[发明专利]一种水处理混凝投药复合预测控制方法

摘要

一种水处理混凝投药复合预测控制方法，本发明涉及水处理混凝投药控制方法，以解决混凝过程的非线性、不确定对象的复杂控制问题。具体为建立复合预测控制模型，通过检测水处理混凝过程的源水浊度和出水浊度，结合出水水质设定值，输入复合预测控制模型求得水处理混凝投药量的即时控制量，其中建立复合预测控制模型为用简化的DMC控制和源水水质扰动前馈预测控制的复合预测控制方法对水厂的水处理混凝投药进行控制，前馈控制中的源水浊度可用基于AR预报的时间序列预报法进行预报。采用简化的DMC控制和前馈预测控制相结合来提高控制精度，采用基于AR预报的时间序列预报法解决采样通常有一定的时间间隔问题，用于水厂水处理混凝投药控制。

主权项

1.一种水处理混凝投药复合预测控制方法，其特征在于所述水处理混凝投药复合预测控制方法是利用复合预测控制模型，通过检测水处理混凝过程的源水浊度和出水浊度，结合出水水质设定值，输入复合预测控制模型求得水处理混凝投药量的即时控制量，所述复合预测控制模型通过以下步骤建立：一、混凝过程建模  利用典型信号响应与最小二乘结合的原理，建立混凝过程的内扰模型和外扰模型，内扰模型是以投药量为输入量，以水处理混凝出水浊度为输出量，外扰模型是以源水浊度为输入量，以水处理混凝出水浊度为输出量，内扰模型为设计反馈预测控制所用，外扰模型为设计前馈预测控制所用。所建立的模型为有滞后的双惯性对象，其用以下模型描述：公式一：G(s)=Ke-τs(T1s+1)(T2s+1)]]>其中K为比例系数，τ为纯延迟时间，T₁和T₂为双惯性的时间常数，K、τ、T₁、T₂可用以下关系求得：公式二：V＝Uθ+Ω式中，V=C(1)C(2)...C(m),]]>U=1-1-A(1)-B(1)2-1-A(2)-B(2)............m-1-A(m)-B(m),]]>θ=KKτT1T2T1+T2,]]>Ω=Ω1Ω2...Ωm]]>式中B、A和C分别为阶跃响应、阶跃响应差分和阶跃响应积分，θ为被测参数，Ω为噪声，通过飞升实验，根据投药量阶跃变化测水处理混凝出水浊度变化的数据，根据源水浊度阶跃变化测水处理混凝出水浊度变化的数据，依据测得两组数据的典型响应和前述的建模方法，用最小二乘公式求模型参数：公式三：θ^=(UTU)-1UTV]]>二、DMC模型简化  由于混凝过程是过阻尼对象，可以用一阶无零点对象近似，设系统的模型为G(z^-1)，公式四：G(z^-1)＝g₁z^-1+g₂z^-2L+g_nz^-nL+g_Nz^-N其中，g₁，g₂，…，g_n，…，g_N为脉冲响应系数，对于一稳定的过程，公式四中的g_Nz^-n以后各项可按指数表示，因此公式四可以简化为公式五：G(z-1)=g1z-1+g2z-2Lgn-1z-(n-1)+gnz-n1-qz-1]]>其中，其中a_n-1，a_n，a_N为阶跃响应参数。基本DMC模型为Y_m(k+1)＝AΔU(k)+A₀U(k-1)，其中：公式六：A0U(k-1)=gNz-(N-1)+gN-1z-(N-2)+...+g3z-2+a2z-1gNz-(N-2)+gN-1z-(N-3)+...+g4z-3+a3z-1...gNz-(N-P)+gN-1z-(N-P+1)+...+gP+2z-(P+1)+aP+1z-1]]>由公式五可见DMC的预测模型由N阶降为n阶，对基本DMC模型进行简化，公式六简化为公式七：A0U(k-1)≈a2z-1+g3z-2+...+gn-1z-(n-2)+gnz-(n-1)1-qz-1a3z-1+g4z-2+...+gn-1z-(n-3)+gnz-(n-2)1-qz-1...ap+1z-1+gp+2z-2+...+gn-1z-(n-p-1)+gnz-(n-p)1-qz-1u(k)]]>三、DMC简化控制用步骤二得到的简化后的A₀U(k-1)实现DMC的简化控制，水处理混凝投药量的即时控制量u(k)为公式八：u(k)=1F(z-1)[Dr(z-1)(yr(k+p)-d(k)gnz-(n-p)1-qz-1u(k)-hfe(k)]]]>式中，F(z-1)==1d(k)[1+f1z-1+...+fn-p-1z-(n-p-1)+fn-pz-(n-p)+...+fn-2z-(n-2)];]]>f1=Σi=1pd1iai+1-1;]]>fk=Σi=1Pd1igi+k,(k=2,3,...,n-p-1);]]>fk=Σi=1n-k-1d1igi+k,(k=n-p,...,n-2);]]>其中F(z^-1)，D_r(z^-1)为控制器参量，可由模型和控制加权阵计算，y_r(k+p)为出水水质设定值，d(k)为源水浊度，e(k)为误差量，h_f为误差加权系数，f(k)为浊度序列扰动，p为模型阶次；四、源水水质扰动前馈预测控制  对于源水浊度d(k)扰动，前馈控制器G_q控制结果G_q(s)按不变性原理，存在以下关系：式中G₁(s)、G₂(s)为步骤一所述的内扰模型、外扰模型；五、投药过程的复合预测控制模型建立将步骤三的DMC简化控制和步骤四的源水水质扰动前馈预测控制相结合进行复合控制，利用源水水质扰动前馈预测控制结果对DMC简化控制进行源水水质扰动补偿，得到更精确的水处理混凝投药量的即时控制量u(k)：公式九：u(k)=1F(z-1)[Dr(z-1)(yr(k+P)-d(k)gnz-(n-P)1-qz-1u(k)-hfe(k)]+Gq(s)]]>其中F(z^-1)，D_r(z^-1)为控制器参量，可由模型和控制加权阵计算，y_r(k+p)为出水水质设定值，d(k)为源水浊度，e(k)为误差量，h_f为误差加权系数，G_q(s)为前馈控制器控制结果。