一种氯气投加过程的抗干扰控制方法和系统与流程

本发明涉及一种水处理中氯气投加过程的抗干扰控制方法，尤其是一种使用扰动观测器来减少扰动影响的控制方法。

背景技术：

对于自来水消毒工艺而言，我国城镇自来水常规工艺处理过程通常采取氯消毒方式，作用是杀灭水体中的藻类、细菌、病毒等微生物。常用的氯消毒剂有液态氯、二氧化氯、氯胺、漂白粉等，其中液氯消毒成本较低，简便易行，对设备要求低，因此使用最为广泛。液氯消毒时总氯在水体中可以分为两个部分，一个是与水中的物质如氨氮等化学反应消耗掉的氯，另一个是余氯。余氯量是氯气消毒工艺中最重要的指标，它是指在水体中投加液氯，经过一定时间相互反应以后，在水体中余留下来的游离性余氯和结合性余氯的总和。国家标准中规定：为了抑制水中残留的微生物再度繁殖，要保证氯气在清水池中与水接触30分钟以上并保证自来水出厂时有一定的余氯量。

目前我国大多数自来水厂水处理过程的处理效果往往得不到有效保障。一方面由于氯气投加过程是复杂的物理、化学、生物反应过程。加之整个化学反应过程时间较长,使得这个过程具有典型的非线性、大时滞、大惯性和时变严重不确定性的特点，再加上有原水水质(包括水温、pH值、氨氮量等)变化、进水流量变化、过程工况(如一级二级泵房泵组启停，滤池反冲洗等)等的干扰，使得出厂水的水质波动较大。有时为了提高出厂水水质，人工加大氯气的投加量，不仅难以准确把握控制量的准确性以及及时性，而且加大了制水成本，也增大了生成三氯甲烷、溴酸盐等有害物质的可能。因此开展氯气投加控制的研究，解决水处理过程中的一系列关键技术点，设计开发一套克服大时延、大惯性、非线性时变过程的控制系统，对改善出厂水水质，具有十分重要的经济及社会意义。

技术实现要素：

发明目的：针对现有控制方法在面对原水流量和原水水质变化较大等外界干扰，以及内部工况变化和加氯机的非线性等使得工业控制上广泛使用的PID控制算法不能很好适应，进而不能很好的控制出厂水的余氯量的问题，本发明提出一种氯气投加过程的抗干扰控制方法和系统，使用扰动观测器提高对扰动的抑制能力。

技术方案：本发明提出一种氯气投加过程的抗干扰控制方法，包括：使用余氯分析仪实时检测出厂水的余氯量，并通过PLC控制器传递到上位机数据库中；上位机运行抗干扰控制算法得出控制量，并通过PLC控制器控制加氯机来控制加氯量，最终完成氯气投加工艺的自动化控制。所述控制算法采用扰动观测器构成的前馈控制器和传统的PID构成的反馈控制器相结合的控制方法，通过扰动观测器的输出和PID控制器的输出共同决定下一时刻加氯机的加氯量，具体计算公式如下：

$X\left(s\right)=N\left(s\right)-{\stackrel{\‾}{D}}_{ff}\left(s\right)---\left(1\right)$

式中，X(s)为氯气流量，N(s)为PID控制器的控制输出，为扰动观测器的输出；

N(s)和表示如下：

$N\left(s\right)=K_p(1+\frac{1}{T_{i}s}+T_{d}s)\left(r\right(s)-Y(s\left)\right)---\left(2\right)$

${\stackrel{\‾}{D}}_{ff}\left(s\right)=F\left(s\right)g_n^{-1}\left(s\right)Y\left(s\right)-F\left(s\right)e^{-{\mathrm{\θ}}_{n}s}X\left(s\right)---\left(3\right)$

式中，K_p为比例系数，T_i为积分时间常数，T_d为微分时间常数，r(s)为余氯量设定值，Y(s)为处理后水中余氯量，g_n(s)为过程通道标称模型的最小相位部分，θ_n为标称模型的时延，F(s)为扰动观测器中使用的滤波器。

由于氯气投加过程可以近似为一个二阶惯性加时延过程，所述扰动观测器中的滤波器F(s)设计为一个二阶低通滤波器，同时该低通滤波器的稳态增益为1，低通滤波器F(s)表示如下：

$F\left(s\right)=\frac{1}{{(\mathrm{\λ}s+1)}^2},\mathrm{\λ}\>0---\left(7\right)$

当综合考虑系统的抗干扰性和可实现性进行合理设置扰动观测器的参数如λ后，集总扰动包括原水流量变化和原水水质变化等外部扰动和模型参数不匹配等内部扰动，可以渐进趋于0，即使用扰动观测器和PID结合的控制方法可以很好的抑制外部和内部扰动。

扰动观测器和传统的PID控制器相结合的控制算法通过上位机IFIX组态软件的后台编程实现，计算出的控制量通过PLC控制器来控制加氯机。

一种氯气投加过程的抗干扰控制方法的系统，包括余氯分析仪、加氯机、PLC控制器和上位机，PLC控制器分别与余氯分析仪、加氯机以及上位机连接；其中余氯分析仪用于采样得出出厂水中的余氯含量，并通过PLC控制器传递到上位机数据库中；上位机用于计算得到控制量，并通过PLC控制器控制加氯机实现氯气的投加过程；所述上位机通过IFIX组态软件的后台编程实现加氯机加氯量的计算，具体计算方法见公式(1)(2)(3)。

有益效果：1、本发明提供的控制方法采用扰动观测器构成的前馈控制器和传统的PID构成的反馈控制器相结合的方法，使用扰动观测器对为原水流量变化和原水水质变化等外界干扰以及模型参数不匹配等内部干扰进行有效估计，从而在大的外部干扰的环境中可以很好的控制住余氯含量，保证出厂水的余氯量保持在合理的范围，既能有效的抑制微生物的繁殖，又不会影响人的健康。

2、本发明提供的抗干扰控制方法通过常用的上位机组态软件IFIX软件实现，可以很方便的使用后台编程语言编程实现PID控制算法和扰动观测器，使得PLC中的编程更为简单，同时在不需要去检测原水流量和原水水质的情况下使用软件方法实现对扰动进行软测量就可以有效抑制外部扰动和内部模型不匹配扰动，提高了控制系统的抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明实施例的氯气投加抗干扰控制系统框图。

图2为本发明实施例的扰动观测器的设计框图。

图3为本发明实施例的扰动观测器和PID相结合的控制方法框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明方法进行详细的阐述。

本发明提出一种自来水处理中氯气投加过程的抗干扰控制方法，使用余氯分析仪实时检测出厂水的余氯量，并通过PLC控制器传递到上位机数据库中，上位机运行抗干扰控制方法得出控制量，并通过PLC控制器控制加氯机来控制加氯量，最终完成氯气投加工艺的自动化控制。

所述控制方法将扰动观测器构成的前馈控制器和传统的PID构成的反馈控制器相结合，通过扰动观测器的输出和PID控制器的输出共同决定下一时刻加氯机的加氯量，具体计算公式如下：

$X\left(s\right)=N\left(s\right)-{\stackrel{\‾}{D}}_{ff}\left(s\right)---\left(1\right)$

式中，X(s)为氯气流量，N(s)为PID控制器的控制输出，为扰动观测器的输出；

N(s)和表示如下：

$N\left(s\right)=K_p(1+\frac{1}{T_{i}s}+T_{d}s)\left(r\right(s)-Y(s\left)\right)---\left(2\right)$

${\stackrel{\‾}{D}}_{ff}\left(s\right)=F\left(s\right)g_n^{-1}\left(s\right)Y\left(s\right)-F\left(s\right)e^{-{\mathrm{\θ}}_{n}s}X\left(s\right)---\left(3\right)$

式中，K_p为比例系数，T_i为积分时间常数，T_d为微分时间常数，r(s)为余氯量设定值，Y(s)为处理后水中余氯量，g_n(s)为过程通道标称模型的最小相位部分，θ_n为标称模型的时延，F(s)为扰动观测器中使用的滤波器；此处可以在过程通道输入端加入阶跃，然后对输出端的阶跃响应曲线进行拟合得出过程通道标称模型的最小相位部分和时延部分。此处使用的氯气投加为二阶惯性加时延模型。

Y(s)表示如下：

Y(s)＝G_co(s)N(s)+G_do(s)D_ex(s) (4)

式中，G_co(s)为控制通道的传递函数，G_do(s)为扰动通道的传递函数，D_ex(s)为原水流量变化和原水水质变化等外界扰动量；

G_co(s)和G_do(s)表示如下：

$G_{co}\left(s\right)=\frac{g\left(s\right)e^{-\mathrm{\θ}s}}{1+F\left(s\right)g_n^{-1}\left(s\right)\[g\left(s\right)e^{-\mathrm{\θ}s}-g_n\left(s\right)e^{-{\mathrm{\θ}}_{n}s}\]}---\left(5\right)$

$G_{do}\left(s\right)=\frac{1-F\left(s\right)e^{-{\mathrm{\θ}}_{n}s}}{1+F\left(s\right)g_n^{-1}\left(s\right)\[g\left(s\right)e^{-\mathrm{\θ}s}-g_n\left(s\right)e^{-{\mathrm{\θ}}_{n}s}\]}---\left(6\right)$

式中，g(s)为过程通道传递函数的最小相位部分，θ为时延。

所述扰动观测器中的滤波器F(s)设计为一个二阶低通滤波器，同时该低通滤波器的稳态增益为1，低通滤波器F(s)表示如下：

$F\left(s\right)=\frac{1}{{(\mathrm{\λ}s+1)}^2},\mathrm{\λ}\>0---\left(7\right)$

当综合考虑系统的抗干扰性和可实现性进行合理设置扰动观测器的参数如λ后，集总扰动包括为原水流量变化d_f和原水水质变化d_a等外部扰动和模型参数不匹配等内部扰动，可以渐进趋于0，即使用扰动观测器和PID结合的控制方法可以很好的抑制外部和内部扰动。

扰动观测器和传统的PID控制器相结合的控制算法通过上位机IFIX组态软件的后台编程实现，计算出的控制量通过PLC控制器来控制加氯机。

各个部分的具体说明如下：

采用本发明方法的系统如图1所示，在该系统中，采样出厂水余氯量的余氯分析仪和PLC控制器中的AI输入模块相连接，控制系统定时的通过PLC控制器采样余氯分析仪反映的余氯含量。同时PLC和上位机组态软件IFIX通过PROFIBUS进行通信，可以把实时的余氯含量值传输并存储到上位机的数据库中。

PID控制器的实现:

在上位机的后台编程环境中，编程实现把采集到的实时余氯值y和余氯设定值r做差得到差值，并结合整定出的比例系数、积分时间常数和微分时间常数得出PID控制器的输出量。

扰动观测器的实现如图2所示，在上位机的后台编程环境中，把采集到实时余氯含量值和前一时刻的加氯值通过整定出的标称模型的二阶环节、二阶低通滤波器、延迟环节(其中二阶低通滤波器要选择合理的滤波参数)，得出扰动观测器的输出量。

控制加氯机的加氯量的实现如图3所示，在上位机的后台编程环境中，把PID控制器的输出量和扰动观测器的输出量做差，然后把该差值x通过上位机和PLC之间的PROFIBUS通信传递给PLC控制器，PLC控制器把该控制量通过模拟量输出模块AO传输给加氯机的4-20mA控制接口，最终控制加氯机的加氯速度。