā)適應(yīng)實(shí)際工況的自動(dòng)加藥系統(tǒng)，對(duì)推廣凈水工藝自動(dòng)化、提高水質(zhì)、節(jié)約藥耗具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［6］。

為了確?！鞍踩a(chǎn)、優(yōu)質(zhì)供水”的目標(biāo)，節(jié)省勞動(dòng)資源，國(guó)內(nèi)給水處理廠積極探索混凝沉淀過(guò)程自動(dòng)投藥的方法，希望直接以沉淀池出口濁度實(shí)測(cè)值為控制目標(biāo)，進(jìn)行閉環(huán)自動(dòng)加礬控制。上海市自來(lái)水市北有限公司閘北水廠在混凝沉淀中采用無(wú)模型自適應(yīng)(Model-Free Adaptive，MFA)控制器進(jìn)行自動(dòng)加礬，MFA控制器在水廠生產(chǎn)運(yùn)行中取得了良好的控制效果，本文將針對(duì)MFA控制器的應(yīng)用情況進(jìn)行分析說(shuō)明。

1 給水處理工藝

常規(guī)給水處理工藝如圖1所示，其中，混凝投藥是保證混凝效果、凈化水質(zhì)及節(jié)省藥劑的重要工序。將配制好的混凝劑加入進(jìn)水管道，與原水混合后流入沉淀池，礬劑在水中流動(dòng)擴(kuò)散形成礬花，將水中的膠體顆粒和雜質(zhì)等懸浮物凝聚沉淀，降低濁度，提高出水水質(zhì)，礬花在水中混凝的反應(yīng)時(shí)間約20～30 min。在一定的工況條件下，混凝效果由混凝劑的投加量決定。若投加量過(guò)小，則達(dá)不到除濁目的;若投加量過(guò)大，則會(huì)影響除濁效果和人體健康，同時(shí)增加制水成本。如前文所述，影響混凝投藥的因素很多，故控制加藥量便成為實(shí)際生產(chǎn)中的一大難題。

圖1 常規(guī)給水處理工藝Fig．1 Regular Water Treatment Process

閘北水廠設(shè)計(jì)日供水量為28萬(wàn)t，主要采用長(zhǎng)江原水(原水濁度10～40 NTU)，出廠水濁度控制在0．10 NTU以下。制水系統(tǒng)分為20萬(wàn)t制水系統(tǒng)和8萬(wàn)t制水系統(tǒng)，均采用靜態(tài)混合器和折板反應(yīng)池，但沉淀方式各不相同，其中20萬(wàn)t制水系采用斜管沉淀(1#、2#沉淀池)，8萬(wàn)t制水系統(tǒng)采用平流式沉淀(3#沉淀池)。不同的沉淀設(shè)備，原水處理時(shí)間有較大不同。原水從進(jìn)入沉淀池開(kāi)始，經(jīng)過(guò)混凝沉淀過(guò)程，直到沉淀池出口，采用斜管沉淀池整個(gè)流程約需1．5 h，采用平流式沉淀池整個(gè)流程約需2 h。

2 無(wú)模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

2．1 MFA 技術(shù)

眾所周知，PID控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于常規(guī)控制過(guò)程。然而，由于混凝沉淀過(guò)程存在大滯后、時(shí)變性等特點(diǎn)，PID控制很難保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。相比之下，MFA具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，在過(guò)程參數(shù)變化較大的情況下，仍能保持控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與較好的控制性能［7］。因此，閘北水廠在先后采用了SCM及FCD等控制系統(tǒng)，但效果均不理想的情況下，通過(guò)對(duì)無(wú)模型自適應(yīng)過(guò)程控制技術(shù)MFA調(diào)研，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，決定采用MFA技術(shù)作為我廠自動(dòng)加礬系統(tǒng)的控制器。

圖2 MFA控制技術(shù)核心結(jié)構(gòu)Fig．2 Core Structure of MFA Control Technique

MFA控制技術(shù)的核心結(jié)構(gòu)如圖2所示［6］，關(guān)鍵部件是一個(gè)多層感知神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，含有一個(gè)有“記憶”能力的輸入層、N個(gè)神經(jīng)元的隱含層和一個(gè)神經(jīng)元的輸出層。在這個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中有一組可以根據(jù)需要而改變的權(quán)重因子(Wij和hi)，從而對(duì)控制器的行為進(jìn)行調(diào)整。更新權(quán)重因子的算法是以縮小設(shè)定值與過(guò)程變量之間的偏差為目標(biāo)。由于其效果與控制目標(biāo)是一致的，因此，采用權(quán)重因子能幫助控制器在過(guò)程動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化的時(shí)候減小偏差。此外，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MFA控制器保存了一部分歷史數(shù)據(jù)，為了解過(guò)程動(dòng)態(tài)特性提供有價(jià)值的信息。也就是說(shuō)MFA控制器是根據(jù)被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)過(guò)程施加控制的，而過(guò)程特性的變化又無(wú)須調(diào)整MFA控制器參數(shù)，所以控制器具有強(qiáng)大的自適應(yīng)控制能力。

MFA是一種無(wú)需建立過(guò)程模型的自適應(yīng)控制技術(shù)，具有如下特征:(1)無(wú)需精確的過(guò)程定量知識(shí);(2)不含過(guò)程辨識(shí)機(jī)制;(3)不需要針對(duì)某一過(guò)程進(jìn)行控制器設(shè)計(jì);(4)不需要繁復(fù)的控制器參數(shù)整定;(5)具有閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和判據(jù)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性［8］。

2．2 MFA自動(dòng)投藥控制方案

閘北水廠采用的是帶前饋抗滯后的MFA自動(dòng)加礬控制系統(tǒng):以沉淀池出口濁度為被控對(duì)象，礬劑投加量為調(diào)節(jié)手段，進(jìn)水流量和原水濁度為前饋，構(gòu)成以出口濁度值為負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。影響混凝效果的因素很多，較為主要的是原水濁度和進(jìn)水流量。為了及時(shí)克服這種擾動(dòng)，MFA控制系統(tǒng)將原水濁度和進(jìn)水流量作為控制器前饋并結(jié)合比例控制方法對(duì)過(guò)程進(jìn)行控制。至于水溫、pH等因素，由于其在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)變化較小，故其變化造成的水質(zhì)波動(dòng)由控制系統(tǒng)自行修正。

如圖3所示，MFA控制系統(tǒng)以沉淀池出口濁度控制回路為主回路，加藥流量控制回路為子回路組成串級(jí)閉環(huán)控制系統(tǒng)，原水濁度和進(jìn)水流量作為控制器前饋參與控制。

圖3 帶前饋抗滯后MFA控制系統(tǒng)圖Fig．3 MFA Control System Diagram

2．3 MFA控制系統(tǒng)應(yīng)用效果

自2003年起，閘北水廠便開(kāi)始探索MFA控制系統(tǒng)在混凝沉淀過(guò)程中的應(yīng)用。探索初期，為檢驗(yàn)該系統(tǒng)運(yùn)行效果，由于1#、2#沉淀池均為斜管沉淀池，設(shè)計(jì)參數(shù)、投加設(shè)備相同，故將1#、2#沉淀池作為試驗(yàn)組，分別采用自動(dòng)和人工控制方式，出口濁度控制范圍為(3．0±0．2)NTU，運(yùn)行情況對(duì)比如表1所示(2003年數(shù)據(jù))?？梢园l(fā)現(xiàn)，1#沉淀池出口濁度中心范圍出現(xiàn)頻次較2#沉淀池高，即水質(zhì)比2#沉淀池穩(wěn)定;且礬劑投加量小于2#沉淀池。

表1 1#、2#沉淀池運(yùn)行情況對(duì)比Tab．1 Operation Comparision with 1#and 2#Sediment Tanks

自2011年4月起，我廠開(kāi)始采用每年夏季(5月～10月)、冬季(11月～次年4月)不同水源進(jìn)行給水處理。其中，夏季采用100%陳行原水，冬季采用70%青草沙原水、30%陳行原水的混合原水。如表2所示，夏季自動(dòng)控制的加藥量低于人工控制;冬季由于低溫低濁、沉淀池出口濁度目標(biāo)值的降低，故自動(dòng)控制的加藥量有所上升。另外，雖然冬季原水類型發(fā)生了改變，但是 MFA控制系統(tǒng)能夠適用于不同原水水質(zhì)，達(dá)到良好的控制效果。

表2 MFA控制系統(tǒng)試運(yùn)行情況分析Tab．2 Operation Anylsis with MFA Control System

如下表3、表4所示，通過(guò)對(duì)比2013年、2014年冬季同期數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)MFA控制系統(tǒng)能夠較好地適應(yīng)混合原水水質(zhì)，在低溫低濁情況下，控制沉淀池礬劑投加量在6．5～7．9 ppm，確保沉淀池出口濁度為(目標(biāo)值±0．2)NTU，達(dá)到良好的控制效果。

本品種與原種單竹Lingnania cerosissima的關(guān)鍵區(qū)別是：新品種全稈和部分竹枝具黃綠相間條紋，全稈被厚白粉，原種全稈和枝葉為綠色，被白粉相對(duì)較少。在稈的分枝習(xí)性、稈籜等特征上無(wú)區(qū)別。

表3 2013年冬季(混合原水)MFA控制系統(tǒng)試運(yùn)行情況Tab．3 Operation Status of MFA Control System in Winter，2013

表4 2014年冬季(混合原水)MFA控制系統(tǒng)試運(yùn)行情況Tab．4 Operation Status of MFA Control System in Winter，2014

另外，該系統(tǒng)試運(yùn)行期間，分別對(duì)原水濁度、進(jìn)水流量以及沉淀池出口濁度變化進(jìn)行了試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)控制參數(shù)做出了相應(yīng)調(diào)整，使系統(tǒng)工作狀態(tài)達(dá)到最佳。通過(guò)采集、整理、分析數(shù)據(jù)，可將該系統(tǒng)應(yīng)用效果歸納為以下幾點(diǎn):

(1)原水濁度擾動(dòng)控制情況:如圖4所示，當(dāng)原水濁度發(fā)生較大波動(dòng)時(shí)，加礬流量根據(jù)當(dāng)前沉淀池出口濁度反饋值并參照原水濁度變化自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，使出口濁度始終保持在設(shè)定值附近。

圖4 原水濁度擾動(dòng)實(shí)時(shí)曲線Fig．4 Turbidity Interuption Curve

(2)進(jìn)水流量擾動(dòng)控制情況:如圖5所示當(dāng)進(jìn)水流量發(fā)生較大波動(dòng)時(shí)，加礬流量根據(jù)當(dāng)前沉淀池出口濁度反饋值并參照進(jìn)水流量變化自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，使出口濁度始終保持在設(shè)定值附近。

圖5 進(jìn)水流量擾動(dòng)實(shí)時(shí)曲線Fig．5 Inflnent Interuption Curve

(3)控制目標(biāo)值擾動(dòng)控制情況:如圖6所示，當(dāng)沉淀池出口濁度(目標(biāo)值)發(fā)生一定波動(dòng)時(shí)，加礬流量根據(jù)當(dāng)前出口濁度反饋值變化自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，使出口濁度始終保持在設(shè)定值附近。

圖6 控制目標(biāo)值擾動(dòng)實(shí)時(shí)曲線Fig．6 Controlling Index Interuption Curve

3 結(jié)論

(1)MFA控制系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了以沉淀池出口濁度為控制目標(biāo)變量的閉環(huán)控制，長(zhǎng)期運(yùn)行觀察沒(méi)有出現(xiàn)振蕩、失控等不穩(wěn)定現(xiàn)象，出口濁度能穩(wěn)定地控制在設(shè)定值附近，控制精度達(dá)到要求，進(jìn)一步完善和提高了水廠生產(chǎn)自動(dòng)化水平，確保安全生產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)供水。

(2)當(dāng)原水濁度和進(jìn)水流量發(fā)生較大波動(dòng)時(shí)，MFA控制系統(tǒng)能及時(shí)調(diào)節(jié)加礬量，有效地控制沉淀池出口濁度，使其保持在控制目標(biāo)范圍內(nèi)，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

(3)MFA控制系統(tǒng)可以控制不同凈水工藝的出口濁度，適應(yīng)性強(qiáng)，且混凝劑投加量較為節(jié)省。針對(duì)2套不同的制水工藝，只需對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，MFA控制系統(tǒng)即能投入運(yùn)行，且運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，說(shuō)明MFA濁度閉環(huán)控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力強(qiáng)。

(4)MFA控制系統(tǒng)與廠內(nèi)原有PLC設(shè)備兼容，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及歷史數(shù)據(jù)記錄功能。人機(jī)操作界面直觀，手/自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換，操作簡(jiǎn)便，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

［1］ VanDoren，J Vance．Techniques of adaptive control［C］．ISATECH/EXPO Technology Update Conference Proceedings，2002:424-425，534-545．

［2］ V．VanDoren．Model free adaptive control［J］．Control Engineering Europe，2001:1-5．

［3］ George Cheng．Model-Free Adaptive(MFA)control［J］．IEE Computing and Control Engineering，2004，15(3):28-33．

［4］ G Cheng，M He，D L Li．Model-free coking furnace adaptive control［J］．Hydrocarbon Processing，1999，78(12):73-76．

［5］南軍，李圭白．新型豁凝投藥智能復(fù)合控制系統(tǒng)［J］．中國(guó)給水排水，2001，9:49．

［6］張中煒，丁永生．凈水廠混凝投藥的無(wú)模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)［J］．計(jì)算機(jī)仿真，2007，24(4):176-179．

［7］王偉，甘艷珍，劉桂香，等．MFA與PID控制器的實(shí)驗(yàn)比較研究［J］．自動(dòng)化儀表，2008，29(5):27-29．

［8］博軟自動(dòng)化技術(shù)(上海)有限公司．水廠制水過(guò)程MFA自動(dòng)加藥控制［J］．凈水技術(shù)，2010，31(2):J1-J2．