壓載水處理設(shè)備協(xié)同控制策略及仿真研究案例目錄TOC\o"1-3"\h\u22996壓載水處理設(shè)備協(xié)同控制策略及仿真研究案例 121941壓載水處理設(shè)備協(xié)同控制策略 3167391.2壓載水處理設(shè)備協(xié)同控制方案介紹 4145922壓載水處理設(shè)備協(xié)同控制策略仿真實驗 61壓載水處理設(shè)備協(xié)同控制策略1.1Seascape-BWMS壓載水處理系統(tǒng)控制方案分析

該壓載水處理系統(tǒng)通過過濾單元少壓載水中的較大生物及雜質(zhì)，降低超聲波處理裝置負擔(dān)，同時降低被處理壓載水濁度來提升紫外透射率。當(dāng)過濾單元率網(wǎng)上雜質(zhì)較多堵塞濾網(wǎng)從而使得該單元工作效率降低時，由于濾網(wǎng)阻塞導(dǎo)致過濾單元兩端管道壁壓力產(chǎn)生差值，并且隨濾網(wǎng)的阻塞程度壓差逐漸增大。當(dāng)壓差增大到一定值時，表明濾網(wǎng)堵塞已經(jīng)極大的影響了過濾單元的處理效率，因此控制打開反沖洗裝置對濾網(wǎng)進行沖洗，設(shè)定反沖洗裝置開啟時間為15min，完成反沖洗工作后關(guān)閉反沖洗裝置，過濾單元在反沖洗裝置打開時仍然可以正常工作。如圖4-1為該系統(tǒng)反沖洗裝置控制方案。圖4-1反沖洗裝置控制方案該系統(tǒng)過濾單元設(shè)計的創(chuàng)新點是通過反沖洗裝置的安裝改變了停機清洗或更換濾網(wǎng)的處理方式，可以實現(xiàn)壓載水處理過程中過濾單元的持續(xù)工作，增大了壓載水設(shè)備處理的效率。但是該反沖洗裝置的控制方案較簡單，每次開機時間固定，這就導(dǎo)致反沖洗裝置開機前過濾單元處理效率一直降低，無法實現(xiàn)反沖洗單元不停機實時開機清洗濾網(wǎng)，嚴重影響過濾單元工作效率，這也是后續(xù)需要改進的部分。1.2壓載水處理設(shè)備協(xié)同控制方案介紹在原有的控制基礎(chǔ)上，改進控制方案。該控制方案通過傳感器同時檢測進入壓載水處理設(shè)備的流量、過濾單元兩端管壁壓力的差值以及紫外線處理裝置中單元內(nèi)壁接受到的紫外線強度來共同控制反沖洗裝置開啟的功率、紫外線單元紫外燈管功率和超聲波清洗裝置的功率，從而根據(jù)不同的處理要求及壓載水處理的實際情況改變反沖洗裝置、紫外線處理單元的實時功率，使該壓載水處理設(shè)備始終保持較高的處理效率，提升該設(shè)備處理能力。該控制方案如圖4-2所示，水泵從海底門抽取壓載水進入過濾單元處理，反沖洗裝置全程開機運轉(zhuǎn)，通過壓力傳感器實時監(jiān)測過濾單元兩端壓差，并且實時控制反沖洗裝置清洗過濾，流量傳感器監(jiān)測流量的變化也會影響反沖洗裝置的沖洗功率，當(dāng)壓載水流速較大時增大反沖洗裝置功率來提高沖洗能力；通過進入壓載水處理設(shè)備的壓載水流量和過濾單元兩端管道壓力差來共同控制反沖洗裝置功率，采用pid控制器來達到更好的控制效果。由進入壓載水處理設(shè)備的壓載水流量和紫外處理單元中光強傳感器共同作為輸入值控制紫外線燈管功率，采用pid控制器控制。超聲波發(fā)生裝置功率由光強直接控制。當(dāng)反沖洗裝置達到最大功率運轉(zhuǎn)時，如果壓差持續(xù)增大或流量持續(xù)增大，反沖洗裝置可以給水泵一個反饋信號，使水泵功率降低從而降低流量，減輕該設(shè)備的處理壓力，達到更好的處理效果。1：過濾單元前端管道處壓力傳感器2：過濾單元后端管道處壓力傳感器3：EPT單元紫外線強度傳感器4：超聲波裝置圖4-2改進后的控制方案圖1.3該協(xié)同控制方案創(chuàng)新點①原控制方案反沖洗裝置中，由壓載水處理設(shè)備中過濾單元兩端管壁壓力差單獨控制反沖洗裝置開閉，當(dāng)壓力差達到一定閾值時開啟反沖洗裝置進行15min的清洗。原控制方案的缺點是反沖洗裝置只受過濾單元兩端管壁壓力差改變影響，且在該值達到一定值時才控制反沖洗裝置打開，不能對水流流速進行反應(yīng)；其次，濾網(wǎng)不能被實時清潔，當(dāng)濾網(wǎng)部分阻塞但是未達到清洗壓差時，過濾單元的工作效率將會降低。因此新的控制方式采用pid控制器，由進入壓載水處理設(shè)備的流量和過濾單元兩端管壁壓力差作為影響因素實時控制反沖洗裝置功率，當(dāng)開啟壓載水處理裝置時就可以打開反沖洗裝置實時清洗，并且清洗功率根據(jù)進入壓載水處理設(shè)備的流量以及過濾單元兩端管壁壓力差實時變化，達到更高的清洗效率；同時加入反饋回路，當(dāng)功率過高時反饋給水泵降低流速，以降低該壓載水處理設(shè)備的處理壓力，達到最高效、安全的處理狀態(tài)。②原控制方案中紫外線燈管、超聲波裝置處于常開狀態(tài)，無法實時確定紫外線處理單元中壓載水的渾濁度和透光度，不能根據(jù)實際情況做出反應(yīng)，只能根據(jù)固定功率進行處理。該控制方案中，位于紫外處理單元內(nèi)部的光強傳感器實時測量值可以影響紫外線單元中紫外線燈管和超聲波發(fā)生裝置的實時功率，當(dāng)紫外線強度較弱時，說明該單元內(nèi)部壓載水處理難度較高（渾濁度較高或微生物較多），控制器控制紫外處理單元內(nèi)紫外線燈管以及超聲波處理裝置功率增大，從而達到更好的控制效果；紫外線燈還受進入該處理設(shè)備的壓載水流量影響，流量的變化也會控制紫外線燈管功率變化，在時間上，流量變化先發(fā)生，之后經(jīng)過過濾單元處理到達紫外線處理單元，因此該協(xié)同控制方案有一定的前饋控制效果。③考慮到實際中流速和壓力差等因素對反沖洗裝置的功率有不同程度的影響，因此可以通過權(quán)重參數(shù)來調(diào)整不同因素的影響程度達到更好的控制效果。2壓載水處理設(shè)備協(xié)同控制策略仿真實驗2.1該控制方案simulink建模如下圖4-3，為該控制方案控制框圖。分別通過流量傳感器、壓力傳感器和光敏電阻來測量反沖洗裝置、紫外線燈管和超聲波發(fā)生裝置的功率。反沖洗裝置達到最大運轉(zhuǎn)功率時還可以控制水泵減小抽水功率。圖4-3壓載水設(shè)備協(xié)同控制框圖進行該控制器的仿真實驗。首先利用simulink進行控制器建模，得到如下控制器模型（如圖4-4所示）。將輸入量、輸出量連接至示波器，通過改變輸入來觀察輸出情況，主要驗證該控制器的穩(wěn)定性、快速性以及能否實現(xiàn)相應(yīng)的控制作用。圖4-4simulink控制器建模圖建立該控制器模型時，考慮將被控對象進行近似建模，反沖洗裝置主要通過電機驅(qū)動進行沖洗工作，將該被控對象近似為二階模型，設(shè)定其二階等效模型為（4.1）所示；紫外線燈管近似為電阻，傳遞函數(shù)用固定增益代替,設(shè)定傳遞函數(shù)為（4.2）；超聲波發(fā)生裝置近似為一階模型，傳遞函數(shù)近似為（4.3）.（4.1）（4.2）（4.3）2.1反沖洗裝置的功率控制模型的建立該部分由兩個輸入量共同控制反沖洗裝置功率，第一個輸入量為進入該壓載水處理設(shè)備的壓載水流量，即通過流量傳感器測量；其次，通過過濾單元兩端的壓力傳感器得到兩個壓力值，兩個壓力值相減的差值作為第二個輸入量；兩個輸入量求和后（后續(xù)可以通過增益環(huán)節(jié)來確定不同控制因素之間的權(quán)重）通過一個PID控制器來控制電機，進而控制反沖洗裝置的功率?？傁到y(tǒng)為閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)反沖洗裝置的功率偏差，使其最終趨于穩(wěn)定。其中PID控制器為（4.4）所示，反沖洗裝置電機二階等效模型為（4.1）。根據(jù)上述參數(shù)和等效模型搭建反沖洗裝置功率控制的閉環(huán)模型，如圖4-5所示。（4.4）圖4-5反沖洗裝置控制建模當(dāng)輸入為階躍信號時，設(shè)定流量輸入如圖4-6所示；設(shè)定壓力值1輸入如圖4-7所示，壓力值2設(shè)定為常值。輸入、輸出波形圖4-8如圖所示：圖4-6流量輸入設(shè)定圖4-7壓力值1輸入設(shè)定圖4-8階躍信號仿真結(jié)果圖4-8中，黃色波形為流量輸入波形圖，紅色波形為壓力差值的輸入波形圖，藍色波形為輸出波形圖。從圖中可以看出，輸出波形為要分為三個階段，每個階段的反沖洗裝置輸出功率的大小分別和兩個輸入量有關(guān)，且最終趨于一個穩(wěn)定值，可以看出該系統(tǒng)在每個階段都具有穩(wěn)定性。而在每個階段變化時，反沖洗裝置功率能較快速的跟蹤其變化，可以驗證該系統(tǒng)的快速性能良好。修正控制器參數(shù)，將pid控制器傳遞函數(shù)改進為（4.5），則控制效果更好，輸入輸出波形圖如圖4-9所示。（4.5）圖4-9pid控制器參數(shù)修正圖當(dāng)輸入量隨時間進行無規(guī)律變化時，測試控制器的控制性能。改變流量控制輸入為圖4-10所示，此時仿真結(jié)果波形圖如圖4-10所示?？梢杂^察到，當(dāng)進入壓載水處理設(shè)備的流量實時變化時，控制器控制反沖洗裝置的輸出功率響應(yīng)輸入的變化，并且跟隨性比較好，控制效果較好。圖4-10控制器效果圖2.2紫外線燈管的功率控制模型的建立該控制模型的輸入量為進入壓載水處理設(shè)備的壓載水流量和紫外線處理單元光敏電阻的阻值，輸出量為紫外線燈管的功率。該環(huán)節(jié)被控對象傳遞函數(shù)近似為常數(shù)，調(diào)節(jié)pid控制器參數(shù)，根據(jù)該部分控制等效模型（如圖4-11所示），進行控制器仿真。對該pid控制器進行參數(shù)調(diào)整，獲得更好的效果?？梢缘玫酱藭rpid控制器傳遞函數(shù)為（4.6）。（4.6）圖4-11紫外線燈控制模型仿真圖首先，使輸入信號壓載水流量和光強傳感器測量的光強分別為階躍信號，可以得到該控制器輸入、輸出波形如圖4-12所示。藍色波形為輸出的紫外線燈管功率波形；黃色波形為流量輸入波形，模擬流量實時變化；紅色波形為光敏電阻阻值波形，模擬電阻值階躍變化?？梢钥吹?，該控制器穩(wěn)定性好，可以根據(jù)輸入的變化快速做出響應(yīng)，當(dāng)進入壓載水處理設(shè)備的流量或光敏電阻測量值變化時，輸出紫外線燈管功率可以較好的跟隨變化，初步達到控制效果。圖4-12紫外線燈管控制仿真波形圖當(dāng)輸入隨時間變化時，探究控制器的控制效果，可得到輸出圖4-13。由圖可知，應(yīng)增大積分積分時間常數(shù)，提高系統(tǒng)的無靜差跟蹤能力。由仿真結(jié)果可以得知，該控制器可以較好的完成控制要求。圖4-13輸入變化時輸入輸出波形圖2.3超聲波發(fā)生裝置控制模型的建立該部分由光強傳感器直接控制超聲波發(fā)生裝置功率，通過pid控制器來控制輸出量。將被控對象（超聲波發(fā)生裝置）近似為一階模型（4.7），pid控制器傳遞函數(shù)（4.8），建立控制模型